تطور الهوائيات المصغرة للتكامل التكنولوجي القابل للزراعة

تطور الهوائيات المصغرة للتكامل التكنولوجي القابل للزراعة

التكنولوجيا المُتفجرة تحولت من مُتعقبي اللياقة إلى فئة واسعة النطاق تشمل المُستشفيات الذكية، والمجسات الطبية، ونظارات الواقع المعززة، وملابس ذكية، وقلب هذا التحول، يُعتبر مُكوّن من المُعدّل الهوائي الذي لا يُحتمل، وكفؤاً، وقوياً بما يكفي لمعالجة الحركة المستمرة والتغير البيئي.

أساسيات مسلسل ميكروستريب باتش

ويتكون الهوائي من رقعة صغيرة من جهاز استرجاعي أو دائري أو ثلاثي مجهز على جهاز غذائي ذي قدرة أرضية مستمرة على الجانب الآخر، وتغذي هذه الشقة خط انتقال مصغر، أو مسبار كواكسي، أو اندفاع، وعندما تكون هذه الميزات متوافقة، فإن التصفيقات ترتفع أساساً بسبب ضيق النطاقات السطحية بين أطرافها وحجمها الأرض.

هذه الصفات ضرورية، يجب أن تُدخل فرقة مراقبة الذكية أو اللياقة الهوائية في حجم مُدمج، أقل من بضعة سنتيمترات مكعبة، ويمكن أن تُسحب رقائق الميكروستريب إلى مُحطات فرعية مرنة أو تُدمج مباشرة في طبقات النسيج، وطبيعة خطتها تسمح بتخديرها أو طباعتها أو ارتدائها في نسيج دون إضافة كمية كبيرة من الأشعة.

ولا تزال مبادئ التشغيل الأساسية دون تغيير، ولكن المواد وتقنيات التغذية والرسوم التصاميم تطورت بشكل كبير لتلبية متطلبات المواد القابلة للزراعة، وتشمل التصميمات الحديثة دبابيس اختصار (لخفض الحجم)، وقطع رقائق مثبتة (لزيادة النطاق الترددي)، وعناصر قابلة للثقة بالترددات (لدعم المعايير اللاسلكية المتعددة مثل بلووث، وواي فاي، وGPS، و5G).

التطوير التاريخي: من الفضاء إلى الهيئة

السبعينات: ميلاد مسلسل ميكروسترب

وقد اقترح روبرت إ. مونسون في عام 1974 مفهوم الهوائي المصغر في عام 1974 بينما كان في فريق الكرة الأرضية والاتصالات، وكان العمل المبكر الذي قام به مونسون في ]E Transactions on Antennas and Propagation، قد أثبت أن جهازاً للأشعة الكهرمائية الصغرية يمكن أن يحقق بعد ذلك استخدام النطاق الترددي والسلاس في الاتصالات الساتلية.

خلال الثمانينات والتسعينات، ركز الباحثون على التغلب على القيود المتأصلة في الهوائيات: النطاق الترددي الضيق، والكسب المنخفض، والحساسية للتسامح مع التبعية، وتقنيات مثل الانقلابات الاصطناعية (التي قدمها ديفيد م. بوزار في عام 1985) وأجهزة التصفيق المكبوتة تمكّن من ارتداث السلاسل المحلية بنسبة 20 في المائة أو أكثر.

2000: التعدين والابتكار في المواد

ومع تدنية الكترونيات المستهلكين، بدأت طائفة الهوائيات استكشاف مواضع فرعية مرنة، واستخدمت الجهود المبكرة فيتامينات نحاسية رقيقة مرتبطة بأفلام متعددة المبيدات أو متعددة البوليسترات، ويمكن أن تكون هذه الصور متجهة إلى نطاق محدود ولكنها غير قابلة للتنفس أو للتمدد بما يكفي من الملابس، وقد جاءت نقطة التحول إلى تطوير المنسوجات السلوكية وطرق النسيج الجديدة.

