E-textile respirant pour applications portables RF

par Mario D'Auria, John Greenwood et Chris Hunt à Pireta, et Martin Salter et Nick Ridler au National Physical Laboratory (NPL). Cette nouvelle technologie permet la création de pistes conductrices sur le tissu, ce qui en fait une solution potentielle pour une large gamme de vêtements.

Dans le monde RF, un effort important a été fait pour développer des substrats hautes performances pour réduire les pertes et étendre les fréquences. Alors que de nombreuses options de substrats hautes performances sont maintenant sur le marché, la plupart peuvent être classées comme rigides ou, au mieux, semi-flexibles. En fait, dans cette course de haute performance, beaucoup ont négligé tous les marchés dans lesquels des performances extrêmes et des fréquences élevées n'étaient pas requises. Au contraire, ces marchés auraient bénéficié de nouveaux substrats mécaniquement conformes.

À une époque où la technologie devient de plus en plus petite et moins chère, de plus en plus de personnes se tournent vers la technologie portable comme domaine d'intérêt prédominant pour des marchés allant du médical au militaire en passant par le fitness. La technologie de fabrication conventionnelle qui utilise des composants « rigides » nécessite beaucoup d'efforts pour miniaturiser l'ensemble du composant. Cependant, ce type d'approche ne se prête pas aux applications RF dans lesquelles la géométrie globale dépend de la fréquence et impose certaines limitations qui ne peuvent pas être facilement surmontées.

En fait, de nombreux appareils portables nécessitant des communications sans fil sont volumineux et encombrants, ce qui limite la liberté de mouvement, ou du moins le confort, de l'utilisateur. Ici, nous voulons illustrer comment une technologie qui permet la création de pistes conductrices sur le tissu peut offrir à la fois une liberté d'espace et de conception tout en maintenant le confort et la flexibilité pour l'utilisateur final.

Le processus technologique de Pireta, qui permet de créer des pistes et des motifs conducteurs sur les textiles, convient aux fibres naturelles et synthétiques. Ce processus exclusif comprend cinq étapes :le nettoyage, la sensibilisation, l'impression de la couche d'ensemencement, le revêtement autocatalytique et la passivation. Ce sont tous des procédés d'immersion à l'exception de l'impression de la couche de germe, qui permet la liberté géométrique dans la création du motif souhaité.

Conçu pour être évolutif, ce processus se prête à une production à grande échelle, partageant certaines étapes de traitement avec l'impression numérique rouleau à rouleau. Le tissu est enduit de métal au niveau de la fibre, ce qui le rend conducteur sans perdre ses propriétés inhérentes telles que la poignée, le drapé, l'élasticité et la respirabilité.

Les lignes de transmission sont l'une des structures fondamentales impliquées dans l'évaluation de l'adéquation d'un processus aux applications RF. Ainsi, de courtes sections de lignes de transmission ont été fabriquées sur du tissu de coton drill selon le procédé Pireta.

Les lignes de transmission se composaient de deux pistes de 5 mm de large avec 2 mm de séparation entre elles. Deux versions différentes ont été fabriquées, une avec deux lignes de transmission de 50 mm de long et une autre avec deux lignes de transmission de 80 mm de long. Ce type de ligne de transmission, connue sous le nom de bande coplanaire , est la contrepartie électromagnétique (EM) d'un guide d'ondes coplanaire. ¹ Ils ont été fabriqués par dépôt d'une couche de germe d'argent selon le procédé Pireta, suivi d'un placage autocatalytique de cuivre et enfin d'une passivation de couche d'argent.

Après fabrication, des mesures géométriques ont été prises à nouveau, et la largeur de la piste s'est avérée être de 5,5 mm avec un écart de 1,7 mm. Par la suite, le morceau de tissu a été ourlé, permettant de souder les connecteurs coaxiaux femelles SMA aux extrémités (Fig. 1) . Comme cette technologie enrobe uniformément les fibres de métal, la surface du tissu est adaptée à la soudure à l'aide de plomb ordinaire ou de soudure sans plomb, en fonction uniquement de la tolérance du tissu aux températures élevées.

1. Les lignes de transmission de 80 mm avec connecteurs SMA sont connectées aux câbles de l'analyseur de réseau vectoriel.

