用于可穿戴手環的液態金屬3D 打印天線

董 健，劉志福，王 蒙

(中南大學計算機學院，湖南長沙 410075)

近年來，增材制造(3D 打印)技術因其快速制造定制化結構的性能成為研究熱點。微波和射頻工程師利用3D 打印技術制造靈活復雜的3D 微波射頻元件[1-4]。3D 打印技術通過直接3D 打印金屬結構(如金屬波導)或者先打印輕質化的中間件，再對中間件金屬化的過程來制造射頻元件。Li 等利用直接金屬激光燒結的方式打印出多種喇叭天線[1]，然而直接金屬打印的方式成本較高。另一種方式是利用3D 打印技術打印出天線的基板，再在基板上噴涂或沉積金屬導體形成天線輻射結構。Liang 等用熔融沉積方法打印出貼片天線基板，再用超聲波將金屬網狀結構附在基板表面形成天線的輻射結構[2]。Shen 等用數字光處理技術打印出T 型波導的中間件，然后用多步化學鍍金屬的工藝在中間件上鍍銀[3]。同時，3D 打印結構的靈活性使其能共形于附著結構，因而受到可穿戴及共形電子設備研究者的關注。Sung 等先打印出共形于人體手腕的天線基板，然后在基板上直接噴寫導電墨水形成雙通帶天線[4]。然而，傳統的化學沉積或噴墨的金屬化方法較難控制金屬層的厚度，需要多步驟的化學工藝處理過程，有時沉積不足或表面粗糙的金屬層可能產生較大的表面阻抗，導致電阻損耗增加。因此，如何對3D 打印基板金屬化從而形成穩定可靠的天線輻射導體是加工過程中面臨的挑戰之一。

可重構液態金屬為3D 打印的中間件金屬化提供了一種新途徑。液態金屬在室溫下呈液態且無毒，具有良好的導電性[5-6]。不同于傳統工藝在3D 打印結構表面附著金屬層，用液態金屬對3D 打印結構金屬化的過程更為直觀高效。在3D 打印的中間件結構中預留出天線導體的位置形成微流體通道空腔，然后用液態金屬填充微流體通道即可形成天線的輻射結構[7]。Bharambe 等用3D 打印機制造出2×2 貼片天線陣和饋電結構一體化的基板，然后在真空環境中填充液態金屬形成天線的輻射導體[8]。液態金屬填充的3D 打印結構可以根據需求精確地控制液態金屬微流通道在天線結構中的位置以及橫截面尺寸，從而實現特定的天線性能。另一方面，液態金屬在外界壓力下可以流動并且維持連續不變的導電性，液態金屬的流體柔性和可變形性使得3D 打印的天線結構形式更多樣化。然而沉積或噴墨的金屬層狀態和位置在3D 結構中是固定不變的，所實現的天線性能是固定的。Su 等將zigzag 和螺旋天線兩種天線結構集成到一個3D 打印的基板中，通過在微通道空腔內改變液態金屬的形態從而實現不同的天線性能[9]。綜上，3D 打印和液態金屬結合的技術可以實現適應不同場景和需求的天線結構。

隨著人體域網(BAN，Body Area Network)和物聯網(IoT，Internet of Things)等通信技術的高速發展，通信系統對可穿戴及共形電子設備中的天線設計在結構共形、尺寸限制及多頻帶等方面提出了更嚴苛的要求。目前，3D 打印與液態金屬結合的技術在可穿戴及共形天線中的研究較少。然而，這項技術可以在較短時間內可打印出結構復雜靈活的天線基板，并且基板金屬化的過程可用液態金屬填充快速完成，在可重構和共形天線中有潛在應用。基于此，本文概念性地設計并驗證了一款3D 打印的可穿戴手環液態金屬天線，該天線工作于2.4，3.3 和5.5 GHz 三個頻段，并且分析了3D 打印的基板對天線效率的影響以及天線輻射與人體組織之間的相互影響。

1 天線結構設計

本文采用直觀易實現的偶極子天線概念性地驗證3D 打印技術與液態金屬(本文使用鎵銦合金)結合的天線在可穿戴設備中的應用。天線結構如圖1 所示，3D 打印的橢圓形手環內有三對微通道結構。左右對稱的偶極子天線結構分別有三個輻射枝節，最長的枝節(L1)產生2.4 GHz 的頻帶，中間長度的枝節(L2)產生3.3 GHz 的頻帶，最短的枝節(L3)產生5.5 GHz 的頻帶，中間饋電枝節的長度為L4，三個頻率的調節彼此不受影響。手環的內外徑選擇了一個幼童手腕的典型尺寸，分別為14 mm 和26.6 mm，手環厚度為D，圓形微通道的直徑為d。