وفي عام 2006، أظهر الباحثون في جامعة بيرمنغهام أنبوب رقعة صغيرة مصغرة مرتكزة على نوع الجنس، يستخدم جهازاً من النيلون الخفيف المشعر والمربوط بالنح (مثلاً، زيلت، نسيج عالي الجودة متطور للتطبيقات العسكرية) وقد أثبت هذا العمل أن الفخائي المكتمل يمكن أن يحقق أداء الإشعاعي مقارنة بـ " مؤخراً " .

2010 - الموافقة: التكامل والاستخبارات

وقد شهد العقد الماضي انفجارا للابتكار، حيث أن الهوائيات التي تستخدم رقعة صغيرة للملابس المزروعة تدمج الآن بصورة روتينية إعادة التشكيل (التواتر، النمط، أو التحول الاستقطابي) لتقليل عدد الهوائيات اللازمة للأجهزة المتعددة المعايير، كما تحول الباحثون إلى تصنيع مضاف: طباعة النانوبات الفضية على النسيج، ورسم البصمات المخطوط المباشرة، بل وحتى الشاشة.

وفي الوقت نفسه، أدى ارتفاع شبكة الإنترنت من الأشياء (IoT) و5G إلى دفع العصيان إلى نطاقات جديدة (مثل الموجات المليمترية في 28 جيهرتز و39 غيهرتز) وفي حين أن رقائق الميكروبات التقليدية قد تكافح في ترددات عالية بسبب زيادة الخسائر، فإن المواد الفرعية الجديدة (البوليمرات البلاستيكية السائلة، والمنسوجات المنخفضة الضائعة) وتغذيتها المتقدمة

الابتكارات الحديثة للتكنولوجيا القابلة للزراعة

ويركز أحدث جيل من الهوائيات في رقعة الميكروسيب للملابس على ثلاث دعائم هي: المرونة، والعمل المتعدد النطاق، وكفاءة الطاقة، وهذه الابتكارات تستمد من الحاجة إلى الحفاظ على الأداء تحت التحلل الميكانيكي بينما تستوعب الطيف اللاسلكي المزدحم.

المنسوجات الفرعية المرنة والمنسوجات السلوكية

تقليدي من طراز FR-4 و Cramic substrates are unsuitable for clothing-they crack when bent and are disturb against the skin. Researchers now use fabrics such as polyester, cotton, and nylon as the dielectric layer. For the conductive patchive, copper-coated nylon threads (often called "conductive yarn) can be embroid or woven directly

ويستخدم نهج آخر أجهزة الإلكتروتكستيلات - الصنع المكوَّنة بطبقة سلوكية رقيقة، مثل سواتل النيلون المسيَّرة، وتعاني هذه المواد من مقاومة سطحية تقل عن 0.1 أوم لكل مربع، مما يتيح تحقيق الكفاءة الإشعاعية فوق 70 في المائة حتى في 2.4 غيهرتز، ولمنع توسيع نطاق الديوتانات القصيرة عندما تُركَّب الطبقات، ونسيج نسيج مضغوط (مثلاًاًاًاًاًاًاً).

التصميمات المتعددة الوحدات والمتصلة بالثقة

Ader[n wearable devices must support numerous wireless standards. A single-band patch antentical; instead, designers employ multi-band slotes-us parasitic elements, or stacked patches-to cover, for example, 2.4 GHz (Bluetooth/Wi-Fi), 5.8 GHz (Wi-Fi/ISshan1]

وتخطو التصميمات القابلة للثقة هذه خطوة أخرى عن طريق التحول بين نطاقات الترددات، أو أنماط الإشعاع، أو الاستقطابات باستخدام أجهزة الاستطلاع أو المتفوقين أو نظام إدارة الطاقة، وبالنسبة للمراقبات الذكية، يمكن أن يتحول الهوائي من نمط شبه سطحي (للتواصل مع المعصم) إلى نمط توجيهي (لربط نقطة الدخول عند إزالة عناصر المشاهدة).