Mesures VNA

Les mesures ont été effectuées au National Physical Laboratory à l'aide d'un analyseur de réseau vectoriel (VNA) Keysight PNA-X. La fréquence d'essai a varié entre 10 MHz et 10 GHz. Les câbles connectés au VNA utilisaient des connecteurs de précision de 3,5 mm, qui sont évalués jusqu'à 33 GHz. ² (Les connecteurs SMA sont couramment utilisés jusqu'à environ 12 GHz, bien qu'ils puissent être utilisés à des fréquences plus élevées.) ³ Un étalonnage court-ouvert-charge-thru (SOLT) a été effectué avant d'effectuer les mesures. ⁴ Les résultats de mesure (c'est-à-dire les paramètres S) pour l'une des lignes de 50 mm de long et l'une des lignes de 80 mm de long sont présentés dans les Figures 2 et 3 , respectivement.

2. Ce sont les paramètres S (a et b) pour la ligne de 50 mm de long.

3. Les paramètres S (a et b) pour la ligne de 80 mm de long sont tracés.

Pour les deux lignes, les valeurs des paramètres de réflexion (S₁₁ et S₂₂ ) révèlent une correspondance relativement faible au-dessus de 100 MHz. En raison des limitations de résolution du processus d'impression, et ceci étant un test préliminaire, l'impédance des lignes n'a volontairement pas été optimisée. Cependant, il est possible que la mise en œuvre d'un transformateur d'impédance résolve ce problème d'adaptation. De plus, dans les deux cas, S₁₁ et S₂₂ sont presque identiques à chaque fréquence, ce qui suggère que le processus de soudure des connecteurs SMA a une bonne répétabilité.

Les paramètres de transmission (S₁₂ et S₂₁ ) pour les deux lignes montrent des performances acceptables jusqu'à 2 GHz et éventuellement au-delà, une fois que la conception a été optimisée pour réduire l'inadéquation des connecteurs du port de test VNA. Les pertes de transmission, résumées en termes de S₂₁ à des fréquences spécifiques pour les quatre lignes, sont indiqués dans le tableau .

S₂₁ les mesures ont été prises à des fréquences spécifiques pour les quatre lignes.

En utilisant la formule ci-dessous : ⁵

il est possible de calculer α'_d (c'est-à-dire l'atténuation par unité de longueur après correction de la perte de désadaptation) pour les deux lignes. Les résultats illustrés dans la Figure 4 montrent une très faible atténuation par unité de longueur pour des sections de ligne électriquement courtes, c'est-à-dire environ 0,20 dB/cm de 10 MHz à 100 MHz et 0,32 dB/cm à environ 1 GHz.

4. L'atténuation calculée par unité de longueur est donnée pour les lignes de 50 et 80 mm de long.

Augmentation de la métallisation

Pour améliorer les performances de ces lignes de transmission RF, un nouvel ensemble de lignes a été fabriqué. Cette fois, une étape de galvanoplastie du cuivre a été ajoutée après l'étape de passivation pour réduire les pertes ohmiques. Ces lignes avaient un aspect extérieur similaire à celui des lignes fabriquées précédemment, avec une augmentation marginale de la rigidité.

Figure 5 montre l'atténuation mesurée par unité de longueur à la fois pour l'ensemble de lignes de transmission fabriquées à l'aide du procédé standard Pireta sans courant (EL) et pour le nouvel ensemble de lignes fabriquées avec une couche supplémentaire de cuivre électrolytique (EP). Les paramètres de conception et d'essai ont été conservés les mêmes pour permettre une comparaison directe entre les résultats. Les paramètres de galvanoplastie étaient de 50 mA/cm ² pendant 10 minutes.

5. Une comparaison d'atténuation par unité de longueur entre les lignes autocatalytiques (EL) et électrolytiques (EP) de 50 et 80 mm a été effectuée.

Les résultats montrent une amélioration significative sur la gamme de fréquences de 10 à 100 MHz. Au-dessus de 100 MHz, les pertes commencent progressivement à augmenter. Néanmoins, les résultats continuent de révéler une amélioration de 0,2 dB/cm par rapport aux lignes autocatalytiques, résultant en une perte par unité de longueur de 0,3 dB/cm à 1 GHz.

On pense que cette augmentation de la perte est due aux inévitables imperfections géométriques des lignes, aux bords rugueux des éléments imprimés causés par le motif de tissage et à la rugosité du tissu lui-même. Il est logique de supposer qu'un meilleur design et un tissu plus fin amélioreraient les résultats. L'adéquation de la technologie Pireta dépend des exigences de l'application. Par galvanoplastie du cuivre, la fréquence utilisable peut être étendue à au moins 1 GHz.

Proximité des tissus

6. L'atténuation est révélée dans les cas de contact avec des tissus humains (doigts), avec un espaceur entre les tissus, et avec le tissu imprimé replié entre la ligne de transmission et le tissu.

