E-Tekstil Bernapas untuk Aplikasi yang Dapat Dipakai RF

oleh Mario D'Auria, John Greenwood, dan Chris Hunt di Pireta, dan Martin Salter dan Nick Ridler di National Physical Laboratory (NPL). Teknologi baru ini memungkinkan pembuatan trek konduktif pada kain, menjadikannya solusi potensial untuk berbagai perangkat yang dapat dikenakan.

Di dunia RF, upaya signifikan telah dilakukan untuk mengembangkan substrat berperforma tinggi untuk mengurangi kerugian dan memperluas frekuensi. Sementara banyak opsi substrat berperforma tinggi sekarang ada di pasaran, sebagian besar dapat diklasifikasikan sebagai kaku, atau paling banter, semi-fleksibel. Faktanya, dalam balapan performa tinggi ini, banyak yang mengabaikan semua pasar di mana performa ekstrim dan frekuensi tinggi tidak diperlukan. Sebaliknya, pasar ini akan mendapat manfaat dari substrat baru yang sesuai secara mekanis.

Di era saat teknologi menjadi lebih kecil dan lebih murah, lebih banyak yang mencari teknologi yang dapat dikenakan sebagai bidang minat utama untuk pasar mulai dari medis hingga militer hingga kebugaran. Teknologi manufaktur konvensional yang menggunakan komponen “kaku” membutuhkan banyak usaha untuk memperkecil komponen secara keseluruhan. Namun, pendekatan semacam ini tidak cocok untuk aplikasi RF di mana geometri keseluruhan bergantung pada frekuensi dan memaksakan batasan tertentu yang tidak dapat dengan mudah diatasi.

Faktanya, banyak perangkat wearable yang membutuhkan komunikasi nirkabel berukuran besar dan besar, membatasi kebebasan bergerak, atau setidaknya kenyamanan, pengguna. Di sini, kami ingin mengilustrasikan bagaimana teknologi yang memungkinkan pembuatan trek konduktif pada kain dapat memberikan kebebasan ruang dan desain sekaligus mempertahankan kenyamanan dan fleksibilitas bagi pengguna akhir.

Proses teknologi Pireta, yang memungkinkan pembuatan jalur dan pola konduktif pada tekstil, cocok untuk serat alami dan sintetis. Proses eksklusif ini melibatkan lima langkah:pembersihan, sensitisasi, pencetakan lapisan benih, pelapisan tanpa listrik, dan pasivasi. Ini semua adalah proses pencelupan kecuali untuk pencetakan lapisan benih, yang memungkinkan kebebasan geometris dalam menciptakan pola yang diinginkan.

Dirancang agar skalabel, proses ini dapat digunakan untuk produksi skala besar, berbagi beberapa langkah pemrosesan dengan pencetakan digital roll-to-roll. Kain dilapisi dengan logam pada tingkat serat, membuatnya konduktif tanpa kehilangan sifat bawaannya seperti pegangan, drape, stretch, dan breathability.

Salah satu struktur dasar yang terlibat dalam mengevaluasi kesesuaian proses untuk aplikasi RF adalah saluran transmisi. Dengan demikian, bagian saluran transmisi pendek dibuat pada kain bor kapas menggunakan proses Pireta.

Saluran transmisi terdiri dari dua jalur lebar 5 mm dengan jarak 2 mm di antaranya. Dua versi berbeda dibuat, satu dengan dua saluran transmisi sepanjang 50 mm dan satu lagi dengan dua saluran transmisi sepanjang 80 mm. Jenis saluran transmisi ini, dikenal sebagai coplanar strip , adalah pasangan elektromagnetik (EM) dari pandu gelombang coplanar. ¹ Mereka diproduksi dengan pengendapan lapisan biji perak menggunakan proses Pireta, diikuti oleh pelapisan tembaga tanpa listrik dan akhirnya pasif lapisan perak.

Setelah fabrikasi, pengukuran geometris dilakukan lagi, dan ditemukan lebar lintasan 5,5 mm dengan celah 1,7 mm. Selanjutnya, potongan kain dikelim, memungkinkan konektor koaksial perempuan SMA disolder ke ujungnya (Gbr. 1) . Karena teknologi ini melapisi serat dengan logam secara seragam, permukaan kain cocok untuk menyolder menggunakan timah biasa atau solder bebas timah, hanya bergantung pada toleransi kain terhadap suhu tinggi.

1. Saluran transmisi 80 mm dengan konektor SMA terhubung ke kabel penganalisis jaringan vektor.

Pengukuran VNA

Pengukuran dilakukan di Laboratorium Fisika Nasional menggunakan Keysight PNA-X vector network analyzer (VNA). Frekuensi pengujian divariasikan antara 10 MHz dan 10 GHz. Kabel yang terhubung ke VNA menggunakan konektor presisi 3,5 mm, yang memiliki kecepatan hingga 33 GHz. ² (Konektor SMA biasanya digunakan hingga sekitar 12 GHz, meskipun dapat digunakan pada frekuensi yang lebih tinggi.) ³ Kalibrasi short-open-load-thru (SOLT) dilakukan sebelum melakukan pengukuran. ⁴ Hasil pengukuran (yaitu, S-parameter) untuk salah satu garis panjang 50 mm dan salah satu garis panjang 80 mm ditunjukkan pada Gambar 2 dan 3 , masing-masing.

