文章图片

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 。

文章图片
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

文章图片

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 。

文章图片
（来源：该团队）
【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】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 。

文章图片
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）