用于智能多频段 sub-6 GHz 5G 可穿戴通信应用的石墨烯基 MIMO 天线的设计与开发

会“说话”的智能服装

想象一件 T 恤，它可以悄无声息地将你连接到高速 5G 网络、监测健康状况或把你的设备互联起来——而无需硬质金属部件贴在皮肤上。这项研究描述了一种直接在牛仔布上用石墨烯制成的新型微型无线电装置。石墨烯是一种既高导电又极其柔韧的碳材料。研究展示了这种基于织物的天线如何在保持安全性和舒适性的同时，同时处理若干重要的无线频段。

从僵硬金属到柔性碳材料

传统手机和可穿戴设备中的天线通常由铜制成。尽管铜导电性好，但相对刚性，反复弯折会开裂，并带来成本和环境影响方面的担忧。对于服装和贴身设备，这些刚性金属部件会使佩戴不适，当织物折叠或拉伸时性能也可能下降。石墨烯由原子级薄的碳片构成，提供了另一种方案：它轻便、柔韧，并可像油墨一样印在织物上，使普通布料成为能够发送和接收无线信号的智能表面。

把牛仔裤变成 5G 网关

在该工作中，研究人员在一块牛仔布料上印制了一对小天线，形成一个两端口的“ MIMO ”模块——本质上是两根协作的天线，可提升数据速率和连接可靠性。选择牛仔布作为支撑层是因为它结实、舒适且对电磁波影响较小。通过将石墨烯精心塑造成环状贴片，并在导电背板中加入特殊的8字形缝槽，团队将设计调谐到若干不同的频段。这些频段包括许多 5G 网络使用的关键 sub-6 GHz 范围，以及所谓 X 波段的更高频段，后者可支持未来的短距离链路和传感功能。整套器件约邮票大小，厚度仅约 0.5 毫米。

设计如何提供多路通道

该天线并非依赖单一宽而模糊的频带，而是通过外形使电流在不同频率下自然形成不同的模式。从简单的圆形贴片出发，设计者改为环形，然后复制成双元件系统，最后在接地面上开出8字形缝槽。每一次变化都重新塑造了电流的流动方式，产生了几个分离良好的工作频段，而不是一个宽泛的混合峰值。测量显示在约 3.5、5.6、8.4 和 12.9 GHz 附近有四个主要谐振点，且两天线元件之间的互扰很低。较低的相互影响以及信号功率的均匀分配，对于在拥挤无线环境中实现可靠的 MIMO 工作至关重要。

印制、穿戴与人体测试

为了制造该器件，团队使用了类似于在 T 恤上印图案的丝网印刷工艺，但用的是石墨烯墨水而非彩色染料。墨水经热处理固化并连接上微小接头后，他们在空旷环境和人体胸前直接测量了天线的性能。佩戴时响应仅有细微变化，天线仍覆盖预期的 5G 及更高频段。在消声室中的辐射方向图测试表明，低频下覆盖接近均匀，适合在佩戴者活动时保持链路，而高频则出现更复杂的模式，但仍可用于专用应用。

评估体内安全性

由于这些天线直接贴在贴身衣物并靠近皮肤，研究人员仔细评估了人体吸收的射频能量量。通过建立皮肤、脂肪和肌肉等分层组织的计算模型，他们计算了比吸收率（SAR），这是衡量每公斤组织被转换为热能的功率的标准指标。在所有工作频段，包括主要的 5G 范围内，峰值 SAR 值在相对较高的发射功率下也远低于国际安全限值。较低频率下能量穿透更深但仍保持适中；较高频率下能量集中在更表层，进一步限制了内部暴露。

对日常可穿戴设备的意义

简而言之，该研究表明，一小块印有石墨烯的牛仔布补片可以作为一个多通道、支持 5G 的天线系统，能够随身体弯曲和移动并保持在严格的安全标准内。通过将柔性织物、碳基导体和精心雕刻的布局相结合，这一设计指向了未来将通信功能无缝集成到衣物中的可能性。人们或许不再需要绑着硬质设备，而是可以将连接性直接穿在日常衣着中。

引用: Al-Gburi, A.J.A., Mohammed, N.J., Saeidi, T. et al. Design and development of a graphene-based MIMO antenna for smart multi-band sub-6 GHz 5G wearable communication applications. Sci Rep 16, 12873 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42793-5

关键词: 可穿戴天线, 石墨烯电子学, 5G 通信, 智能纺织品, 以人体为中心的无线通信