Textiles RF-E respirants : Tissus conducteurs flexibles pour communications portables

Par Mario D'Auria, John Greenwood et Chris Hunt chez Pireta, avec Martin Salter et Nick Ridler au Laboratoire National de Physique (NPL), nous présentons une méthode pionnière pour déposer des pistes conductrices directement sur tissu. Cette percée ouvre la voie à un large spectre de dispositifs portables.

Dans le domaine RF, des efforts significatifs se sont concentrés sur les substrats haute performance qui réduisent les pertes et étendent la bande passante opérationnelle. Bien que de nombreuses options soient désormais disponibles, elles sont principalement rigides ou seulement semi-flexibles, négligeant les marchés où la performance extrême n'est pas nécessaire mais la conformité mécanique est essentielle.

Alors que les dispositifs se miniaturisent et que les coûts baissent, la technologie portable devient un focus central pour des industries allant de la santé à la défense en passant par le fitness. La fabrication conventionnelle repose sur des composants rigides, rendant la miniaturisation difficile, surtout pour les systèmes RF où la géométrie est étroitement liée à la fréquence.

Les wearables sans fil grands et encombrants limitent la liberté et le confort de l'utilisateur. Notre technologie de tissu conducteur offre une liberté spatiale et de conception tout en préservant la flexibilité et la respirabilité.

Le processus exclusif de Pireta, compatible avec fibres naturelles et synthétiques, consiste en cinq étapes d'immersion – nettoyage, sensibilisation, impression couche de semence, dépôt de métal sans courant, et passivation – aux côtés d'une couche de semence imprimable offrant une liberté géométrique.

La méthode est scalable et partage des étapes avec l'impression numérique rouleau-à-rouleau, permettant une production à grande échelle. Le métal enrobe les fibres sans compromettre le toucher, le drapé, l'élasticité ou la respirabilité.

Des lignes de transmission, essentielles pour l'évaluation RF, ont été fabriquées sur tissu coton toile à l'aide du processus Pireta. Deux sections de bandes coplanaires (pistes 5 mm largeur, espacement 2 mm) ont été réalisées en longueurs de 50 mm et 80 mm. Les pistes ont d'abord été ensemencées avec de l'argent, puis plaquées au cuivre, et finalement passivées avec une couche d'argent.

Après fabrication, la largeur de piste réelle mesurait 5,5 mm et l'espacement 1,7 mm. Des connecteurs SMA femelle ont été soudés aux extrémités, un processus rendu possible par le revêtement métallique uniforme.

Mesures VNA

Les mesures ont été effectuées au NPL avec un analyseur de réseau vectoriel Keysight PNA-X sur 10 MHz–10 GHz. Des connecteurs 3,5 mm de précision (classés 33 GHz) ont été utilisés ; les connecteurs SMA sont courants jusqu'à ~12 GHz. Un court-circuit-ouvert-charge-passeur a précédé les tests.

Les Figures 2 et 3 montrent les paramètres S pour les lignes de 50 mm et 80 mm. Les coefficients de réflexion (S11 et S22) sont médiocres au-dessus de 100 MHz, probablement dus aux limites de résolution d'impression. L'implémentation d'un transformateur d'impédance pourrait atténuer ce désaccord. Les valeurs quasi identiques de S11 et S22 confirment une bonne répétabilité des connecteurs.

Les coefficients de transmission (S12, S21) restent acceptables jusqu'à 2 GHz, suggérant que les lignes sont fonctionnelles une fois le désaccord adressé. Le Tableau 1 résume la perte S21 à fréquences sélectionnées.

En utilisant la formule d'atténuation standard, la perte corrigée par unité de longueur (αd) a été calculée (voir Figure 4). Pour les sections courtes, les pertes sont remarquablement basses : ~0,20 dB cm⁻¹ de 10 MHz à 100 MHz, montant à ~0,32 dB cm⁻¹ près de 1 GHz.

Métallisation améliorée

Pour réduire les pertes ohmiques, une étape de galvanoplastie au cuivre a été ajoutée après passivation, créant une variante galvanoplastiquée (EP) aux côtés des lignes originales sans courant (EL). Les deux ensembles avaient une apparence similaire, avec une légère augmentation de rigidité.

Les lignes EP montrent une amélioration de 0,2 dB cm⁻¹ sur EL sur 10–100 MHz, avec des pertes augmentant graduellement au-delà de 100 MHz. À 1 GHz, la perte EP atteint 0,3 dB cm⁻¹. La perte résiduelle est attribuée aux imperfections géométriques et à la rugosité du tissu ; des tissus plus fins et des designs raffinés devraient encore améliorer la performance.

Interaction avec le tissu humain

Lorsque les lignes contactent la peau directement (Figure 7a), la performance se dégrade en raison de la nature lossy du tissu. L'introduction d'un espaceur isolant (Figure 7b) donne des pertes similaires, alors qu'ajouter une seconde couche conductrice sous la ligne restaure la performance (Figure 7c). Ces résultats indiquent qu'avec un design approprié, les effets du corps peuvent être largement atténués.

Effet de la distorsion du tissu

La Figure 9 affiche l'atténuation par unité de longueur sur les cinq conditions. Les lignes présentent une variation minimale, avec seulement une modeste augmentation dans la configuration ondulation, probablement due au couplage inter-segments.

Résultats et travaux futurs

Les données confirment que les lignes de transmission en tissu conducteur peuvent fonctionner efficacement jusqu'à au moins 1 GHz, couvrant les bandes AM, FM, RFID, Wi-Fi/Bluetooth et radio satellite. En neutralisant l'influence du tissu humain et en montrant une résilience à la distorsion, la technologie est bien adaptée aux applications RF portables. Les travaux futurs optimiseront la géométrie plane, étudieront les constantes diélectriques du substrat, l'épaisseur de ligne, et aborderont les chemins de courant non uniformes par rapport aux pistes métalliques solides conventionnelles.

Conclusions

Le processus e-textile de Pireta, bien qu'encore émergent, démontre la capacité de répondre aux exigences RF de nombreuses applications télécom, y compris la 5G sub-6 GHz, tout en préservant les propriétés textiles comme le toucher, le drapé et la respirabilité. Cette double capacité ouvre de nouvelles avenues pour l'innovation produit dans divers secteurs.

Références

1. R. Garg, I. Bahl, M. Bozzi, Microstrip Lines and Slotlines. London: Artech House, 2013, pp. 376–377.
2. IEEE Std 287-2007, « IEEE Standard for Precision Coaxial Connectors (DC to 110 GHz). »
3. CEI 60169-15:1979, « Connecteurs radiofréquence. Partie 15 : Connecteurs coaxiaux RF avec diamètre intérieur du conducteur externe 4,13 mm (0,163 in) avec couplage à vis – Impédance caractéristique 50 Ω (Type SMA). »
4. S. Rehnmark, « On the Calibration Process of Automatic Network Analyzer Systems, » IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, Avr 1974, pp. 457–458.
5. F. L. Warner, A. E. Bailey, « Attenuation measurement, » in Microwave Measurements, London, U.K.: IEE, pp. 132–134, 1989.