2. Ini adalah parameter S (a dan b) untuk garis sepanjang 50 mm.

3. Parameter S (a dan b) untuk garis sepanjang 80 mm diplot.

Untuk kedua garis, nilai parameter refleksi (S₁₁ dan S₂₂ ) mengungkapkan kecocokan yang relatif buruk di atas 100 MHz. Karena keterbatasan resolusi dari proses pencetakan, dan ini merupakan pengujian awal, impedansi saluran sengaja tidak dioptimalkan. Namun, penerapan trafo impedansi dapat mengatasi masalah pencocokan ini. Selanjutnya, dalam kedua kasus, S₁₁ dan S₂₂ hampir identik pada setiap frekuensi, menunjukkan bahwa proses penyolderan untuk konektor SMA memiliki pengulangan yang baik.

Parameter transmisi (S₁₂ dan S₂₁ ) untuk kedua saluran menunjukkan kinerja yang dapat diterima hingga 2 GHz dan mungkin lebih, setelah desain dioptimalkan untuk mengurangi ketidakcocokan dari konektor port uji VNA. Kerugian transmisi, diringkas dalam bentuk S₂₁ pada frekuensi tertentu untuk keempat baris, ditunjukkan dalam tabel .

S₂₁ pengukuran dilakukan pada frekuensi tertentu untuk empat baris.

Menggunakan rumus di bawah ini: ⁵

mungkin untuk menghitung ’_d (yaitu, redaman per satuan panjang setelah mengoreksi kehilangan ketidakcocokan) untuk dua baris. Hasilnya diilustrasikan dalam Gambar 4 menunjukkan redaman yang sangat rendah per satuan panjang untuk bagian saluran yang pendek secara elektrik, yaitu, sekitar 0,20 dB/cm dari 10 MHz hingga 100 MHz dan 0,32 dB/cm pada sekitar 1 GHz.

4. Redaman yang dihitung per satuan panjang diberikan untuk garis sepanjang 50 dan 80 mm.

Peningkatan Metalisasi

Untuk meningkatkan kinerja saluran transmisi RF ini, satu set saluran baru diproduksi. Kali ini, langkah elektroplating tembaga ditambahkan setelah langkah pasivasi untuk mengurangi kerugian ohmik. Garis-garis ini memiliki penampilan luar yang serupa dengan garis-garis yang diproduksi sebelumnya, dengan sedikit peningkatan kekakuan.

Gambar 5 menunjukkan redaman terukur per satuan panjang untuk kedua rangkaian saluran transmisi yang diproduksi menggunakan proses tanpa listrik (EL) Pireta standar dan rangkaian saluran baru yang dibuat dengan lapisan ekstra tembaga berlapis listrik (EP). Parameter desain dan pengujian tetap sama untuk memungkinkan perbandingan langsung antara hasil. Parameter elektroplating adalah 50 mA/cm ² selama 10 menit.

5. Atenuasi per satuan panjang perbandingan antara electroless (EL) dan electroplated (EP) 50- dan 80-mm garis dilakukan.

Hasilnya menunjukkan peningkatan yang signifikan pada rentang frekuensi 10 hingga 100 MHz. Di atas 100 MHz, kerugian secara bertahap mulai meningkat. Meskipun demikian, hasilnya terus menunjukkan peningkatan 0,2 dB/cm dibandingkan dengan saluran tanpa listrik, yang menghasilkan kerugian per satuan panjang sebesar 0,3 dB/cm pada 1 GHz.

Diyakini bahwa peningkatan kerugian ini disebabkan oleh ketidaksempurnaan geometris yang tak terhindarkan pada garis, tepi kasar dari fitur cetakan yang disebabkan oleh pola tenun, dan kekasaran kain itu sendiri. Masuk akal untuk berasumsi bahwa desain yang lebih baik dan kain yang lebih halus akan meningkatkan hasil. Kesesuaian teknologi Pireta tergantung pada persyaratan aplikasi. Dengan elektroplating tembaga, frekuensi yang dapat digunakan dapat diperpanjang hingga setidaknya 1 GHz.

Kedekatan Jaringan

6. Redaman terungkap dalam kasus kontak dengan jaringan manusia (jari), dengan spacer antara jaringan, dan dengan kain tercetak dilipat antara saluran transmisi dan jaringan.