Pour que la technologie Pireta soit utilisable sur les vêtements, elle doit être adaptée à une utilisation en contact avec la peau. Il faut s'attendre à ce que le corps, étant un milieu à pertes, dégrade les performances des lignes de transmission. Cela peut être vu dans la Figure 6 , lorsque trois doigts ont été placés directement sous les lignes de transmission (Fig. 7a) .

7. Les lignes de transmission de 80 mm ont été testées avec une main en dessous (a), une couche isolante entre la main et les lignes (b), et une autre ligne pliée en dessous et une main en dessous (c). (Voir la figure 6 pour les résultats).

Une dégradation similaire des performances a été observée lorsqu'une couche isolante a été interposée entre les doigts et les lignes (Fig. 7b) . Cependant, si une autre couche de tissu conducteur est placée sous les lignes, les performances restent approximativement les mêmes (Fig. 7c) . Cela démontre qu'avec une conception appropriée, l'effet du corps humain sur les performances peut presque être supprimé.

Tissu non plat

8. Quatre conditions de test différentes ont été appliquées aux lignes de transmission en tissu :courbure en U (a), ondulation (b), désalignement (c) et torsion à 180 ° (d).

Enfin, les lignes ont été testées dans différentes conditions de distorsion du substrat en tissu (c. ). Figure 9 montre les résultats pour toutes ces conditions de test. Il y a très peu de variation dans les performances mesurées en raison de ces différentes conditions de test, avec seulement des pertes légèrement plus importantes dans la configuration de wiggle. Cela peut être dû à la formation de couplage entre les différentes sections de la ligne, comme le suggère le décalage des pics observés pour ces lignes de transmission.

9. Il s'agit de l'atténuation mesurée par unité de longueur pour les cinq conditions de test :plat, courbure en U, ondulation, désalignement et torsion.

Résultats et travaux futurs

Les résultats rapportés montrent la faisabilité d'un procédé pour produire des lignes de transmission sur tissu pour des applications RF à au moins 1 GHz et peut-être au-delà. Cela correspond à la plage de fréquences des communications radio (AM :0,3 à 3 MHz, FM :30 à 300 MHz), RFID (3 à 30 MHz) et des communications sans fil (Wi-Fi/Bluetooth :2,4 GHz, radio satellite :1,4 /2,3 GHz). Avec la possibilité de supprimer l'effet des tissus humains sur les performances de ces lignes de transmission, cette approche pourrait être utilisée pour les applications RF portables. Ceci est en outre soutenu par la résilience observée à la distorsion du tissu, qui a eu très peu d'effet sur la perte mesurée dans les lignes.

Les prochaines étapes incluront l'optimisation de la structure planaire pour améliorer les pertes de réflexion. De plus, la constante diélectrique du substrat en tissu, l'épaisseur des lignes conductrices et le chemin de courant non uniforme par rapport aux lignes de voie métalliques solides conventionnelles seront tous pris en compte.

Conclusions

Il a été démontré que la technologie Pireta, bien qu'encore à ses balbutiements, peut fournir une technologie e-textile qui répond aux exigences RF de nombreuses applications de télécommunications, y compris l'extrémité inférieure à 6 GHz du spectre 5G. Dans le même temps, la technologie n'affecte pas les caractéristiques textiles de la poignée, du drapé et de la respirabilité. Cette combinaison passionnante de propriétés offre des opportunités importantes dans de nombreux domaines d'application et ouvre potentiellement la porte à de nouveaux développements de produits.

Références

1. R. Garg, I. Bahl, M. Bozzi, Lignes Microstrip et slotlines . Londres :Artech House, 2013, p. 376-377.
2. IEEE Std 287-2007, « Norme IEEE pour les connecteurs coaxiaux de précision (CC à 110 GHz). »
3. CEI 60169-15:1979, « Connecteurs radiofréquence. Partie 15 :R.F. connecteurs coaxiaux avec diamètre intérieur du conducteur extérieur 4,13 mm (0,163 in) avec couplage à vis - Impédance caractéristique 50 ohms (Type SMA).”
4. S. Rehnmark, « Sur le processus d'étalonnage des systèmes d'analyse de réseau automatique », IEEE Trans. Sur la théorie et les techniques des micro-ondes , avril 1974, p. 457-458.
5. F. L. Warner, A. E. Bailey, « Mesure d'atténuation » dans Microwave Measurements, Londres, Royaume-Uni :IEE, p. 132-134, 1989.