從“電子紋身”到聚焦寬頻天線

“我們首次實現(xiàn)了可穿戴設(shè)備的天線不受人體皮膚影響，即使同時拉伸，也能不改變頻譜，并且實現(xiàn)穩(wěn)定 、高效的無線傳輸?！泵绹e夕法尼亞州立大學(xué)工程科學(xué)與力學(xué)系助理教授程寰宇告訴 DeepTech 。

柔性可穿戴設(shè)備因其便利性及低價，已越來越多地應(yīng)用于傳感器。作為傳感器需要把信號傳出來，無論是通過藍牙還是無線傳輸，對系統(tǒng)地集成器件功能要求較高。這通常面臨著電池消耗高及器件硬等問題，使其使用弊端日益突出。

如果通過天線或微波可以實現(xiàn)穩(wěn)定、有效的傳輸，那么，可以用比較好的 “小型化” 就能實現(xiàn)傳輸更遠的距離，同時也能減少對應(yīng)系統(tǒng)的復(fù)雜度。

程寰宇及團隊研發(fā)出一種多級結(jié)構(gòu)化可伸縮微帶天線，不僅能為特定疾病人群提供早期診斷、病情演化檢測、藥物和治療評估，也可為老齡化（Healthy Aging）社會即將到來的健康挑戰(zhàn)提供有效的解決方案。

4 月 9 日，相關(guān)研究以《用于可靠無線通信的應(yīng)變不敏感的多級結(jié)構(gòu)化可伸縮微帶天線》（Strain-Insensitive Hierarchically Structured Stretchable Microstrip Antennas for Robust Wireless Communication）為題發(fā)表，并預(yù)計于 8 月份登上 Nano-micro Letters 封面。

該研究最大的優(yōu)勢是在人體皮膚和身體各部位上穩(wěn)定而優(yōu)異的性能，通過這項技術(shù)，消除了人體對可伸縮微帶天線的影響、提升了微波無線傳輸性能、增強了整流天線的能量收集效率。它奠定了將可拉伸微波電子用于無線、無源、可拉伸自功能系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

從 “電子紋身” 到聚焦寬頻天線

程寰宇從清華大學(xué)畢業(yè)后，赴美國西北大學(xué)攻讀碩士、博士，其專注于研發(fā)可用于機器人、生物醫(yī)藥及能源領(lǐng)域的生物電子設(shè)備，曾研發(fā)能溶于人體的可穿戴式 “電子紋身”。

2015 年底，他來到賓夕法尼亞州立大學(xué)任教，并開始研究具有可拉伸變形結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)金屬，設(shè)計和制造高性能的可拉伸天線和微波電子器件。

他與團隊的第一項研究是采用可拉伸變形結(jié)構(gòu)，基于傳統(tǒng)金屬的可拉伸天線。2019 年，以《可伸縮微帶天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計》（Structural Design for Stretchable Microstrip Antennas）為題發(fā)表在 Materials & Interfaces。

“通過這項研究，我們學(xué)習(xí)到了參數(shù)影響和設(shè)計的基本思想，進一步推動了無量綱參數(shù)在力學(xué)變形和電磁場耦合天線特性中的影響?！背体居顚?DeepTech 表示。 但是，在這項研究的過程中，他尚未找到拉伸不改變頻譜特性的方法。其表示，相比其他可拉伸天線，該研究結(jié)果具有更高的效率，可進行更遠距離的無線信號采集，并進行了人體運動的檢測示意。

研究人員發(fā)現(xiàn)，隨著拉伸變形改變的頻譜，天線很難進行穩(wěn)定的無線傳輸。 為了解決以上難題，程寰宇及團隊從兩個方向出發(fā)繼續(xù)探索：一是寬頻譜天線，二是減少拉伸變形對頻譜的影響。

或?qū)?3D 可變性天線設(shè)計有啟發(fā)

談及寬頻天線的設(shè)計思想，程寰宇表示，一方面寬頻譜可在保證頻譜移動的情況下，仍然能夠包含傳輸頻段；另一方面，偶極子天線中的彎曲單元隨拉伸展開，也可以基本保證頻譜基本不動。 但是，因為偶極子天線沒有接地面，天線很容易受人體組織的影響，甚至在非常緊密貼合人體皮膚時喪失寬頻譜特性。

他告訴 DeepTech，“相比之下，在另一個方向中我們?nèi)匀粐L試使用貼片天線。因為天線中的接地面可以有效地隔離，天線特性可以基本不受皮膚或者身體各個部位的組織影響?！?但是，與寬頻譜相比，窄的頻譜非常容易受到外界變形，特別是拉伸的影響而發(fā)生移動，使信號和能量難以進行比較穩(wěn)定的傳輸。 對此，程寰宇解釋道，這是因為天線的共振頻率大致和其尺寸呈反比。所以，隨著拉伸天線變長就會導(dǎo)致共振頻率變小和頻譜在對應(yīng)方向的移動。 “有意思的是，在我們 2019 年的研究中展示了兩種可拉伸結(jié)構(gòu)的天線：一種具有馬蹄形單元的網(wǎng)狀可拉伸天線，共振頻率隨著拉伸增加而減??；但是，另一種具有拱形結(jié)構(gòu)的可拉伸天線，卻可以實現(xiàn)共振頻率隨著拉伸增加而增加。” 程寰宇說。

