电子织物及其集成系统在可穿戴设备^[1]、智慧医疗^[2]等领域具有重要的应用前景^[3]。天线作为发射和接收电磁波的核心部件,是未来电子织物实现信号无线传输的重要组成部分^[4]。因此,发展兼顾宽频带、高增益等优异电磁性能及透气舒适性的织物天线,是柔性电子和智能电子织物领域的一个重要研究方向^[5]。

近年来,典型的柔性天线的构建方法主要有以下3种:导电浆料涂覆、丝网印刷、编织。其中,通过将有机硅导电银胶等导电浆料作为辐射贴片涂覆在如聚二甲基硅氧烷(PDMS)柔性透明基体上得到柔性薄膜状微带天线^[6],一方面,PDMS聚合物薄膜基底透气性差,另一方面,薄膜与电子织物的模量不匹配,在织物频繁复杂形变中,其性能易受损;此外,通过丝网印刷技术将导电油墨在织物表面形成特定形状的导电涂层可得到印刷织物天线^[7],由于导电油墨与织物之间界面不稳定,在织物反复摩擦、水洗等情况下易出现导电涂层磨损和脱落情况,进而导致天线失效;相比之下,通过编织将导电纱线在织物基底表面形成特定的导电辐射单元^[8],得到的织物天线具有结构稳定、透气性好等优点。

缝隙织物天线由于其低剖面、易共形且易于通过编织方法构建等特征,受到了关注。现有有关缝隙织物天线的研究多集中于单频带。例如文献[9-10]提出的全织物缝隙天线,分别工作在5.9 GHz和5 GHz中心频率,带宽为9%和20%;此外,少数研究实现了对缝隙织物天线的双频段覆盖^[11],但由于天线结构复杂,对加工精度要求高,难以通过编织方法构建。

基于此,本文采用数字编织的方法构建Wi-Fi双频缝隙织物天线。首先,基于电磁仿真软件仿真设计得到宽频带、结构简单的2.45 GHz和5.2 GHz双频微带缝隙天线的结构;进一步通过数字编织的方法,将镀银锦纶在棉织物基底上形成特定形状,构建Wi-Fi双频织物天线。研究了该Wi-Fi双频织物天线的工作频段、增益性能和人体安全性。探究了在织物发生弯曲、扭曲形变下天线性能的稳定性;同时考察了Wi-Fi双频织物天线的透气性。Wi-Fi双频织物天线在电子织物领域展示出巨大的应用潜力,为电子织物的无线通信功能提供了一种新的解决方案。

微带缝隙天线具有低剖面、共形能力强、结构简单等特点,为满足电子织物集成系统对于织物天线的需求,本文基于镀银锦纶和棉织物基底设计了一种Wi-Fi双频织物天线,即2.4 GHz和5.2 GHz双频微带缝隙织物天线,结构如图1所示。织物天线的整体尺寸为长98 mm、宽93.4 mm、厚4.5 mm,导电功能层为31.11 tex镀银锦纶(电阻率为2.7 Ω·cm,东莞市粤顺新材料有限公司);柔性介电基底为棉织物(面密度为250 g/m²,杭州宇迈纺织品有限公司),介电常数为1.84,损耗正切为0.07;织物天线由上表面缝隙天线单元、中间层介电基底和地板3层组成,靠近馈线一侧则通过导电线连接上下表面的地板,增强天线的抗干扰能力。

图2示出Wi-Fi双频织物天线结构的设计过程^[12]。首先,针对低剖面、易共形、易加工的应用需求,设计了基于接地共面波导的矩形缝隙天线Ant-1,根据巴比涅原理和电磁对偶原理,设置缝隙的初始尺寸为工作波长的一半,即λ/2。然而,该缝隙天线在2.4 GHz频段下的反射系数仅勉强达到-10 dB的要求,裕量较小,且无法同时覆盖2.4 GHz和5.2 GHz频段;为改善天线在2.4 GHz频段的反射系数,将矩形缝隙改为渐变型^[13],得到Ant-2;最后,为实现天线在2.4 GHz和5.2 GHz频段的同时覆盖,在矩形缝隙上方添加一对对称的L型缝隙,得到Ant-3。本文所设计的天线结构及参数如图3所示。

