Antenas flexibles para dispositivos portátiles
La llegada de las redes 5G con baja latencia, altas velocidades y gran capacidad ha facilitado la aparición de la «Cuarta Revolución Industrial«. Las redes 5G ayudarán a todas las industrias, incluidas las de imágenes en 3D, servicios de streaming, atención sanitaria y ciudades inteligentes. Además, se necesita una red 5G robusta para el funcionamiento eficaz de los dispositivos del Internet de las cosas (IoT). Uno de los principales impedimentos para el desarrollo de dispositivos IoT de nueva generación es la falta de flexibilidad de sus componentes debido a problemas de factor de forma y peso. Aunque ha habido muchos avances en la miniaturización, la flexibilidad sigue siendo una característica difícil de conquistar. Los avances tecnológicos en materiales de ingeniería han contribuido al progreso de la electrónica flexible.
Necesidad de antenas flexibles
Los mercados de dispositivos inalámbricos flexibles crecen con rapidez, en parte debido a la mayor demanda de dispositivos implantables y ponibles para sistemas de control sanitario y aparatos inalámbricos de uso cotidiano, como ordenadores portátiles y teléfonos móviles. En consecuencia, la demanda de antenas flexibles impresas ha aumentado considerablemente en los últimos años, sobre todo para aplicaciones biomédicas. Las antenas flexibles, en concreto, son un componente fundamental en el desarrollo de sistemas de control de constantes vitales in vivo, regulación de funciones orgánicas, interfaces cerebrales, sensores intracraneales, análisis continuo de la marcha y administración de fármacos, entre otras aplicaciones.
Para incorporar los artilugios a las superficies curvilíneas y los movimientos en constante cambio del cuerpo humano, el artículo debe ser conforme y físicamente flexible, cuando no elástico. Dado que la rigidez a la flexión de una estructura de película fina, que cuantifica su resistencia a la deformación por flexión, es aproximadamente proporcional a su grosor, reducir el grosor de la estructura es una forma eficaz de diseñar antenas flexibles.
Sustratos y materiales para antenas flexibles
Las antenas flexibles se construyen a partir de diversos sustratos y materiales conductores. El sustrato se selecciona por sus cualidades dieléctricas, su tolerancia a la deformación mecánica (flexión, envoltura y torsión), su potencial de miniaturización y su durabilidad en el entorno circundante. En comparación, el material conductor utilizado (en función de su conductividad eléctrica) determina el rendimiento de la antena, como la eficiencia de radiación.
El material del sustrato de la antena flexible debe tener una pérdida dieléctrica baja, un coeficiente de dilatación térmica bajo, una permitividad relativa baja y una conductividad térmica alta. Esta restricción está motivada por el requisito de una mayor eficiencia (en una serie de entornos) a expensas de aumentar el tamaño de la antena. El requisito de una constante dieléctrica elevada en antenas diminutas es una excepción a la afirmación anterior.
En la construcción de antenas flexibles se han utilizado con frecuencia tres tipos de sustrato: láminas metálicas, vidrio fino y polímeros o plásticos. Las láminas metálicas soportan altas temperaturas y permiten la deposición de compuestos inorgánicos; sin embargo, su rugosidad superficial y su precio desorbitado limitan sus aplicaciones. Aunque el vidrio fino es flexible, su fragilidad inherente limita su aplicabilidad. Los materiales poliméricos o plásticos son ideales para aplicaciones de antenas flexibles e incluyen polímeros termoplásticos no cristalinos, polímeros termoplásticos semicristalinos y de alta temperatura de transición del vidrio.
El desarrollo de patrones conductores con una conductividad eléctrica excepcional es fundamental en las aplicaciones inalámbricas para garantizar la eficiencia, la alta ganancia y el ancho de banda. La resistencia de los materiales conductores a la degradación debida a la deformación mecánica es otra característica deseable. Debido a su alta conductividad eléctrica, las tintas de nanopartículas (es decir, plata y cobre) se utilizan con frecuencia para construir antenas flexibles.
Métodos de fabricación de antenas flexibles
La eficacia de una antena flexible está controlada por el proceso de construcción (que varía en función del sustrato). La impresión por chorro de tinta, la serigrafía y la impresión 3D se utilizan con frecuencia para fabricar antenas portátiles flexibles.
La serigrafía es un método sencillo, rentable y viable para crear electrónica flexible. Se ha utilizado ampliamente para integrar antenas de identificación por radiofrecuencia mediante la pulverización de tintas o pastas conductoras sobre sustratos flexibles de bajo coste, como materiales textiles y papel, en una tecnología de pantalla tejida caracterizada por una gama de grosores y densidades de hilo. Una rasqueta se presiona contra la pantalla, poniéndola en contacto con el sustrato y creando un patrón impreso. Por lo tanto, el patrón requerido se crea mediante la expulsión de tinta a través de las partes expuestas de la pantalla sobre el sustrato adherido. Además, se trata de una técnica aditiva, similar a la impresión por chorro de tinta, en lugar de un método sustractivo, como el grabado químico, lo que la hace más rentable y respetuosa con el medio ambiente.
Las antenas flexibles son un componente vital para lograr la flexibilidad de los dispositivos electrónicos y son adecuadas para aplicaciones de detección y comunicación inalámbrica debido a su pequeño tamaño, mínimas tasas de fabricación, factor de forma inferior y flexibilidad para adaptarse a superficies no planas. Los materiales utilizados para fabricar antenas vienen determinados por los requisitos de la aplicación, como las consideraciones medioambientales y los gastos.
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