收稿日期:2020-12-31
基金项目：国家自然科学基金(61971450,61801521)；湖南省自然科学基金面上项目(2018JJ 2533)通信作者：王蒙，讲师，研究方向为可重构天线及3D 打印天线等㊂E-mail :mwang 2@csu .edu 电子元件与材料
Electronic Components and Materials
第40卷Vol .40
第3期No .3
3月Mar
2021年2021冯代存
董㊀健，刘志福，王㊀蒙
(中南大学计算机学院，湖南长沙㊀410075)
保温炉
摘㊀要：增材制造(3D 打印)技术和液态金属结合可以快速制作出结构灵活㊁功能新颖㊁适用于不同场景的天线形式㊂本文设计了一款用于可穿戴手环的液态金属3D 打印天线，该天线工作在2.4,3.3和5.5GHz 三个频段㊂通过3D 打印技术加工出共形于人体手腕的介质基板和微通带空腔，然后用液态金属快速填充微通带空腔形成天线的辐射导体㊂利用全波仿真软件对天线结构和参数进行优化，验证了3D 打印基板厚度对天线辐射效率的影响以及天线辐射模式与人体组织间的相互影响㊂该设计概念性地验证了基于3D 打印技术和液态金属的天线在可穿戴及共形电子元件领域的应用，天线结构简单且易于加工，可根据实际应用场景制作出结构和性能更加灵活的天线㊂关键词：液态金属;3D 打印；可穿戴电子；多频带天线中图分类号:TN 82
文献标识码:A
DOI :10.14106/j ki .1001-2028.2021.1880
电容式料位计引用格式：董健，刘志福，王蒙.用于可穿戴手环的液态金属3D 打印天线[J ].电子元件与材料,2021,40(3):262-267.
Reference format :DONG Jian ,LIU Zhifu ,WANG Meng.3D printing liquid metal antenna for wrist -worn applications [J ].Electronic Components and Materials ,2021,40(3):262-267.
3D printing liquid metal antenna for wrist -worn applications
DONG Jian ,LIU Zhifu ,WANG Meng
(School of Computer Science and Engineering,Central South University,Changsha㊀410075,China)
Abstract :The combination of additive manufacturing (3D printing )and liquid metal filling techniques enables the rapid prototyping of antenna structures with flexible topologies and novel functionalities for various application scenarios.A 3D printed liquid metal antenna for wrist -worn application was proposed in this article.This antenna could work at three bands -2.4GHz ,3.3GHz and 5.5GHz.Such antenna was manufactured by 3D printing the substrate with hollow channels
conformal to the human wrist ,and then the channels were filled with liquid metal as the antenna radiating conductor.The effect of the thickness of the 3D printed wristband on the antenna radiation efficiency was analyzed through full wave EM simulations.The mutual interactions between antenna radiation and human tissues were also investigated.This fabrication method conceptually verifies that 3D printing and liquid metal filling techniques are suitable for applications of wearable and conformal electronics due to its rapid fabrication process.More flexible antenna structures with novel functionalities for practical scenarios can be manufactured using such combined techniques ,particularly in the area of wearable and conformal electronics.