后者反常的特性是因為在改變天線尺寸的同時，具有 3D 構(gòu)型的拱形結(jié)構(gòu)隨著拉伸也改變了等效的介電常數(shù)?！半m然直觀來想可以把兩個可拉伸結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起，但是我們從 2020 年初開始的嘗試結(jié)果卻并不理想，因為我們發(fā)現(xiàn)，具有拱形結(jié)構(gòu)的網(wǎng)狀可拉伸天線會隨著拉伸發(fā)生逐次展開（orderly unraveling）?！?研究結(jié)果顯示，拱形結(jié)構(gòu)先展開時，共振頻率隨拉伸會增加，之后網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)進而展開時，共振頻率又會隨之減小。跳出單一的拱形結(jié)構(gòu)進而探索其他 3D 構(gòu)型，他們發(fā)現(xiàn)共振頻率和對應(yīng)的頻譜移動隨著拉伸的變化特性都會進而改變。

研究人員通過選取一個簡單的 “雙峰結(jié)構(gòu)”，外加預(yù)拉伸對產(chǎn)生的雙峰結(jié)構(gòu)進行調(diào)節(jié)，進而實現(xiàn)了不隨拉伸變形改變的、穩(wěn)定的共振頻率和頻譜特性，非常巧妙地解決了上述問題。

作為無線數(shù)據(jù)傳輸和供電的關(guān)鍵組件，可伸縮天線在柔性 / 可伸縮電子設(shè)備中扮演著不可或缺的角色。但是，它們經(jīng)常因機械變形而遭受頻率失諧的困擾。它們的應(yīng)用范圍僅限于無線傳感，而無線傳輸承載力仍然 “難以捉摸”。 而以拱形形狀布置的網(wǎng)狀圖案，為多級結(jié)構(gòu)的可拉伸微帶天線。它們在變形時，展現(xiàn)出了可調(diào)諧的共振頻率，從而改善了材料結(jié)構(gòu)在拉伸下的天線輻射性。

變形期間幾乎不變的共振頻率可實現(xiàn)強大的人體無線通信和 RF 能量采集，而隨著變形而快速變化的共振頻率可實現(xiàn)無線傳感。

實驗證明，當可伸展微帶天線即使伸展量達到 25％時，也可以在人體上與發(fā)射機（輸入功率為 - 3 dBm）有效地進行無線通信。即在 100 m 的距離上接收功率高于 - 100 dBm。結(jié)構(gòu)的靈活性與機械 - 電磁仿真耦合相結(jié)合，提供了另一種通用的設(shè)計制造方案，并可以此設(shè)計可拉伸的微帶天線和其他可拉伸微波電子設(shè)備等。 也就是說，這一穩(wěn)定的特性可以在人體的各個組織部位都得到很好的保持，顯示出了不受人體干擾的特性。選取比較有挑戰(zhàn)的能量傳輸作為示意，研究人員展示了具有拉伸不改變頻譜的可拉伸天線作為接收端，或者傳輸端都可以實現(xiàn)不受人體皮膚影響的無線能量傳輸。

傳輸距離從近場到 100 米的遠場皆可實現(xiàn)高效的能量傳輸，在皮膚上的效率等特性基本可以保持和在自由空間中一致。結(jié)合該團隊可拉伸整流天線的最新研究，使用整流電路，可進一步實現(xiàn)不受人體皮膚影響的可拉伸整流天線。

有望應(yīng)用于多種疾病的早期診斷治療

程寰宇認為，可穿戴電子設(shè)備因其材料易得、成本在易接受范圍，有利于大規(guī)模生產(chǎn)以及未來的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。而該研究中的 3D 構(gòu)型部分，對 3D 可變性天線在設(shè)計中的優(yōu)勢和將來巨大的前景空間也具有啟發(fā)作用。

可拉伸微波天線可以實現(xiàn)無線長距離信號和能量的傳輸 （如百米千米外），皮膚上穩(wěn)定的性能在可拉伸整流天線中可以保證穩(wěn)定的電壓能量輸出，兩者結(jié)合可以實現(xiàn)無線無源自供能系統(tǒng)用于長期連續(xù)健康檢測。

而這類微波天線也可以應(yīng)用在柔性分布式傳感系統(tǒng)中，集成在人體大面積多部位上和不同人群間進行全面交互式監(jiān)測。

“具有穩(wěn)定頻譜的可拉伸天線，為將來實現(xiàn)遠距離微波能量和信號的傳輸?shù)於嘶A(chǔ) 。特別是結(jié)合已有的微波通訊技術(shù)，我們期待推動該技術(shù)能夠像手機 / 電臺通過微波通訊一般進行超遠程的信號傳輸?！?程寰宇說。

談及下一步研究發(fā)展，他告訴 DeepTech ，結(jié)合最新的數(shù)字可編程超材料和微波成像系統(tǒng)，還有希望提供簡單易行的方案來操控電磁波，以實現(xiàn)遠程測量和成像。

結(jié)合之前多種能量收集模塊和自功能系統(tǒng)的研究，將來的無線無源可拉伸自功能系統(tǒng)可以舒適地穿戴在人體的各個部位，進行長久、精確、即時的健康監(jiān)測。

程寰宇表示，未來希望能通過使用無線 、無源的可拉伸穿戴傳感系統(tǒng)，對人體健康狀況進行長期連續(xù)檢測，為多種疾病提供早期的診斷治療，特別是為當代社會的健康老齡化提供可行的解決方案。

責任編輯：haq