1成果简介
柔性可穿戴天线是实现身体域网络（WBAN）与可穿戴医疗成像设备实时无线数据传输的核心器件；然而传统金属（铜/银）导电贴片在反复弯折下易出现疲劳断裂，且与生物组织共形适配性不足，难以满足 5G 高频段下可穿戴与生物医学双场景的应用需求。石墨烯薄膜凭借高电导率、优异机械柔性与生物相容性，被视为替代传统金属贴片构建柔性天线辐射体的理想材料。本文，索哈杰大学 Nada M. Sayed等在《Scientific Reports》期刊发表名为"Graphene-based flexible antenna for wearable and biomedical devices"的论文，研究提出了一种面向 5G 网络可穿戴手臂与腹部成像设备数据传输的柔性石墨烯基天线。
该天线采用18 μm 厚的石墨烯薄片同时作为导电辐射贴片与接地辐射贴片，辐射贴片采用分形（fractal）结构以保证天线在弯折状态下仍具备足够的柔性；贴片构建于1.575 mm 厚的柔性聚酰亚胺（polyamide）基底上，使其适用于可穿戴应用。设计工作频段覆盖25.2–40.2 GHz（涵盖 5G 毫米波频段），并从辐射方向图、增益与天线反射系数三方面对所提设计进行了仿真研究与分析。此外，作者在发射与接收两副天线之间开展了时域信号分析，以模拟可穿戴设备的实时通信过程；建立了用于手臂通信的柔性 5G 天线三维模型与电磁特性分析；并将该设计应用于腹部场景，以复现真实生物环境、检测并追踪肿瘤在体内的生长与扩散。仿真结果表明，该天线对肿瘤引起的介电特性变化具备仿真可观测的灵敏度，尤其在肿瘤晚期阶段表现明显。该工作为基于石墨烯柔性导电贴片的可穿戴 5G 通信与生物医学肿瘤监测双功能天线设计提供了一条可行路径。
2图文导读
图1、The proposed flexible antenna, (a) front view, (b) 3D simulated view.
图2、3D radiation pattern of the proposed flexible antenna.
图3、Radiation efficiency versus frequency of the proposed antenna.
图4、Interaction with human hand, (a) human hand, (b) the antenna was placed flat, (c) curved without hand, (d) curved with hand.
图5、S11 parameter of the interaction with human hand.
图6、SAR distribution within the human tissue model at different operating frequencies showing increased absorption in the tumor region with all values remaining within safe limits, (a) with no tumor, (b) with tumor for the three stages.
3小结
本研究涉及一种工作频率范围为25.2–40.2GHz的柔性石墨烯天线的设计与实现。在对该天线进行独立评估以确定其基本电磁特性后，将其应用于人体的生物组织切片，具体为手部和腹部。手部模型的实验结果表明，该天线具有强大的生物系统交互能力，充分证明了电磁波对手部组织的影响。此外，该天线还展现出良好的增益和反射系数，证明了其在复杂生物环境中工作的高效率。当将天线应用于人体腹部时，在与腹部生物系统的接触方面也观察到了类似的行为。为了模拟实际的生物环境并追踪肿瘤在体内的生长和扩散，还向腹腔内植入了一个肿瘤。模拟结果表明，该天线对肿瘤引起的介电变化表现出模拟灵敏度，特别是在肿瘤晚期。基于这些发现，可以认为所开发的石墨烯基天线在人体内应用方面具有值得进一步探索的潜力，且需要通过实验进行验证，同时它与人体生物系统具有很强的交互能力。
文献：
https://doi.org/10.1038/s41598-026-58473-3
来源：材料分析与应用
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