用于可穿戴手環(huán)的液態(tài)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(shù)因其快速制造定制化結(jié)構(gòu)的性能成為研究熱點。微波和射頻工程師利用3D 打印技術(shù)制造靈活復雜的3D 微波射頻元件[1-4]。3D 打印技術(shù)通過直接3D 打印金屬結(jié)構(gòu)(如金屬波導)或者先打印輕質(zhì)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(jié)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(shù)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(jié)構(gòu)。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(wǎng)狀結(jié)構(gòu)附在基板表面形成天線的輻射結(jié)構(gòu)[2]。Shen 等用數(shù)字光處理技術(shù)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(jié)構(gòu)的靈活性使其能共形于附著結(jié)構(gòu)，因而受到可穿戴及共形電子設(shè)備研究者的關(guān)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(tǒng)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(chǎn)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(wěn)定可靠的天線輻射導體是加工過程中面臨的挑戰(zhàn)之一。

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

隨著人體域網(wǎng)(BAN，Body Area Network)和物聯(lián)網(wǎng)(IoT，Internet of Things)等通信技術(shù)的高速發(fā)展，通信系統(tǒng)對可穿戴及共形電子設(shè)備中的天線設(shè)計在結(jié)構(gòu)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(tài)金屬結(jié)合的技術(shù)在可穿戴及共形天線中的研究較少。然而，這項技術(shù)可以在較短時間內(nèi)可打印出結(jié)構(gòu)復雜靈活的天線基板，并且基板金屬化的過程可用液態(tài)金屬填充快速完成，在可重構(gòu)和共形天線中有潛在應用?；诖?，本文概念性地設(shè)計并驗證了一款3D 打印的可穿戴手環(huán)液態(tài)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(jié)構(gòu)設(shè)計

本文采用直觀易實現(xiàn)的偶極子天線概念性地驗證3D 打印技術(shù)與液態(tài)金屬(本文使用鎵銦合金)結(jié)合的天線在可穿戴設(shè)備中的應用。天線結(jié)構(gòu)如圖1 所示，3D 打印的橢圓形手環(huán)內(nèi)有三對微通道結(jié)構(gòu)。左右對稱的偶極子天線結(jié)構(gòu)分別有三個輻射枝節(jié)，最長的枝節(jié)(L1)產(chǎn)生2.4 GHz 的頻帶，中間長度的枝節(jié)(L2)產(chǎn)生3.3 GHz 的頻帶，最短的枝節(jié)(L3)產(chǎn)生5.5 GHz 的頻帶，中間饋電枝節(jié)的長度為L4，三個頻率的調(diào)節(jié)彼此不受影響。手環(huán)的內(nèi)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(huán)厚度為D，圓形微通道的直徑為d。

圖1 三頻帶液態(tài)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(guān)鍵電參數(shù)，即相對介電常數(shù)(εr)和介質(zhì)損耗參數(shù)(tanδ)。其中，相對介電常數(shù)影響天線枝節(jié)的物理長度，介質(zhì)損耗參數(shù)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(shù)(如圖2 所示)，計算得到光敏樹脂的復介電常數(shù)。最后確定光敏樹脂的相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗參數(shù)在2～7 GHz 的頻率范圍內(nèi)分別為2.3～2.7和0.05～0.15。光敏樹脂的介質(zhì)損耗大于商業(yè)化板材的介質(zhì)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(jié)構(gòu)中，天線效率對3D打印手環(huán)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(shù)和天線效率對不同尺寸的誤差敏感性如圖3 所示，最終優(yōu)化后的天線參數(shù)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(jié)長度對三個頻率的調(diào)節(jié)是相對獨立的，當枝節(jié)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(shù)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(xiàn)仿真的天線長度。另一方面，天線手環(huán)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(chǎn)生顯著影響。液態(tài)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(fā)，需要減小天線手環(huán)的厚度，但是手環(huán)厚度的選擇又受制于微通道空腔的尺寸、天線結(jié)構(gòu)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(huán)厚度。減小基板對天線效率影響的另一途徑是開發(fā)具有較小介質(zhì)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(shù)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(huán)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(tǒng)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(tài)金屬化中間件這一過程可在數(shù)小時內(nèi)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(huán)天線利用ZRapid iSLA600 (stereo lithograph)打印機通過光固化打印技術(shù)打印出手環(huán)的橢圓形介質(zhì)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(tài)金屬在微通道內(nèi)的填充情況。手環(huán)介質(zhì)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(tài)金屬推入微通道內(nèi)作為天線導體。每個微通道枝節(jié)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(tài)金屬時的通氣孔。將液態(tài)金屬推入微通道后，需要用膠水將末端通孔堵住以防液態(tài)金屬泄漏。3D 打印的三頻帶液態(tài)金屬天線實物圖如圖4 所示，偶極子天線的左右對稱枝節(jié)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(jié)的微通道內(nèi)。

圖4 3D 打印的三頻帶液態(tài)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(shù)和電導率，會對00 天線的頻率產(chǎn)生影響并且降低天線效率，需要評估手環(huán)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(zhì)的相對介電常數(shù)、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(huán)天線穿戴在人體模型上的效果圖。當手環(huán)天線穿戴在人體手腕上時，人體組織的介質(zhì)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(huán)之間無縫隙時，人體組織的介質(zhì)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(huán)之間的縫隙距離有關(guān)。

圖5 三頻帶液態(tài)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(shù)和組織密度Tab.2 Electrical properties and density of human tissues layers

可穿戴設(shè)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(zhì)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(tài)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(guān)。利用全波仿真軟件，得到人體手腕結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)[12]，本文主要概念性地驗證3D 打印和液態(tài)金屬結(jié)合的天線在可穿戴及共形電子元件中的應用，并未對液態(tài)金屬偶極子天線結(jié)構(gòu)上做進一步優(yōu)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(tài)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(tǒng)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?yōu)槎ㄏ蜉椛淠Ｊ健?/p>

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(jié)論

本文概念性地驗證并設(shè)計了3D 打印與液態(tài)金屬結(jié)合的天線在可穿戴元件中的應用。利用3D 打印技術(shù)快速加工出共形于人體手腕的介質(zhì)基板，然后用液態(tài)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(tǒng)地對3D 打印中間件金屬化方法，用液態(tài)金屬對中間件金屬化這一工程更加高效和經(jīng)濟實用，并且金屬層的厚度更加可控。本文設(shè)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(zhì)損耗參數(shù))和厚度對提高天線效率至關(guān)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(zhì)加載效應使天線頻率下移并且使全向的天線模式畸變?yōu)槎ㄏ蚰Ｊ剑@一效應可以通過優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)(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(tài)金屬結(jié)合的可穿戴液態(tài)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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