中国科学家设计3D天线独立射频系统,有望成为人体供能的有效手段

中国科学家设计3D天线独立射频系统,有望成为人体供能的有效手段 第1张

可伸缩柔性天线在无线通信和射频能量收集方面具有潜在用途,为可穿戴电子设备提供小尺寸和集成功能。

但是,谐振频率往往随可拉伸天线的机械变形而改变(即失谐效应)。并且,因人体组织的损耗,可伸缩天线的在体辐射效率也会严重下降,这缩小了它们在应变传感中的使用范围。

近日,宾夕法尼亚州立大学与中科院苏州医工所团队研发了一种独立的可拉伸射频系统,他们引入了具有不同 3D 配置的可拉伸微带天线,可实现出色的人体辐射性能。

与 2D 对应物相比,可拉伸 3D 微带天线展示了应变不敏感的共振、改进的可拉伸性和增强的峰值增益。可拉伸非对称 3D 微带天线的优化峰值增益使其能以几乎 1 倍的距离无线传输能量和数据,以及从收集的射频能量中获得 2 倍的充电率。

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图丨相关论文(来源:Nano Energy)

2 月 17 日,相关论文发以《基于非对称 3D 微带天线的独立可拉伸射频系统,具有人体无线通信和能量收集功能》(Standalone stretchable RF systems based on asymmetric 3D microstrip antennas with on-body wireless communication and energy harvesting)为题,发表在 Nano Energy[1]。

该论文共同通讯作者、宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学助理教授程寰宇表示,这项研究为日后开发自供电单元、可拉伸的体域网络和智能物联网的应用等铺平了道路。

引入 3D 配置的可拉伸微带天线,实现出色的人体辐射性能

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该团队对三类柔性可拉伸微带天线进行了对比研究,他们发现,它们各自的力学自组装 3D 结构不尽相同。“1:2非对称 3D 构型相对于 2D 与其他 3D 构型(“1:1”和“1:2”)对应更高的峰值增益, 可以实现更长的通讯距离(~120m)与更高效的能量耦合效率(~43μJ/s)。

那么,他们为何选择 3D 结构的柔性可拉伸微带天线呢?据悉,此前柔性可拉伸天线因为其谐振随着拉伸向低频方向偏移,其应用仅限于应变传感。该团队通过引入力学自组装多级结构,保证了柔性可拉伸微带天线相对稳定的工作频率。

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(来源:该团队)

该论文共同第一作者兼共同通讯作者、宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学系博士后研究员朱佳指出,虽然地平面的引入降低了人体对于天线性能的影响,但基于柔性结构设计的蛇形网格状地平面会导致柔性微带天线电磁性能下降,尤其是峰值增益的退化会严重影响通讯与环境射频能量耦合的性能。基于此,如何优化可拉伸微带贴片天线的峰值增益至关重要。

该团队前期研究成果表明,通过低介电常数基底,部分基底移除的方式来改变基底的介电分布,有助于提高微带贴片天线的峰值增益,而力学自组装 3D 结构可以通过引入贴片与基底之间的“空气缝隙”从而减小介电常数。因此,3D 结构优化有望成为提高可拉伸天线的峰值增益和人体上无线通讯和供能的有效手段。

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图丨基于非对称 3D 微带天线的独立可拉伸射频系统的设计理念,(来源:Nano Energy)

从功能的具体情况看,3D 配置的可拉伸微带天线与 2D 相比具备天然的优势。

第一,可拉伸性能。朱佳解释道:“相对于 2D 天线,预应变 10% 形成的 3D 可拉伸天线的拉伸极限从 10% 提高到 20%。并可通过施加更大的预应变进一步提高柔性可拉伸天线拉伸性能,以满足人体运动过程产生的大变形。”

第二,应变不敏感特性。2D 可拉伸天线在拉伸过程中谐振频率会发生红移,导致“谐振失调”,而 3D 天线则可以在更大拉伸范围内保持相对稳定的谐振频率,以实现力学加载下稳定的无线通讯和能量收集性能。

第三,峰值增益。通过引入非对称的 3D 结构配置获得了更高的峰值增益,从而有助于更长的无线通信距离和更高的射频能量收集效率。

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图丨可拉伸对称或非对称双拱形微带天线(来源:Nano Energy)

“这可以促使我们通过这种天线实现环境射频能量耦合,形成自供能类皮肤柔性传感系统,从而监测人体的生理健康状态与运动状况。”该论文共同第一作者、中国科学院苏州生物医学工程技术研究所与宾夕法尼亚州立大学联合培养博士生张森浩说。

如何兼顾柔性微带天线在力学加载下工作频率的稳定性和较高的峰值增益是该研究中的最大挑战。通过一系列尝试,该团队发现,这两个性质存在一定耦合,且都和天线的结构密切相关。

张森浩表示,“我们发现在保证柔性天线整体结构设计的前提下,通过改变力学自组装的黏附位点对 3D 结构进行优化,是提高柔性微带天线的辐射方向性的简单且有效方法。”

总的来说,该团队通过对力学自组装 3D 结构进行优化,保证了天线在应变加载下具有相对稳定的工作频段,同时,提高了其辐射方向性和在人体上的微波辐射性能,实现了更高效的环境射频能量收集。利用集成自设计的柔性整流系统,他们实现了类皮肤柔性射频自供能传感系统,针对人体健康与运动信息进行了实时监测。

适用于主动健康与老龄化应对场景,并积极推进技术尽快落地

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程寰宇团队的研究方向为机械设计和仿生电子产品的制造,并应用于机器人、生物医学和能源领域。程寰宇认为,随着 5G 的普及和物联网技术的发展,利用射频实现传感器的自供能,将拥有更大的发挥空间。

该团队重点关注主动健康与老龄化应对场景的需求,如何实现环境射频能量捕获去实现类皮肤柔性传感器的自供能,以连续、动态地获取人体健康信息。

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图丨射频能量收集演示通过集成的可拉伸整流天线(来源:Nano Energy)

这项技术利用环境射频进行能量捕获,相对于其他能量捕获技术更加适用在养老监护场景,可适应老年人运动量少、长期室内活动等特征。因此,该团队正在积极推动基于射频的自供能类皮肤柔性传感器应用至人机交互、人群健康监测,尤其是老年监护,运动监护。

并且,该团队正在重点推动这项技术在老年健康监护领域的落地。“我们将通过更严格的电磁安全、生物安全等专业认证。并且,还将进一步兼容更多传感器,以满足更多监测指标的需求。”论文共同通讯作者、中科院苏州医工所康复工程技术学科带头人杨洪波研究员说。

接下来,该团队计划研究如何进一步地提高能量耦合效率,并且拓展监测类型,来达到更多生理参数信息的监测效果。

-End-

参考:

1.Senhao Zhang et al. Nano Energy(2022). https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107069

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