研究提出用于自供能的3D可拉伸天线

可拉伸天线是未来可穿戴电子设备能够实现机体保形接触、小尺寸和高度集成的重要无线通讯和能量收集组件。然而，可拉伸天线的机械变形通常导致其谐振频率的变化（即失谐效应），可伸缩天线的在体辐射效率也会由于人体组织的损耗而严重降低，这限制了柔性天线在应变传感中的应用。

针对上述问题，中国科学院苏州生物医学工程技术研究所研究员杨洪波团队联合美国宾夕法尼亚州立大学教授程寰宇团队，提出了一种分层构架的具有拱形排列网状图案的可拉伸微带天线。该天线的可拉伸性提供了变形期间几乎不变的共振频率，实现了有效地在体无线通讯（Nano Micro Letters，DOI：10.1007/s40820-021-00631-5，封面文章）。

科研人员以上述成果为基础，在可拉伸微带天线中引入不同的3D配置，得到了优异的在体辐射性能。研究探讨了三种具有不同力学自组装3D结构的柔性可拉伸微带天线，包括“1：1”“1：2”“2：1”三种拱形比例结构，发现“1:2”非对称3D构型相对于2D与其他3D构型（“1:1”“2：1”）对应着更高的峰值增益，可实现更长的通讯距离（~120 m）与更高效的能量耦合效率（~43 μJ/s），优化的3D结构提高了可拉伸微带贴片天线的性能。此外，力学自组装过程中预应变形成的3D拱形结构可以通过转化成2D平面结构释放外部应变加载，从而对应着更高的拉伸极限。相对于2D天线，预应变10%形成的3D可拉伸天线的拉伸极限从10%提高到20%，且可通过施加更大的预应变进一步提高柔性可拉伸天线拉伸性能以满足人体运动过程产生的大变形。3D结构的微带天线展示了对应变不敏感的共振性能及增强的峰值增益，同时使无线传输距离增加了一倍，收集到的射频能量提供了双倍的充电率。对称和非对称3D结构之间的比较还揭示了探索具有不同配置的3D天线从而优化贴身性能的潜力。研究通过整合可拉伸天线和整流天线与可拉伸传感器以及能量储存单元，获得了一个独立的可拉伸射频系统。研究利用该系统实现了对LED和无线温度传感的供电，并实现了在体的脉搏检测。相关研究成果发表在Nano Energy上。

本研究为开发具有无线功能的自供电可拉伸人体生命体征健康监测系统铺平了道路。下一步，该团队将重点关注主动健康与老龄化应对场景的需求，通过研究如何进一步提高能量耦合效率，拓展监测类型，使用环境射频能量捕获实现类皮肤柔性传感器的自供能，连续、动态地实现更多生理参数的信息监测。

基于非对称3D微带天线的独立可拉伸射频系统的设计理念