Energy Harvesting Integration

ويمكن أن تحول هذه البحوث الجديدة بين الهوائيات المصغرة وجني الطاقة، ويمكن للجهاز الاسترجاعي (التعرف على الهوائي) تحويل الطاقة الكهرمائية من شبكة وي-فاي أو وحدات الخلايا إلى قوة العاصمة لشحن البطاريات الصغيرة أو المكثفات، وبالنسبة للملابس، يمكن أن تؤدي رقعة واحدة واجبين مزدوجين: الاتصالات وتعبئة الطاقة.

التحديات واستراتيجيات التخفيف

وعلى الرغم من التقدم الملحوظ، لا تزال هناك تحديات عديدة في الاعتماد الواسع النطاق للأنينات المصنوعة من رقعة الميكروسيب بالنسبة للأجهزة الاصطناعية، وكل تحد يتطلب حلا متعدد التخصصات يشمل علوم المواد والهندسة الكهرومغناطيسية والعوامل الإنسانية.

آثار التقريب بين الجسم

وجهاز التصحاح الاصطناعي هو جهاز غذائي مضلل، وهو جهاز يُظهر درجة عالية من الصلاحية (المستوى الأول من الأشعة المميتة) (المستوى الأول من الأشعة المميتة) (المستوى الأول من الأشعة المميتة) (النسبة المئوية للارتفاع في الجسم) (المعدلات العالية الارتفاع) التي تُستخدم في الهواء، مع انخفاض درجة الحرارة السطحية في الجسم(15).

التحلل والتشويه التدريجي

وعندما تُقطر رقعة صغيرة مرنة حول معصم أو ذراع، تتحول ترددها الصاخب إلى أسفل بسبب زيادة طول الكهرباء على المنحنى الخارجي، ويمكن أيضاً أن تخلق الرواسب الصلبة شقاً في طبقة الترسبات المتعددة المعادن، وقد عالج الباحثون ذلك باستخدام تركيبات رقعة ملتوية، وهياكل تغذية مرنة، وسلوكات قابلة للتمديد في إطار الأشعة (مثلاً، المادة الثالثة).

العطف والاستمرارية

ويجب أن تكون الهوائيات القابلة للزراعة مريحة للارتداء المطول، وهذا يعني نسيج قابل للتنفس، وأجهزة رصينة سلسة، ولا حواف حادة، بالإضافة إلى أن الهوائي يجب أن يتحمل غسل الأموال، والتعرض للأشعة فوق البنفسجية، والتعرق، وأن الاختبار المعياري للأجهزة الإلكترونية القابلة للذوبان (IEC 62133) يشمل دورات الغسيل، والاختراق، وفحوصات التراكمية، والمرونية، والمرونة، يمكن أن تحمي المواضع في مجال المعالجة بمقياس من خلال الإنتاج.

معدل الامتصاص المحدد (سار)

(أ) تضع الهيئات التنظيمية حدوداً صارمة على كمية الطاقة التي تم امتصاصها من الأنسجة البشرية، وبالنسبة للعديد من الفرق المتكررة، فإن الحد الأقصى لطائرة البحث عن الأجسام هو 1.6 و/كغ بالنسبة لحجم واحد من كلغ، أو 2.0 من وزن الجسم مقابل 10 غرامات (ICNIRP).

التطبيقات في الأجهزة القابلة للزراعة

وقد مكّنت قابلية التكرار في الهوائيات المصنوعة من رقعة الميكروسيب من طائفة واسعة من التطبيقات القابلة للارتداء، وكلها متطلبات فريدة من حيث التردد، وزوارق النطاق، والمكسب، والشكل.

