RFウェアラブルアプリ用の通気性のあるE-テキスタイル
ピレタのマリオ・ダウリア、ジョン・グリーンウッド、クリス・ハント、国立物理研究所（NPL）のマーティン・ソルターとニック・リドラーによる。この新しいテクノロジーにより、ファブリック上に導電性トラックを作成できるため、さまざまなウェアラブルのソリューションとなる可能性があります。
RFの世界では、損失を減らして周波数を拡張するための高性能基板を開発するために多大な努力が払われてきました。多くの高性能基板オプションが現在市場に出回っていますが、ほとんどはリジッド、またはせいぜいセミフレキシブルとして分類できます。実際、この高性能レースでは、多くの人が極端な性能と高周波が必要とされなかったすべての市場を見落としてきました。むしろ、これらの市場は、機械的に準拠した新しい基板の恩恵を受けていただろう。
テクノロジーがより小さく、より安価になっているこの時代において、より多くの人々が、医療から軍事、フィットネスに至るまでの市場の主要な関心分野としてウェアラブルテクノロジーを求めています。 「剛性のある」部品を使用する従来の製造技術では、部品全体を小型化するために多大な労力が必要です。ただし、この種のアプローチは、全体的な形状が周波数に依存し、簡単に克服できない特定の制限を課すRFアプリケーションには適していません。
実際、ワイヤレス通信を必要とするウェアラブルデバイスの多くは大きくてかさばり、ユーザーの移動の自由、または少なくとも快適さを制限します。ここでは、ファブリック上に導電性トラックを作成できるテクノロジーが、最終ユーザーに快適さと柔軟性を維持しながら、スペースとデザインの両方の自由を提供する方法を説明します。
テキスタイルに導電性のトラックとパターンを作成することを可能にするPiretaの技術プロセスは、天然繊維と合成繊維の両方に適しています。この独自のプロセスには、洗浄、増感、シード層の印刷、無電解コーティング、不動態化の5つのステップが含まれます。これらはすべて、シード層の印刷を除いてすべての浸漬プロセスです。シード層の印刷により、目的のパターンを幾何学的に自由に作成できます。
スケーラブルに設計されたこのプロセスは、大規模な生産に適し、ロールツーロールデジタル印刷といくつかの処理ステップを共有します。生地は繊維レベルで金属でコーティングされているため、ハンドル、ドレープ、伸縮性、通気性などの固有の特性を失うことなく導電性を実現します。
RFアプリケーションのプロセスの適合性を評価するための基本的な構造の1つは、伝送線路です。したがって、短い伝送線路セクションは、Piretaプロセスを使用して綿のドリルファブリック上に製造されました。
伝送線路は、2mm幅の2つのトラックで構成されていました。 2つの異なるバージョンが製造されました。1つは長さ50mmの伝送ラインが2つあり、もう1つは長さ80mmの伝送ラインが2つあります。 コプレーナストリップとして知られるこの種の伝送線路 は、コプレーナ導波路の電磁（EM）対応物です。 1 それらは、Piretaプロセスを使用して銀シード層を堆積し、続いて銅の無電解めっきを行い、最後に銀層を不動態化することによって製造されました。
製作後、再度幾何学的測定を行ったところ、トラック幅は5.5mm、ギャップは1.7mmでした。続いて、布地を縁取りし、SMAメス同軸コネクタを両端にはんだ付けできるようにしました（図1） 。この技術は繊維を金属で均一にコーティングするため、布の表面は、高温に対する布の耐性にのみ応じて、一般的な鉛または鉛フリーはんだを使用したはんだ付けに適しています。
1。 SMAコネクタ付きの80mm伝送ラインは、ベクトルネットワークアナライザケーブルに接続されています。
VNA測定
測定は、Keysight PNA-Xベクトルネットワークアナライザ（VNA）を使用して国立物理研究所で実施されました。テスト周波数は10MHzから10GHzの間で変化しました。 VNAに接続されたケーブルは、最大定格33GHzの高精度3.5mmコネクタを使用していました。 2 （SMAコネクタは通常約12 GHzまで使用されますが、より高い周波数でも使用できます。） 3 測定を実行する前に、ショートオープンロードスルー（SOLT）キャリブレーションを実行しました。 4 長さ50mmの線の1つと長さ80mmの線の1つの測定結果（つまり、Sパラメータ）を図2 に示します。 および 3 それぞれ。
2。これらは、長さ50 mmのラインのSパラメータ（aおよびb）です。
3。長さ80mmの線のSパラメータ（aとb）がプロットされます。
両方の線について、反射パラメータの値（S 11 およびS 22 ）100MHzを超えると比較的不十分なマッチングを示します。印刷プロセスの解像度の制限のため、これは予備テストであるため、ラインのインピーダンスは意図的に最適化されていません。ただし、インピーダンストランスを実装することで、このマッチングの問題を解決できる可能性があります。さらに、どちらの場合も、S 11 およびS 22 各周波数でほぼ同じであり、SMAコネクタのはんだ付けプロセスの再現性が良好であることを示しています。
送信パラメータ（S 12 およびS 21 ）両方のラインで、VNAテストポートコネクタからの不一致を減らすように設計が最適化されると、最大2 GHz、場合によってはそれを超える許容可能なパフォーマンスが示されます。 S 21 で要約された伝送損失 4つの回線すべての特定の周波数で、表に表示されます。 。
S 21 測定は、4つのラインに対して特定の周波数で行われました。
以下の式を使用します： 5
α ’ d を計算することが可能です （つまり、不一致損失を補正した後の単位長さあたりの減衰）。 図4 に示されている結果 線の電気的に短いセクションでは、単位長さあたりの減衰が非常に低くなります。つまり、10MHzから100MHzでは約0.20dB / cm、約1GHzでは0.32dB / cmです。
