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可穿戴天线弯曲、压缩而不影响功能
就像可穿戴式传感器在美国，可穿戴式传感器需要在人体皮肤上安全使用，能在室温下工作，并能承受扭转、压缩和拉伸。然而，发射机的灵活性带来了一个独特的挑战:当天线被压缩或拉伸时，它们的共振频率(RF)会发生变化，它们发射的无线电信号波长可能与天线的预期接收器不匹配。
“改变天线的几何形状就会改变它的性能，”程说。“我们想要一个几何结构，在保持发射频率不变的情况下允许移动。”
研究小组创造了多层柔性发射器。在之前研究的基础上，他们制作了一个有重叠波浪线图案的铜网。这种网状结构构成了接触皮肤的底层和充当天线辐射元件的顶层。顶层在被压缩时形成双拱，在被拉伸时形成双拱，并以一组有序的步骤在这两个阶段之间移动。Cheng表示，天线网格拱起、变平和拉伸的结构化过程提高了该层的整体灵活性，并减少了天线状态之间的射频波动。
能源效率是另一个优先事项。底部的网状层防止无线电信号与皮肤相互作用。这种实现，除了防止组织损伤，还避免了由组织降解信号引起的能量损失。天线保持稳定射频的能力也允许发射机从无线电波中收集能量，Cheng说，潜在地降低来自外部来源的能源消耗。
Cheng说，该发射器可以在近300英尺的范围内发送无线数据，可以轻松集成多个计算机芯片或传感器。通过进一步的研究，它可以应用于健康监测和临床治疗，以及能源的产生和储存。
“我们已经在可拉伸的变送器中展示了强大的无线通信，”程说。“为了我们的知识，这是第一个可穿戴天线，在相对较大的拉伸范围内表现出几乎完全不变的共振频率。”
允许进一步的天线定制与常数变量
在开发可拉伸的天线原型后，Cheng与另一个研究团队分析了它。研究人员旨在识别新的基本途径，用于微调这种可用于相似，未来研究的设备。“我们希望通过检查机械性能与电磁行为之间的联系来调查问题。”程说，“郑说。“突出显示这种关系可以揭示关于不同参数对天线性能影响的见解。”
该团队制作了一种天线，其层状结构和网状结构类似于他们之前的原型，但缺少双拱压缩结构。他们测量了网格在不同时间间隔拉伸时天线的变形，然后用计算机模拟来检验变形和天线性能之间的关系。
为了简化天线的无线电信号传输的分析，研究人员使用了一种数学技术来转换某些测量 - 例如重复网格图案的宽度和角度 - 进入恒定值。通过这种过程，称为标准化，研究人员可以通过否定标准化变量的影响来专注于特定变量之间的关系。
研究小组发现，不同变量的标准化为定制天线的性能提供了几种途径。他们还发现，模拟网格的几何形状可能产生不同的结果，即使是一组标准化变量。
尽管研究人员分析了可穿戴天线的特性，Cheng强调他们的方法可以应用于其他射频设备。“我们已经证明，你不必局限于探索一个标准化变量的影响，”程说。“使用这种方法，我们可以为其他使用微波通信的天线或设备定制特性。”
望向未来
郑和他的合作者将继续通过基于应用的研究以及进一步的基础探索来促进这些设备的开发，以优化设计过程。
“我们真的很兴奋，这项研究可能有一天可以导致身体上穿的传感器和变送器网络，彼此沟通和外部设备，”程说。“我们想象的是，目前是科幻小说，但我们正在努力使它发生。”
来源:宾夕法尼亚州立大学