圖1 三頻帶液態金屬3D 打印天線Fig.1 Topology of the 3D printed tri-band LM dipole antenna

在最終確定微通道的尺寸之前，需要先確定3D打印光敏樹脂在目標頻率處的關鍵電參數，即相對介電常數(εr)和介質損耗參數(tanδ)。其中，相對介電常數影響天線枝節的物理長度，介質損耗參數影響天線效率。利用Agilent N5250A 測量3D 打印空心圓柱樣本的傳輸參數(如圖2 所示)，計算得到光敏樹脂的復介電常數。最后確定光敏樹脂的相對介電常數和介質損耗參數在2～7 GHz 的頻率范圍內分別為2.3～2.7和0.05～0.15。光敏樹脂的介質損耗大于商業化板材的介質損耗，因此以3D 打印材料作為基板的天線效率將受到影響。在本文的天線結構中，天線效率對3D打印手環的厚度(D)較為敏感。

利用電磁仿真軟件仿真天線性能，天線的反射系數和天線效率對不同尺寸的誤差敏感性如圖3 所示，最終優化后的天線參數如表1 所示。天線的三個諧振頻率分別由L1、L2和L3決定，由圖3 可知，三個枝節長度對三個頻率的調節是相對獨立的，當枝節長度的變化在±0.5 mm 時，天線各諧振頻率的變化不超過4%，而目前大多數3D 打印機的精度遠好于0.5 mm，因此3D 打印可以精準地實現仿真的天線長度。另一方面，天線手環的厚度從1.5 mm 增加到6 mm 時，仿真的天線效率從0.83 降低到0.69，但是并未對天線的諧振頻率產生顯著影響。液態金屬是良導體，而3D打印的基板材料損耗較大，因此天線的效率主要受基板影響。從提高天線效率的角度出發，需要減小天線手環的厚度，但是手環厚度的選擇又受制于微通道空腔的尺寸、天線結構形式和3D 打印的精度。因此，在實際加工中需要綜合考慮以上因素選擇合適的天線手環厚度。減小基板對天線效率影響的另一途徑是開發具有較小介質損耗的3D 打印材料。

圖2 測量3D 打印空心圓柱的復介電常數Fig.2 Setup for characterizing the complex permittivity of 3D printed cylindrical sample

圖3 天線諧振頻率和效率對不同尺寸的敏感Fig.3 Sensitivity of antenna resonance frequencies and efficiency to different antenna parameters

表1 手環天線的具體尺寸Tab.1 Detailed parameters of the bracelet antenna

2 天線加工與實測

2.1 天線加工

相比傳統地利用噴墨或者電化學沉積等方法對3D打印中間件金屬化的復雜工藝過程，液態金屬化中間件這一過程可在數小時內快速完成，并且不對天線加工者要求過多的工藝知識。

可穿戴手環天線利用ZRapid iSLA600 (stereo lithograph)打印機通過光固化打印技術打印出手環的橢圓形介質部分，打印精度高達0.05 mm。打印材料是透明的光敏樹脂Crysta-7-2D，這種透明的材料有助于肉眼檢測液態金屬在微通道內的填充情況。手環介質中預留出三組對稱的偶極子空腔微通道，其后用針筒將液態金屬推入微通道內作為天線導體。每個微通道枝節的末端都有通孔，通孔主要用于清除3D 打印過程中殘留的光敏樹脂液體，同時這些通孔也作為注入液態金屬時的通氣孔。將液態金屬推入微通道后，需要用膠水將末端通孔堵住以防液態金屬泄漏。3D 打印的三頻帶液態金屬天線實物圖如圖4 所示，偶極子天線的左右對稱枝節之間留有一定空隙(G)以插入SMA 接頭，SMA 接頭的饋電和接地引腳分別插入左右枝節的微通道內。