Key words :liquid metal ;3D printing ;wearable electronics ;multiple -band antenna
董健，等：用于可穿戴手环的液态金属3D打印天线
㊀㊀近年来，增材制造(3D打印)技术因其快速制造定制化结构的性能成为研究热点㊂微波和射频工程师利用3D打印技术制造灵活复杂的3D微波射频元件[1-4]㊂3D打印技术通过直接3D打印金属结构(如金属波导)或者先打印轻质化的中间件，再对中间件金属化的过程来制造射频元件㊂Li等利用直接金属激光烧结的方式打印出多种喇叭天线[1]，然而直接金属打印的方式成本较高㊂另一种方式是利用3D打印技术打印出天线的基板，再在基板上喷涂或沉积金属导体形成天线辐射结构㊂Liang等用熔融沉积方法打印出贴片天线基板，再用超声波将金属网状结构附在基板表面形成天线的辐射结构[2]㊂Shen等用数字光处理技术打印出T型波导的中间件，然后用多步化学镀金属的工艺在中间件上镀银[3]㊂同时,3D打印结构的灵活性使其能共形于附着结构，因而受到可穿戴及共形电子设备研究者的关注㊂Sung等先打印出共形于人体手腕的天线基板，然后在基板上直接喷写导电墨水形成双通带天线[4]㊂然而，传统的化学沉积或喷墨的金属化方法较难控制金属层的厚度，需要多步骤的化学工艺处理过程，有时沉积不足或表面粗糙的金属层可能产生较大的表面阻抗，导致电阻损耗增加㊂因此，如何对3D打印基板金属化从而形成稳定可靠的天线辐射导体是加工过程中面临的挑战之一㊂
可重构液态金属为3D打印的中间件金属化提供了一种新途径㊂液态金属在室温下呈液态且无毒，具有
良好的导电性[5-6]㊂不同于传统工艺在3D打印结构表面附着金属层，用液态金属对3D打印结构金属化的过程更为直观高效㊂在3D打印的中间件结构中预留出天线导体的位置形成微流体通道空腔，然后用液态金属填充微流体通道即可形成天线的辐射结构[7]㊂Bharambe等用3D打印机制造出2ˑ2贴片天线阵和馈电结构一体化的基板，然后在真空环境中填充液态金属形成天线的辐射导体[8]㊂液态金属填充的3D打印结构可以根据需求精确地控制液态金属微流通道在天线结构中的位置以及横截面尺寸，从而实现特定的天线性能㊂另一方面，液态金属在外界压力下可以流动并且维持连续不变的导电性，液态金属的流体柔性和可变形性使得3D打印的天线结构形式更多样化㊂然而沉积或喷墨的金属层状态和位置在3D结构中是固定不变的，所实现的天线性能是固定的㊂Su等将zigzag和螺旋天线两种天线结构集成到一个3D打印的基板中，通过在微通道空腔内改变液态金属的形态从而实现不同的天线性能[9]㊂综上,3D打印和液态金属结合的技术可以实现适应不同场景和需求的天线结构㊂随着人体域网(BAN,Body Area Network)和物联网(IoT,Internet of Things)等通信技术的高速发展，通信系统对可穿戴及共形电子设备中的天线设计在结构共形㊁尺寸限制及多频带等方面提出了更严苛的要求㊂目前,3D打印与液态金属结合的技术在可穿戴及共形天线中的研究较少㊂然而，这项技术可以在较短时间内可打印出结构复杂灵活的天线基板，并且基板金属化的过程可用液态金属填充快速完成，在可重构和共形天线中有潜在应用㊂基于此，本文概念性地设计并验证了一款3D打印的可穿戴手环液态金属天线，该天线工作于2.4,3.3和5.5GHz三个频段，并且分析了3D打印的基板对天线效率的影响以及天线辐射与人体组织之间的相互影响㊂
1 天线结构设计
本文采用直观易实现的偶极子天线概念性地验证3D打印技术与液态金属(本文使用镓铟合金)结合的天线在可穿戴设备中的应用㊂天线结构如图1所示, 3D打印的椭圆形手环内有三对微通道结构㊂左右对称的偶极子天线结构分别有三个辐射枝节，最长的枝节(L1)产生2.4GHz的频带，中间长度的枝节(L2)产生3.3GHz的频带，最短的枝节(L3)产生5.5GHz的频带，中间馈电枝节的长度为L4，三个频率的调节彼此不受影响㊂手环的内外径选择了一个幼童手腕的典型尺寸，分别为14mm和26.6mm，手环厚度为D，圆形微通道的直径为d
电弧螺柱焊机
㊂
全自动保管箱图1㊀三频带液态金属3D打印天线
Fig.1㊀Topology of the3D printed tri-band LM dipole antenna
电热手套
在最终确定微通道的尺寸之前，需要先确定3D 打印光敏树脂在目标频率处的关键电参数，即相对介电常数(εr)和介质损耗参数(tanδ)㊂其中，相对介电
