蘇州醫工所楊洪波團隊聯合賓州州立大學程寰宇團隊提出了用于自供能的3D可拉伸天線

作者:張瑩瑩 時間:2022-03-22

  可拉伸天線是未來可穿戴電子設備能夠實現機體保形接觸、小尺寸和高度集成的重要無線通訊和能量收集組件。然而可拉伸天線的機械變形通常會導致其諧振頻率的變化(即失諧效應),可伸縮天線的在體輻射效率也會由于人體組織的損耗而嚴重降低,這就限制了柔性天線在應變傳感中的應用。 

  針對上述問題,蘇州醫工所楊洪波團隊聯合賓州州立大學的程寰宇教授團隊,首先提出了一種分層構架的具有拱形排列網狀圖案的可拉伸微帶天線,該天線的可拉伸性提供了變形期間幾乎不變的共振頻率,實現了有效的在體無線通訊。相關成果發表在了Nano Micro LettersIF16.419(DOI10.1007/s40820-021-00631-5),并被選為當期的封面文章。 

  在此研究的基礎上,通過在可拉伸微帶天線中引入不同的3D配置,得到了優異的在體輻射性能。研究了三種具有不同力學自組裝3D結構的柔性可拉伸微帶天線,包括:11,1221,三種拱形比例結構,發現“1:2”非對稱3D構型相對于2D與其他3D構型(“1:1”和“21”)對應著更高的峰值增益,可以實現更長的通訊距離(~120 m)與更高效的能量耦合效率(~43 μJ/s),優化的3D結構上提高了可拉伸微帶貼片天線的性能。另外,力學自組裝過程中預應變形成的3D拱形結構可以通過轉化成2D平面結構釋放外部應變加載,從而對應著更高的拉伸極限。相對于2D天線,預應變10%形成的3D可拉伸天線的拉伸極限從10%提高到20%,而且可以通過施加更大的預應變進一步提高柔性可拉伸天線拉伸性能以滿足人體運動過程產生的大變形。3D結構的微帶天線展示了對應變不敏感的共振性能及增強的峰值增益,同時使無線傳輸距離增加了一倍,收集到的射頻能量提供了雙倍的充電率。對稱和非對稱3D結構之間的比較還揭示了探索具有不同配置的3D天線從而優化貼身性能的巨大潛力。通過整合可拉伸天線和整流天線與可拉伸傳感器以及能量儲存單元,獲得了一個獨立的可拉伸射頻系統,用該系統實現了對LED和無線溫度傳感的供電,并實現了在體的脈搏檢測。相關研究成果發表在了Nano EnergyIF17.881)(論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107069 

  本次研究成果為開發具有無線功能的自供電可拉伸人體生命體征健康監測系統鋪平了道路。下一步,該團隊還將重點關注主動健康與老齡化應對場景的需求,通過研究如何進一步提高能量耦合效率,拓展監測類型,使用環境射頻能量捕獲實現類皮膚柔性傳感器的自供能,連續、動態地實現更多生理參數的信息監測。 

 1 研究成果論文在Nano-Micro Letters的期刊封面 

 2 基于非對稱3D微帶天線的獨立可拉伸射頻系統的設計理念 

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