4。単位長さあたりの計算された減衰は、50mmと80mmの長さの線に対して与えられます。
金属化の増加
これらのRF伝送ラインのパフォーマンスを向上させるために、新しいラインのセットが製造されました。今回は、不動態化ステップの後に銅電気めっきステップを追加して、オーム損失を低減しました。これらのラインは、以前に製造されたラインと同様の外観でしたが、剛性がわずかに増加しました。
図5 は、標準のPireta無電解（EL）プロセスを使用して製造された伝送ラインのセットと、電気めっき（EP）銅の追加層で製造された新しいラインのセットの両方について測定された単位長さあたりの減衰を示しています。結果を直接比較できるように、設計とテストのパラメーターは同じに保たれました。電気めっきパラメータは50mA / cm 2 でした。 10分間。
5。無電解（EL）と電気めっき（EP）の50mmラインと80mmラインの単位長さあたりの減衰を比較しました。
結果は、10〜100MHzの周波数範囲で大幅な改善を示しています。 100 MHzを超えると、損失は徐々に増加し始めます。それにもかかわらず、結果は無電解ラインと比較して0.2 dB / cmの改善を示し続けており、1GHzで0.3dB / cmの単位長さあたりの損失をもたらしています。
この損失の増加は、線の不可避の幾何学的欠陥、織りパターンによって引き起こされる印刷された特徴の粗いエッジ、および布自体の粗さによるものと考えられています。より良いデザインとより細かい生地が結果を改善すると仮定するのは論理的です。 Piretaテクノロジーの適合性は、アプリケーションの要件によって異なります。銅電気めっきにより、使用可能な周波数を少なくとも1GHzまで拡張できます。
組織の近接性
6。減衰は、人間の組織（指）との接触、組織間のスペーサー、および伝送線路と組織の間に折りたたまれた印刷された布の場合に明らかになります。
Piretaテクノロジーを衣類に使用するには、皮膚に接触したときの使用に適している必要があります。損失のある媒体である身体は、送電線の性能を低下させることが予想されます。これは図6 で見ることができます 、3本の指を伝送線路の真下に置いたとき（図7a） 。
7。 80 mm伝送ラインは、下の手（a）、手とラインの間の絶縁層（b）、および下に折りたたまれた別のラインと下の手（c）でテストされました。 （結果については、図6を参照してください）。
指と線の間に絶縁層を挿入した場合にも、同様の性能低下が観察されました（図7b） 。ただし、導電性ファブリックの別の層を線の下に配置すると、パフォーマンスはほぼ同じままになります（図7c） 。これは、適切な設計があれば、パフォーマンスに対する人体の影響をほとんど取り除くことができることを示しています。
非フラットファブリック
8。ファブリック伝送ラインには、Uベンド（a）、ウィグル（b）、ミスアライメント（c）、180°ツイスト（d）の4つの異なるテスト条件が適用されました。
最後に、線は、ファブリック基板のさまざまな歪み条件（つまり、フラット、Uベンド、ウィグル、ミスアラインメント、およびツイスト）でテストされました（図8 ）。 図9 は、これらすべてのテスト条件の結果を示しています。これらのさまざまなテスト条件の結果として測定されたパフォーマンスの変動はほとんどなく、ウィグル構成での損失はわずかに大きくなります。これは、これらの伝送線路で観測されたピークのシフトによって示唆されるように、線路の異なるセクション間の結合の形成が原因である可能性があります。
9。これは、フラット、Uベンド、ウィグル、ミスアライメント、ツイストの5つのテスト条件すべてで測定された単位長さあたりの減衰です。
結果と今後の作業
報告された結果は、RFアプリケーション用のファブリック上に少なくとも1GHz以上の伝送ラインを生成するプロセスの実現可能性を示しています。これは、周波数（AM：0.3〜3 MHz、FM：30〜300 MHz）、RFID（3〜30 MHz）、および無線通信（Wi-Fi / Bluetooth：2.4 GHz、衛星ラジオ：1.4）の無線通信範囲に対応します。 /2.3GHz）。これらの伝送線路の性能に対する人体組織の影響を取り除く可能性があるため、このアプローチはウェアラブルRFアプリケーションに使用できます。これは、測定されたラインの損失にほとんど影響を与えなかった、ファブリックの歪みに対する観察された回復力によってさらにサポートされます。
将来のステップには、反射損失を改善するために平面構造を最適化することが含まれます。さらに、ファブリック基板の誘電率、導電線の太さ、および従来のソリッドメタルトラックラインと比較した不均一な電流経路がすべて考慮されます。
結論
Piretaテクノロジーはまだ初期段階ですが、5Gスペクトルのサブ6 GHzエンドを含む、多くの通信アプリケーションのRF要件を満たすe-テキスタイルテクノロジーを提供できることが実証されています。同時に、このテクノロジーは、ハンドルのテキスタイル特性、ドレープ、通気性に影響を与えません。このエキサイティングなプロパティの組み合わせは、多くのアプリケーション分野で重要な機会を提供し、新製品開発への扉を開く可能性があります。
参考資料
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- IEEE Std 287-2007、「IEEE Standard for Precision Coaxial Connector（DC to 110GHz）」
- IEC 60169-15：1979、「無線周波数コネクタ。パート15：R.F。外導体の内径が4.13mm（0.163インチ）の同軸コネクタ、ねじ結合付き–特性インピーダンス50オーム（タイプSMA）。」
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モノのインターネットテクノロジー