㊃362㊃
电子元件与材料
常数影响天线枝节的物理长度，介质损耗参数影响天线效率㊂利用Agilent N 5250A 测量3D 打印空心圆柱样本的传输参数(如图2所示)，计算得到光敏树脂的复介电常数㊂最后确定光敏树脂的相对介电常数和介质损耗参数在2~7GHz 的频率范围内分别为2.3~2.7和0.05~0.15㊂光敏树脂的介质损耗大于商业化板材的介质损耗，因此以3D 打印材料作为基板的天线效率将受到影响㊂在本文的天线结构中，天线效率对3D 打印手环的厚度(D )较为敏感㊂
利用电磁仿真软件仿真天线性能，天线的反射系数和天线效率对不同尺寸的误差敏感性如图3所示，最终优化后的天线参数如表1所示㊂天线的三个谐振频率分别由L 1㊁L 2和L 3决定，由图3可知，三个枝节长度对三个频率的调节是相对独立的，当枝节长度的变化在ʃ0.5mm 时，天线各谐振频率的变化不超过
4%，而目前大多数3D 打印机的精度远好于0.5mm ，因此3D 打印可以精准地实现仿真的天线长度㊂另一方面，天线手环的厚度从1.5mm 增加到6mm 时，仿真的天线效率从0.83降低到0.69，但是并未对天线的谐振频率产生显著影响㊂液态金属是良导体，而3D 打印的基板材料损耗较大，因此天线的效率主要受基板影响㊂从提高天线效率的角度出发，需要减小天线手环的厚度，但是手环厚度的选择又受制于微通道空腔的尺寸㊁天线结构形式和3D 打印的精度㊂因此，在实际加工中需要综合考虑以上因素选择合适的天线手环厚度㊂减小基板对天线效率影响的另一途径是开发具有较小介质损耗的3D 打印材料
㊂
图2㊀测量3D 打印空心圆柱的复介电常数
Fig .2㊀Setup for characterizing the complex permittivity of
3D printed cylindrical
sample
图3㊀天线谐振频率和效率对不同尺寸的敏感
Fig .3㊀Sensitivity of antenna resonance frequencies and efficiency to different antenna parameters
㊃
462㊃
董健，等：用于可穿戴手环的液态金属3D 打印天线
表1㊀手环天线的具体尺寸
Tab .1㊀Detailed parameters of the bracelet antenna
2㊀天线加工与实测
2.1㊀天线加工
相比传统地利用喷墨或者电化学沉积等方法对3D 打印中间件金属化的复杂工艺过程，液态金属化中间件这一过程可在数小时内快速完成
，并且不对天线加工者要求过多的工艺知识㊂
可穿戴手环天线利用ZRapid iSLA 600(stereo lithograph )打印机通过光固化打印技术打印出手环的椭圆形介质部分，打印精度高达0.05mm ㊂打印材料是透明的光敏树脂Crysta -7-2D ，这种透明的材料有助于肉眼检测液态金属在微通道内的填充情况㊂手环介质中预留出三组对称的偶极子空腔微通道，其后用针筒将液态金属推入微通道内作为天线导体㊂每个微通道枝节的末端都有通孔，通孔主要用于清除3D 打印过程中残留的光敏树脂液体，同时这些通孔也作为注入液态金属时的通气孔㊂将液态金属推入微通道后，需要用胶水将末端通孔堵住以防液态金属泄漏㊂3D 打印的三频带液态金属天线实物图如图4所示，偶极子天线的左右对称枝节之间留有一定空隙(G )以插入SMA 接头,SMA 接头的馈电和接地引脚分别插入左右枝节的微通道内㊂
图4㊀3D 打印的三频带液态金属天线Fig .4㊀A 3D printed tri -band LM antenna
2.2㊀天线仿真与实测
天线在自由空间中的仿真和实测S 11曲线如图5所
示,S 11测试曲线与仿真曲线基本吻合，天线工作在2.4,3.3和
5.5GHz 三个频率处㊂人体组织本身具有
一定的介电常数和电导率，会对00天线的频率产生影响并且降低天线效率，需要评估手环天线穿戴在手腕上时天线的工作频率㊁辐射方向图和天线效率等㊂本文采用了一个简易的三层人体组织模型来模拟实际的测试㊂人体组织模型包含肌肉(mm )，脂肪(mm )和皮肤(mm )三层模型，各层介质的相对介电常数㊁电导率和组织密度如表2所示[10]㊂图6所示为人体手腕模型的横截面以及手环天线穿戴在人体模型上的效果图㊂当手环天线穿戴在人体手腕上时，人体组织的介质加载效应使得天线谐振频率下移㊂如图5所示，当人体组织和手环之间无缝隙时，人体组织的介质加载效应最大，天线谐振频率偏移最大㊂当这一距离逐渐增大到2mm 时，天线谐振频率变小㊂因此，人体组织对天线谐振频率的影响与人体组织和手环之间的缝隙距离有关㊂