进一步地,为研究所设计天线对人体的影响,对天线距离人体组织5 mm时人体组织中的比吸收率(SAR)分布进行仿真计算,结果如图4所示。其中人体组织是由皮肤-脂肪-肌肉3层模拟材料构成,其电磁特性参数如表1^[14]所示。在2.4 GHz和5.2 GHz 2个频率下,仿真比吸收率最大值分别为0.831和0.515 W/kg,低于IEEE C95.1—2005《人体暴露于射频电磁波的安全等级标准》所规定的安全阈值(1.6 W/kg),因此本文设计的天线具备良好的人体安全性。

首先将电磁仿真软件中设计的天线图案导入4.5版本商用软件(威尔克姆大豪科技股份有限公司)中,将导电辐射单元的图案转化为刺绣针脚轨迹图。随后使用FT-1201数字绣花机(浙江合和机电有限公司)在棉织物上分别用镀银锦纶刺绣缝隙天线正面图案和导电地板,其中数字绣花机的工作范围设置为10 cm × 10 cm;最后,利用JA007电动缝纫机(兄弟(中国)商业有限公司)用镀银锦纶将天线正面靠近馈电线一侧与地板进行缝合,得到Wi-Fi双频织物天线。Wi-Fi双频织物天线的实物照片如图5所示。

采用ZNA50矢量网络分析仪(罗德与施瓦茨(中国)科技有限公司)测试Wi-Fi双频织物天线在2~6 GHz范围内的反射系数(|S₁₁|)。

在微波无回波暗室中,对Wi-Fi双频织物天线进行远场辐射性能测试,获得其在2~6 GHz的辐射方向图。

将Wi-Fi双频织物天线分别沿图案水平(X)和垂直(Y)方向弯曲,弯曲直径分别为20和40 cm,采用矢量网络分析仪分别测试不同方向不同弯曲角度下的反射系数。

参考GB/T 3920—2008《纺织品 色牢度试验 耐摩擦色牢度》,将Wi-Fi双频织物天线固定在平台上,用直径50 mm的圆柱体摩擦头在天线表面施以向下的压力,进行往复直线摩擦运动,采用矢量网络分析仪分别测试摩擦前后的反射系数。

将Wi-Fi双频织物天线在清水中充分搅拌,待织物样品完全浸湿后取出,并在57 ℃温度下烘干,采用矢量网络分析仪分别测试水洗前后的反射系数。

参考GB/T 5453—1997《纺织品 织物透气性的测定》,采用YG461E-III全自动透气量仪测试Wi-Fi双频织物天线和商用棉织物对比样(面密度为250 g/m²,杭州宇迈纺织品有限公司)的透气性。分别将Wi-Fi双频织物天线和商用棉织物夹持在试样圆台上,使空气在压降为100 Pa下通过测试面积为20 cm²的试样,1 min后记录气流流量,在同一样品不同部位测定10次后取平均值。测试温度为(23±2) ℃,湿度为(49±1)%。

|S₁₁|是天线设计中的重要指标之一。通常规定|S₁₁|<-10 dB的频率范围为天线的有效工作带宽。Wi-Fi双频织物天线的反射系数的实测和仿真曲线如图6所示。其中灰色阴影部分分别为Wi-Fi 2.45 GHz(2.4~2.48 GHz)和5.2 GHz(5.15~5.35 GHz)频段的频率覆盖范围,可看出,Wi-Fi双频织物天线在2.43 GHz的实测|S₁₁|为-13.4 dB,在5.15 GHz的实测|S₁₁|为-10.3 dB,能够覆盖Wi-Fi 2.4 GHz和5.2 GHz 2个工作频段。天线的缝隙长度和宽度是影响反射系数的主要参数,由于数字绣花机的加工精度为2 mm,实际加工的天线缝隙的尺寸与仿真设计存在一定的误差,导致实际测量的反射系数曲线与仿真结果存在误差。