رصد الصحة والقابلات الطبية

A Continuous glucose monitors, ECG patches, andelli bandages rely on low-power wireless protocols (e.g., Bluetooth Low Energy, NFC) to transmit data to a intelligencephone or hospital network. For these devices, the antenna must be unobtrusive and biocompatible. Textile microstrip patches on gauze or hydroloid dressings have been 2020

الخياطة و المفاصل

ويجمع المواخير التجارية الذكية بين عدة مهابط صغيرة على رأس مجمّع العرض أو داخل نطاق المراقبة، ويتطلب التكامل الدقيق تصميماً مشتركاً مع أجهزة الاستشعار والبطاريات والعرض، ولأن ساعة المصاريف غالباً ما تكون مُرتدية على المعصم، فإن تصميم الهوائي يجب أن يُحسب لتصميمات العظام والعضلات، ويستخدم العديد من المواضع الحديثة تركيبة من أجهزة الاستنشاق المصغرة لجهاز GPS (1.5Hlan).

ملابس ذكية

الجاكيت والقميص مع الأجهزة الإلكترونية المدمجة (للتدفئة أو التضليل أو الاتصال) يحتاج إلى هوائيات موزعة على منطقة أكبر، ويمكن أن تُسحب رقعة صغيرة مباشرة إلى جهاز التجميل، مع الطائرة الأرضية التي تشكلها طبقة نسيجية مُتّصلة في الجانب الداخلي.

Augmented Reality and Head-Mounted Displays

نظارات الـ(آر آر) تحتاج إلى هوائيات مُلتصقة بالإطار أو مُخبأة في المعابد، وأجهزة التكرير المغناطيسي التي تطبع على جهاز الديليكتري المرن (مثل البلورات السائلة) يمكن أن تُسلّم إلى المسكن البلاستيكي، و هذه الأنهار الهوائية يجب أن تعمل بخمسة جي هرتز (واي فاي) وأحياناً بـ 60 جيهرتز

المواد والتسعير والنظر في التصميم

ولكي يدرك المهندسون هوائيا قابلا للارتداء في رقعة الميكروبات، يجب عليهم أن يختاروا بعناية المواد والعمليات التي توازن الأداء الكهربائي مع القدرة الميكانيكية.

Substrates: Dielectric Properties and Flexibility

([FLT:]r[FLT:]r]) و(المجموعة الديموقراطية) (الحجم الاصطناعي) (الحجم التراكمي) (الحجم الديموقراطي) ([الحجم الكبير])

وثمة طبقة فرعية ناشئة أخرى هي الرغاوي أو النسيج المتطور مع المشغلات المتأصلة التي توفر الرخصة الخاضعة للمراقبة، وعلى سبيل المثال، يمكن أن يُستخدم نسيج للفضاء مصنوع من البوليستر ونيلون اللوتون في مقياس _]r ]()

المرشدون العاملون: التقليديون والنوفيل

• Copper-polyester taffeta: A high-conductivity woven fabric (e.g., Pure Copper Taffeta from Less EMF Inc.) with surface resistanceivity as low as 0.02 /sq. It is durable but can oxidize over time.
• Silver-coated nylon] (مثل، نيلون 66 مع اللوحة الفضية): Resists corrosion, conducts nearly as well as copper, and is available as yarn for embroidery.
• Conductive inks and pastes]: Silver nanoparticle inks can be inkjet-printed into polyester or cotton. The resulting conductive layer has conductivities on the order of 10^]5-10
• Graphene and carbon nanotubes: هذه المواد توفر سلوكاً معتدلاً ولكن مرونة ومقاومة ممتازة للإجهاد، وهي لا تزال تجريبية بالنسبة للهوائيات التي يمكن ارتداؤها بشكل عام.

تقنيات التغذية

ويجب أن تكون آلية التغذية منخفضة المستوى وقوية، أما بالنسبة إلى هوائيات المنسوجات، فإن أكثر أنواع التغذية شيوعاً هو خط مصغر يُغلق مباشرة أو يُطبع على نفس الدرجة الفرعية، ويمكن أيضاً إنهاء الخط مع وصلة صغيرة من الكوسيوم (U.FL) كما أن التغذية الحشرية (تتتتغطي على طول الطيار الأرضي) تقلل من الإشعاع النابع من خط التغذية ولكنها تتطلب مضافات الدقيقة.

