可伸縮微帶天線不受人體皮膚影響

“我們首次實現了可穿戴設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， 并且實現穩定、高效的無線傳輸。”美國賓夕法尼亞州立大學工程科學與力學系助理教授程寰宇表示。

柔性可穿戴設備因其便利性及低價，已越來越多地應用于傳感器。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穩定、有效的傳輸，那么，可以用比較好的“小型化”就能實現傳輸更遠的距離，同時也能減少對應系統的復雜度。

程寰宇及團隊研發出一種多級結構化可伸縮微帶天線，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，也可為老齡化社會即將到來的健康挑戰提供有效的解決方案。

該研究最大的優勢是在人體皮膚和身體各部位上穩定而優異的性能，通過這項技術，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、可拉伸自功能系統的基礎。

從“電子紋身”到聚焦寬頻天線

程寰宇從清華大學畢業后，赴美國西北大學攻讀碩士、博士，其專注于研發可用于機器人、生物醫藥及能源領域的生物電子設備，曾研發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任教，并開始研究具有可拉伸變形結構的傳統金屬，設計和制造高性能的可拉伸天線和微波電子器件。

“通過這項研究，我們學習到了參數影響和設計的基本思想，進一步推動了無量綱參數在力學變形和電磁場耦合天線特性中的影響。”程寰宇表示。

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。

研究人員發現，隨著拉伸變形改變的頻譜，天線很難進行穩定的無線傳輸。

為了解決以上難題，程寰宇及團隊從兩個方向出發繼續探索：一是寬頻譜天線，二是減少拉伸變形對頻譜的影響。

或對3D可變性天線設計有啟發

談及寬頻天線的設計思想， 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。

他說：“相比之下，在另一個方向中我們仍然嘗試使用貼片天線。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生移動，使信號和能量難以進行比較穩定的傳輸。

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致共振頻率變小和頻譜在對應方向的移動。

“有意思的是，在我們2019年的研究中展示了兩種可拉伸結構的天線：一種具有馬蹄形單元的網狀可拉伸天線，共振頻率隨著拉伸增加而減小;但是，另一種具有拱形結構的可拉伸天線，卻可以實現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構型的拱形結構隨著拉伸也改變了等效的介電常數。“雖然直觀來想可以把兩個可拉伸結構結合在一起，但是我們從2020年初開始的嘗試結果卻并不理想，因為我們發現，具有拱形結構的網狀可拉伸天線會隨著拉伸發生逐次展開。”

研究結果顯示， 拱形結構先展開時，共振頻率隨拉伸會增加，之后網狀結構進而展開時，共振頻率又會隨之減小。跳出單一的拱形結構進而探索其他3D構型，他們發現共振頻率和對應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“雙峰結構”，外加預拉伸對產生的雙峰結構進行調節，進而實現了不隨拉伸變形改變的、穩定的共振頻率和頻譜特性，非常巧妙地解決了上述問題。

作為無線數據傳輸和供電的關鍵組件，可伸縮天線在柔性/可伸縮電子設備中扮演著不可或缺的角色。但是，它們經常因機械變形而遭受頻率失諧的困擾。它們的應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狀圖案，為多級結構的可拉伸微帶天線。它們在變形時，展現出了可調諧的共振頻率，從而改善了材料結構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射機（輸入功率為-3dBm）有效地進行無線通信。即在100m的距離上接收功率高于-100dBm。結構的靈活性與機械-電磁仿真耦合相結合，提供了另一種通用的設計制造方案，并可以此設計可拉伸的微帶天線和其他可拉伸微波電子設備等。

也就是說，這一穩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，可進一步實現不受人體皮膚影響的可拉伸整流天線。

有望應用于多種疾病的早期診斷治療

程寰宇認為，可穿戴電子設備因其材料易得、成本在易接受范圍，有利于大規模生產以及未來的產業化發展。而該研究中的3D構型部分，對3D可變性天線在設計中的優勢和將來巨大的前景空間也具有啟發作用。

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

而這類微波天線也可以應用在柔性分布式傳感系統中，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測。“具有穩定頻譜的可拉伸天線，為將來實現遠距離微波能量和信號的傳輸奠定了基礎 。特別是結合已有的微波通訊技術，我們期待推動該技術能夠像手機/電臺通過微波通訊一般進行超遠程的信號傳輸。”程寰宇說。

談及下一步研究發展，他將結合最新的數字可編程超材料和微波成像系統，還有希望提供簡單易行的方案來操控電磁波，以實現遠程測量和成像。

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

程寰宇表示，未來希望能通過使用無線和無源的可拉伸穿戴傳感系統，對人體健康狀況進行長期連續檢測，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。