天线增益是用来衡量天线将输入功率集中辐射的程度的重要指标,天线辐射方向图则用来表征天线在不同方向上的辐射强度分布情况^[15]。Wi-Fi双频织物天线的增益曲线和在频率为2.4 GHz和5.2 GHz时的XOZ面和YOZ面的归一化方向图分别如图7、8所示,可看出,在2.4 GHz和5.2 GHz 2个频率下,天线最大增益分别为-0.57 dBi和-1.03 dBi。测量的天线的辐射方向图、增益的误差是由加工精度和棉织物材料的误差导致。

织物天线作为电子织物系统的一部分,在实际应用过程中不可避免会遇到弯曲、摩擦和水洗等情况,织物天线在上述条件下保持性能稳定对于织物天线的实际应用具有重要的意义^[16]。|S₁₁|是反映天线工作性能稳定可靠的核心指标,在发生形变、表面受损等情形时,天线往往易因为|S₁₁|<-10 dB的频带发生偏移而导致性能受损。

从Wi-Fi双频织物天线的反射系数曲线可以看到,该天线在|S₁₁|<-10 dB的频率范围比2.4 GHz和5.2 GHz的实际工作范围更广,因此在天线由于形变发生轻微频偏时,其带宽仍能覆盖Wi-Fi 2.4 GHz和5.2 GHz这2个工作频段,从而能保持稳定工作。

将Wi-Fi双频织物天线分别沿着图案水平(X)和垂直方向(Y)弯曲后的|S₁₁|曲线如图9所示。可看出,Wi-Fi双频织物天线在发生弯曲时,谐振频率发生轻微偏移,但由于天线的带宽足够宽,其仍可覆盖Wi-Fi 2.4 GHz和5.2 GHz 这2个工作频段,从而可保持稳定工作。

将Wi-Fi双频织物天线表面反复摩擦后,织物天线的反射系数曲线如图10所示。可看出,织物天线在经历50、100次摩擦后,其谐振频率仍足以覆盖Wi-Fi 2.4 GHz和5.2 GHz这2个工作频段,从而可保持稳定工作。

Wi-Fi双频织物天线水洗前后的反射系数曲线如图11所示。可看出,织物天线在水洗后谐振频率发生轻微偏移,但由于其带宽足够宽,天线仍足以覆盖Wi-Fi 2.4 GHz和5.2 GHz这2个工作频段,从而可保持稳定工作。

作为可穿戴电子器件,除对电磁性能进行研究外,穿戴舒适性对于实际应用也有非常重要的研究意义^[17],其中,透气性是衡量穿戴舒适性的重要指标之一,是判断织物能够有效排出湿气并保持皮肤干爽的关键性能。Wi-Fi双频织物天线与相同厚度的商用棉织物对比样的透气率测试结果分别为67.74、89.10 mm/s。二者透气性在同一数量级,说明Wi-Fi双频织物天线的透气性可以满足人体日常穿戴过程中对舒适性的需求。

通过电磁仿真软件设计Wi-Fi双频织物天线的结构,通过刺绣方法将镀银锦纶绣在棉织物表面,制备出导电纤维-棉织物-导电纤维3层结构的Wi-Fi双频缝隙织物天线,并对其电磁性能、弯曲稳定性、安全性和透气性等进行表征,得到如下主要结论。

1)基于缝隙天线结构设计的Wi-Fi双频织物天线具有宽带宽、结构简单的特性,能够覆盖2.45 GHz和5.2 GHz 2个频段。

2)实际应用过程中,Wi-Fi双频织物天线在弯曲形变、摩擦、水洗情况下,其反射系数低于-10 dB的频带均能完全覆盖Wi-Fi的2.4 GHz和5.2 GHz频段,展现出优异的电磁性能稳定。

3)在穿着舒适性和安全性方面,Wi-Fi双频织物天线均满足实际应用的需求,透气率达67.74 mm/s,与商用棉织物相当;且在2.4 GHz和5.2 GHz 2个频率下,其比吸收率最大值分别为0.831和0.515 W/kg,低于IEEE C95.1—2005规定的标准值(1.6 W/kg)。