圖4 3D 打印的三頻帶液態金屬天線Fig.4 A 3D printed tri-band LM antenna

2.2 天線仿真與實測

天線在自由空間中的仿真和實測S11曲線如圖5 所示，S11測試曲線與仿真曲線基本吻合，天線工作在2.4，3.3 和5.5 GHz 三個頻率處。人體組織本身具有一定的介電常數和電導率，會對00 天線的頻率產生影響并且降低天線效率，需要評估手環天線穿戴在手腕上時天線的工作頻率、輻射方向圖和天線效率等。本文采用了一個簡易的三層人體組織模型來模擬實際的測試。人體組織模型包含肌肉(mm)，脂肪(mm)和皮膚(mm)三層模型，各層介質的相對介電常數、電導率和組織密度如表2 所示[10]。圖6 所示為人體手腕模型的橫截面以及手環天線穿戴在人體模型上的效果圖。當手環天線穿戴在人體手腕上時，人體組織的介質加載效應使得天線諧振頻率下移。如圖5 所示，當人體組織和手環之間無縫隙時，人體組織的介質加載效應最大，天線諧振頻率偏移最大。當這一距離逐漸增大到2 mm 時，天線諧振頻率變小。因此，人體組織對天線諧振頻率的影響與人體組織和手環之間的縫隙距離有關。

圖5 三頻帶液態金屬天線的頻率響應Fig.5 Reflection coefficients of the tri-band bracelet antenna

表2 人體組織各層的介電參數和組織密度Tab.2 Electrical properties and density of human tissues layers

可穿戴設備中天線與人體組織是相互影響的，天線對人體組織的影響用比吸收率(SAR，Specific Absorption Ratio)來表征，SAR 定義為人體在單位時間、單位質量吸收的電磁輻射能量，單位是W/kg，其定義如下:

圖6 穿戴在人體手腕上的液態金屬3D 打印天線Fig.6 A 3D printed tri-band antenna worn on the wrist

式中:σ是人體組織的電導率；ρ是人體組織的密度；E是人體組織中的電場強度。目前普遍采納的SAR 值限定公眾標準為平均每1g 或10g 的人體組織吸收不超過1.6 W/kg 或2 W/kg 的電磁場能量[11]。SAR 值的大小與天線的輻射功率密切相關。利用全波仿真軟件，得到人體手腕結構在不同的天線輸入功率下1g/10g 的最大SAR 值(如表3 所示)。因三個頻率的天線輻射方向圖類似，圖7 僅給出2.4 GHz 時1g/10g 人體組織在天線輻射下的SAR 值分布。相比其他天線結構[12]，本文主要概念性地驗證3D 打印和液態金屬結合的天線在可穿戴及共形電子元件中的應用，并未對液態金屬偶極子天線結構上做進一步優化以減小SAR 值。

表3 不同輸入功率下的人體SAR 值Tab.3 Human SAR values under different input power W/kg

圖8 所示為液態金屬天線在自由空間和穿戴在手腕上時三個頻率下的仿真輻射方向圖。當天線處于自由空間時，其E 面和H 面的輻射方向圖與傳統的偶極子方向圖基本一致。當天線穿戴在人體手腕上時，天線后向的輻射能量被人體手腕組織吸收，天線輻射模式由全向模式變為定向輻射模式。

圖7 2.4 GHz 時人體組織在1g/10g 時的平均SAR 值Fig.7 The average SAR values with 1g/10g human tissues at 2.4 GHz

3 結論

本文概念性地驗證并設計了3D 打印與液態金屬結合的天線在可穿戴元件中的應用。利用3D 打印技術快速加工出共形于人體手腕的介質基板，然后用液態金屬填充微通道空腔對3D 打印件金屬化形成天線的輻射導體。相比傳統地對3D 打印中間件金屬化方法，用液態金屬對中間件金屬化這一工程更加高效和經濟實用，并且金屬層的厚度更加可控。本文設計的三頻帶天線工作于2.4，3.3 和5.5 GHz，并對天線在自由空間及穿戴在人體手腕上的頻率和輻射性能進行了分析。天線的輻射效率主要受3D 打印的基板材料影響，基板越厚天線效率越低，因此選擇合適的基板材料(介質損耗參數)和厚度對提高天線效率至關重要。同時，天線輻射性能和人體組織之間相互影響，人體組織介質加載效應使天線頻率下移并且使全向的天線模式畸變為定向模式，這一效應可以通過優化天線結構(加大金屬地的面積等)或增加人體組織與手腕天線之間的距離減弱。綜上，本文較全面地分析了3D打印和液態金屬結合的可穿戴液態金屬天線的加工和輻射特性，這種加工方式能快速制造出結構靈活且滿足不同應用場景的可穿戴及共形天線。同時，天線性能的進一步提升需要改進天線結構和3D 打印基板材料。

圖8 天線在自由空間和穿戴在手腕上時的輻射方向圖Fig.8 The antenna radiation patterns in free space and worn on human wrist