Agar teknologi Pireta dapat digunakan pada pakaian, teknologi tersebut harus sesuai untuk digunakan saat bersentuhan dengan kulit. Diperkirakan bahwa tubuh, sebagai media lossy, akan menurunkan kinerja saluran transmisi. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 6 , ketika tiga jari ditempatkan langsung di bawah saluran transmisi (Gbr. 7a) .

7. Saluran transmisi 80 mm diuji dengan tangan di bawah (a), lapisan insulasi antara tangan dan saluran (b), dan saluran lain dilipat di bawah dan tangan di bawah (c). (Lihat Gambar 6 untuk hasilnya).

Degradasi serupa dalam kinerja diamati ketika lapisan isolasi disisipkan di antara jari-jari dan garis (Gbr. 7b) . Namun, jika lapisan lain dari kain konduktif ditempatkan di bawah garis, kinerjanya tetap kurang lebih sama (Gbr. 7c) . Ini menunjukkan bahwa, dengan desain yang tepat, efek tubuh manusia pada kinerja hampir dapat dihilangkan.

Kain Tidak Rata

8. Empat kondisi pengujian yang berbeda diterapkan pada saluran transmisi kain:U-bend (a), wiggle (b), misaligned (c), dan twist 180° (d).

Akhirnya, garis diuji di bawah kondisi distorsi yang berbeda dari substrat kain (yaitu, datar, U-bend, menggoyangkan, tidak sejajar, dan memutar) (Gbr. 8 ). Gambar 9 menunjukkan hasil untuk semua kondisi pengujian ini. Ada sedikit variasi dalam kinerja yang diukur sebagai akibat dari kondisi pengujian yang berbeda ini, dengan hanya kerugian yang sedikit lebih besar dalam konfigurasi goyangan. Hal ini mungkin disebabkan oleh pembentukan kopling antara bagian saluran yang berbeda, seperti yang ditunjukkan oleh pergeseran puncak yang diamati untuk saluran transmisi ini.

9. Ini adalah redaman terukur per satuan panjang untuk kelima kondisi pengujian:datar, bengkok-U, bergoyang, tidak sejajar, dan memutar.

Hasil dan Pekerjaan Masa Depan

Hasil yang dilaporkan menunjukkan kelayakan proses untuk menghasilkan jalur transmisi pada fabric untuk aplikasi RF hingga setidaknya 1 GHz dan mungkin lebih dari itu. Ini sesuai dengan rentang frekuensi komunikasi radio (AM:0,3 hingga 3 MHz, FM:30 hingga 300 MHz), RFID (3 hingga 30 MHz), dan komunikasi nirkabel (Wi-Fi/Bluetooth:2,4 GHz, radio satelit:1,4 /2,3GHz). Dengan kemungkinan menghilangkan efek jaringan manusia pada kinerja saluran transmisi ini, pendekatan ini dapat digunakan untuk aplikasi RF yang dapat dikenakan. Hal ini selanjutnya didukung oleh ketahanan yang diamati terhadap distorsi kain, yang memiliki pengaruh yang sangat kecil pada kerugian terukur pada garis.

Langkah-langkah masa depan akan mencakup mengoptimalkan struktur planar untuk meningkatkan kerugian refleksi. Selain itu, konstanta dielektrik substrat kain, ketebalan garis konduktif, dan jalur arus yang tidak seragam dibandingkan dengan jalur trek logam padat konvensional semuanya akan dipertimbangkan.

Kesimpulan

Telah dibuktikan bahwa teknologi Pireta, meskipun masih dalam tahap awal, dapat menghadirkan teknologi e-tekstil yang memenuhi persyaratan RF dari banyak aplikasi telekomunikasi, termasuk spektrum 5G sub-6-GHz. Pada saat yang sama, teknologi tersebut tidak mempengaruhi karakteristik tekstil dari pegangan, drape, dan breathability. Kombinasi properti yang menarik ini menawarkan peluang penting di banyak area aplikasi dan berpotensi membuka pintu bagi pengembangan produk baru.

Referensi

1. R. Garg, I. Bahl, M. Bozzi, Garis dan slot mikrostrip . London:Rumah Artech, 2013, hal. 376-377.
2. IEEE Std 287-2007, “Standar IEEE untuk Konektor Koaksial Presisi (DC hingga 110 GHz).”
3. IEC 60169-15:1979, “Konektor frekuensi radio. Bagian 15:R.F. konektor koaksial dengan diameter dalam konduktor luar 4,13 mm (0,163 in) dengan kopling sekrup – Impedansi karakteristik 50 ohm (Tipe SMA).”
4. S. Rehnmark, “Pada Proses Kalibrasi Sistem Penganalisis Jaringan Otomatis,” IEEE Trans. Tentang Teori dan Teknik Microwave , April 1974, hal. 457-458.
5. F. L. Warner, A. E. Bailey, "Pengukuran redaman" dalam Pengukuran Gelombang Mikro, London, Inggris:IEE, p. 132-134, 1989.