Textiles RF‑E Transpirables: Tejidos Conductivos Flexibles para Comunicaciones Vestibles

Por Mario D’Auria, John Greenwood y Chris Hunt en Pireta, junto con Martin Salter y Nick Ridler en el Laboratorio Nacional de Física (NPL), presentamos un método pionero para depositar pistas conductoras directamente sobre tela. Este avance abre camino a un amplio espectro de dispositivos vestibles.

En el dominio RF, esfuerzo significativo se ha centrado en sustratos de alto rendimiento que reducen pérdidas y extienden ancho de banda operacional. Aunque muchas opciones están ahora disponibles, son predominantemente rígidas o solo semi‑flexibles, pasando por alto mercados donde el rendimiento extremo es innecesario pero la conformidad mecánica es esencial.

A medida que dispositivos se encogen y el coste baja, tecnología vestible se vuelve foco central para industrias desde salud a defensa a fitness. Manufactura convencional depende de componentes rígidos, dificultando miniaturización, especialmente para sistemas RF donde geometría está estrechamente acoplada a frecuencia.

Vestibles inalámbricos grandes y voluminosos limitan libertad y comodidad del usuario. Nuestra tecnología de tejido conductor brinda libertad espacial y de diseño preservando flexibilidad y transpirabilidad.

El proceso propietario de Pireta, compatible con fibras naturales y sintéticas, consta de cinco pasos de inmersión —limpieza, sensibilizado, impresión de capa semilla, deposición electroless de metal y pasivación— junto a una capa semilla imprimible que da libertad geométrica.

El método es escalable y comparte pasos con impresión digital roll‑to‑roll, permitiendo producción a gran escala. El metal recubre las fibras sin comprometer tacto, caída, elasticidad o transpirabilidad.

Líneas de transmisión, esenciales para evaluación RF, se fabricaron en tela de algodón usando el proceso Pireta. Dos secciones de tiras coplanares (pistas 5 mm ancho, 2 mm espaciado) se hicieron en longitudes de 50 mm y 80 mm. Las pistas se sembraron primero con plata, luego plateadas con cobre, y finalmente pasivadas con capa de plata.

Tras fabricación, el ancho real de pista midió 5.5 mm y el hueco 1.7 mm. Conectores SMA hembra se soldaron a los extremos, proceso posible gracias al recubrimiento metálico uniforme.

Medidas VNA

Medidas realizadas en NPL con analizador de red vectorial Keysight PNA‑X en 10 MHz–10 GHz. Conectores 3.5‑mm de precisión (hasta 33 GHz) usados; conectores COMÚN hasta ~12 GHz. Calibración short‑open‑load‑thru precedió a las pruebas.

Figuras 2 y 3 muestran parámetros S para líneas de 50‑mm y 80‑mm. Coeficientes de reflexión (S₁₁ y S₂₂) son pobres arriba de 100 MHz, probablemente por límites de resolución de impresión. Implementar un transformador de impedancia podría mitigar este desajuste. Valores casi idénticos de S₁₁ y S₂₂ confirman buena repetibilidad de conectores.

Coeficientes de transmisión (S₁₂, S₂₁) permanecen aceptables hasta 2 GHz, sugiriendo que las líneas son funcionales una vez abordado el desajuste. Tabla 1 resume pérdida S₂₁ a frecuencias seleccionadas.

Usando fórmula estándar de atenuación, la pérdida corregida por longitud unitaria (α_d) se calculó (ver Figura 4). Para secciones cortas, pérdidas son notablemente bajas: ~0.20 dB cm⁻¹ de 10 MHz a 100 MHz, subiendo a ~0.32 dB cm⁻¹ cerca de 1 GHz.

Metalización Mejorada

Para reducir pérdidas óhmicas, se añadió paso de electroplateado de cobre tras pasivación, creando variante electroplateada (EP) junto a las líneas electroless (EL) originales. Ambos conjuntos tenían apariencia similar, con ligero aumento de rigidez.

Líneas EP muestran mejora de 0.2 dB cm⁻¹ sobre EL en 10–100 MHz, con pérdidas subiendo gradualmente más allá de 100 MHz. A 1 GHz, pérdida EP alcanza 0.3 dB cm⁻¹. Pérdida restante atribuida a imperfecciones geométricas y rugosidad de tela; telas más finas y diseños refinados deberían mejorar aún más el rendimiento.

Interacción con Tejido Humano

Cuando las líneas contactan piel directamente (Figura 7a), rendimiento degrada por naturaleza lossy del tejido. Introducir un espaciador aislante (Figura 7b) produce pérdidas similares, mientras añadir una segunda capa conductora bajo la línea restaura rendimiento (Figura 7c). Estos resultados indican que, con diseño adecuado, efectos del cuerpo pueden mitigarse largely.

Efecto de Distorsión de Tela

Figura 9 muestra atenuación por longitud unitaria en todas las cinco condiciones. Las líneas exhiben variación mínima, con solo modesto aumento en configuración zigzag, probablemente por acoplamiento inter‑segmento.

Resultados y Trabajo Futuro

Los datos confirman que líneas de transmisión de tejido conductor pueden operar efectivamente hasta al menos 1 GHz, cubriendo bandas AM, FM, RFID, Wi‑Fi/Bluetooth y radio satelital. Al neutralizar influencia de tejido humano y mostrar resiliencia a distorsión, la tecnología es adecuada para aplicaciones RF vestibles. Trabajo futuro optimizará geometría planar, investigará constantes dieléctricas de sustrato, grosor de línea y abordará caminos de corriente no‑uniformes relativos a pistas de metal sólido convencionales.

Conclusiones

El proceso e‑textil de Pireta, aunque emergente, demuestra capacidad para cumplir requisitos RF de muchas aplicaciones telecom, incluyendo 5G sub‑6 GHz, preservando propiedades textiles como tacto, caída y transpirabilidad. Esta doble capacidad abre nuevas vías para innovación de producto en sectores diversos.

Referencias

1. R. Garg, I. Bahl, M. Bozzi, Microstrip Lines and Slotlines. London: Artech House, 2013, pp. 376–377.
2. IEEE Std 287‑2007, “IEEE Standard for Precision Coaxial Connectors (DC to 110 GHz).”
3. IEC 60169‑15:1979, “Radio‑frequency connectors. Part 15: R.F. coaxial connectors with inner diameter of outer conductor 4.13 mm (0.163 in) with screw coupling – Characteristic impedance 50 Ω (Type SMA).”
4. S. Rehnmark, “On the Calibration Process of Automatic Network Analyzer Systems,” IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques, Apr 1974, pp. 457–458.
5. F. L. Warner, A. E. Bailey, “Attenuation measurement,” in Microwave Measurements, London, U.K.: IEE, pp. 132–134, 1989.