نظراً مهماً هو تطابق الهوائي عندما يرتدى وجود الجثة يغير من ضخ المدخلات، كثيراً ما يتضمن المصممون مطابقاً أو استخدام دائرة متكاملة غير قابلة للتسوية (مثلاً، متغير رقمي) للتكييف في الوقت الحقيقي، وهذا النهج ذو قيمة خاصة بالنسبة للتصميمات القابلة لإعادة التشكيل.

الاتجاهات المستقبلية

ويشير مسار الهوائيات في رقعة الميكروسيب للملابس إلى زيادة التكامل مع الوظائف الإلكترونية الأخرى واعتماد نطاقات أعلى للتواتر لزيادة ناتج البيانات.

Antenna-on-Chip and Antenna-in-Package

ونظراً إلى أن الأجهزة القابلة للارتداء قد تتقلص أكثر، فإن الهوائي قد يصبح جزءاً من مجموعة الرقائق أو يُدمج مباشرة في نظام " سيليكون " (AoC). وما زالت رقائق الميكروسيب المقدمة في الشقة تواجه تحديات كبيرة في الكفاءة بسبب ضياع السيليكون، ولكن العمل الأخير باستخدام قنابل من خلال السيليكون (TSVs) والجهاز اللاسلكي العالي الارتداد قد أظهر نتائج واعدة في 60 غيتوهايز.

ميليميتر-وايف 5G و6G

وسيتطلب هذا الأمر تطبيق معدلات البيانات في المستقبل على نحو أعلى من 10 كيلوغرامات من أجل إنتاجية متطورة حقيقية من طراز R/VR. وهذا يتطلب تشغيلاً في نطاقات الموجات المتوسطة (24-100 GHz) ويمكن أن تكون صفائف النسيج من طراز كاليفورنيا صغيرة جداً (صفيفة ×2 عند 28 مقياساً من طراز GHz ×10 ملم على مجموعة من الظل المنخفض(_).

الطاقة ذاتياً

ويمكن أن تؤدي هذه التصفيات النهائية إلى عدم الحاجة إلى شحن البطاريات، ويمكن أن تؤدي الهوائيات ذات رقعة صغيرة دوراً مزدوجاً: الاتصالات وجني الطاقة، ويمكن أن تتحول تصميمات العجلات التي تستخدم أجهزة التصحيح المدمجة في شبكة التغذية إلى قوة RF إلى العاصمة.

الاستخبارات الفنية وذكاء الطنين

يمكن أن تتنبأ خوارزميات التعلم الماكنة بالتشكيل الأمثل للهوسة (الفرقة الترددية، المطابقة بين اللوم، اتجاه الشعاع) استناداً إلى نشاط وسياق اللبس، مثلاً عندما يركض المستخدم، قد يتحول الهوائي إلى طريقة أكثر قوة من التردد للحفاظ على موثوقية الرابط من خلال زيادة حركة الجسم، كما أن رصد الانقلابات السريعة ومراقبة الطاقة المتكيفة يمكن أن يحدثا أيضاً.

خاتمة

إن الهوائيات التي تبث في رقعة صغيرة قد تتحول من رقعة نحاسية صلبة على مواضع مرنة من الخزف إلى مواسير ممتدة ومجهزة بالأجهزة الاصطناعية وتختفي في ملابس يومية، وتظهر تطورها اتساع نطاق تكنولوجيا الطاقة التي يمكن ربطها من البداية إلى التصميم المركزي للمستعملين، واليوم، فإن هذه الخلايا تتيح للمراقبين الصحيين، ومتعقبي اللياقة، والثبط الذكية التي كانت تعمل قبل عقدين.