图5㊀三频带液态金属天线的频率响应
Fig .5㊀Reflection coefficients of the tri -band bracelet antenna
表2㊀人体组织各层的介电参数和组织密度Tab .2㊀Electrical properties and density of human
tissues layers
人体
组织相对介电常数
电导率(S ㊃m -1)
2.4GHz
3.3GHz 5.5GHz 2.4GHz 3.3GHz 5.5GHz 组织密度
(kg /m 3)肌肉52.751.748.8 1.7 2.39 4.61090脂肪 5.25 4.90.10.20.2911皮肤
38
37.2
35.3
1.4
1.91
3.4
1109
可穿戴设备中天线与人体组织是相互影响的，天线对人体组织的影响用比吸收率(SAR ,Specific Absorption Ratio )来表征,SAR 定义为人体在单位时间㊁单位质量吸收的电磁辐射能量，单位是W /kg ,
㊃
562㊃
电子元件与材料图6㊀穿戴在人体手腕上的液态金属3D打印天线
Fig.6㊀A3D printed tri-band antenna worn on the wrist
其定义如下:
SAR=σρE2(1)
式中:σ是人体组织的电导率;ρ是人体组织的密度;
E是人体组织中的电场强度㊂目前普遍采纳的SAR值
限定公众标准为平均每1g或10g的人体组织吸收不超
过1.6W/kg或2W/kg的电磁场能量[11]㊂SAR值的
大小与天线的辐射功率密切相关㊂利用全波仿真软件,
得到人体手腕结构在不同的天线输入功率下1g/10g的
最大SAR值(如表3所示)㊂因三个频率的天线辐射方
向图类似，图7仅给出2.4GHz时1g/10g人体组织在
天线辐射下的SAR值分布㊂相比其他天线结构[12],
本文主要概念性地验证3D打印和液态金属结合的天
线在可穿戴及共形电子元件中的应用，并未对液态金
属偶极子天线结构上做进一步优化以减小SAR值㊂
表3㊀不同输入功率下的人体SAR值
Tab.3㊀Human SAR values under different input power㊀W/kg
单位人体组织
0dBm10dBm
2.4GHz
3.3GHz5.5GHz2.4GHz3.3GHz
5.5GHz
1g0.100.170.09 1.02 1.690.93 10g0.040.060.050.400.560.50
图8所示为液态金属天线在自由空间和穿戴在手腕上时三个频率下的仿真辐射方向图㊂当天线处于自由空间时，其E面和H面的辐射方向图与传统的偶极
子方向图基本一致㊂当天线穿戴在人体手腕上时，天线后向的辐射能量被人体手腕组织吸收，天线辐射模式由全向模式变为定向辐射模式㊂
图7㊀ 2.4GHz时人体组织在1g/10g时的平均SAR值Fig.7㊀The average SAR values with1g/10g human tissues at2.4GHz 3 结论
本文概念性地验证并设计了3D打印与液态金属结合的天线在可穿戴元件中的应用㊂利用3D打印技术快速加工出共形于人体手腕的介质基板，然后用液态金属填充微通道空腔对3D打印件金属化形成天线的辐射导体㊂相比传统地对3D打印中间件金属化方法，用液态金属对中间件金属化这一工程更加高效和经济实用，并且金属层的厚度更加可控㊂本文设计的三频带天线工作于2.4,3.3和5.5GHz，并对天线在自由空间及穿戴在人体手腕上的频率和辐射性能进行了分析㊂天线的辐射效率主要受3D打印的基板材料影响，基板越厚天线效率越低，因此选择合适的基板材料(介质损耗参数)和厚度对提高天线效率
至关重要㊂同时，天线辐射性能和人体组织之间相互影响，人体组织介质加载效应使天线频率下移并且使全向的天线模式畸变为定向模式，这一效应可以通过优化天线结构(加大金属地的面积等)或增加人体组织与手腕天线之间的距离减弱㊂综上，本文较全面地分析了3D 打印和液态金属结合的可穿戴液态金属天线的加工和辐射特性，这种加工方式能快速制造出结构灵活且满足不同应用场景的可穿戴及共形天线㊂同时，天线性能的进一步提升需要改进天线结构和3D打印基板材料㊂
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