柔性天线无线通信：原理、现状与挑战
发布时间：2025-05-29 13:03 浏览量：3
《移动通信》 2025年第4期
“面向6G的可重构和可流动新型天线技术”专题—1
柔性天线无线通信：原理、现状与挑战
徐沁蕾，徐明明，江鹏，朱鹏程
（东南大学信息科学与工程学院，江苏 南京 210096）
【摘 要】随着物联网时代的到来，无线通信技术的发展日新月异，不同通信环境中有限空间的限制对天线性能的要求越来越高，柔性天线因其体积小、剖面低、重量轻等优势，在可穿戴设备、可折叠终端设备、无线传感网络等领域展现出巨大的潜力和研究价值。首先，概述了柔性天线阵列工作的基本原理与通信模型。接着，介绍了制造柔性天线的材料，从Wi-Fi柔性天线、近场通信柔性天线、超宽带柔性天线和柔性天线阵列这四个方面阐述了柔性天线在通信中的应用，探讨了基于柔性材料的可重构天线的性能以满足多功能可切换性的天线发展需求。最后，在现有的工作基础上，论述并展望了柔性天线在未来无线通信领域的应用场景和发展前景。
【关键词】无线通信；柔性天线；柔性天线阵列；可重构天线
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.20250214-0002
中图分类号：TN929.5 文献标志码：A
文章编号：1006-1010(2025)04-0002-11
引用格式：徐沁蕾,徐明明,江鹏,等. 柔性天线无线通信：原理、现状与挑战[J]. 移动通信, 2025,49(4): 2-12.
XU Qinlei, XU Mingming, JIANG Peng, et al. Flexible Antenna Wireless Communication: Principles, Status and Challenges[J]. Mobile Communications, 2025,49(4): 2-12.
0 引言
物联网将所有物品通过信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理，促进数据交换与共享，为人类生活和社会发展带来了极大的便利。信息通信技术是物联网发展的基础，其不断演进与完善为物联网的广泛应用提供了强大的支持。自20世纪70年代蜂窝电话系统的首次提出到当今人们熟练应用电磁波信号进行无线电通信，无线通信技术作为信息通信技术中的一个关键分支，不断更新迭代，朝着传输智能化、功能多样化的方向迈进。常见的无线通信技术有5G技术[1]、卫星通信技术[2]、蓝牙技术[3]、超宽带技术[4]、Wi-Fi技术[5]和RFID（Radio Frequency Identification，射频识别）技术[6]等。随着智能化技术设备的普及，人们对高质量、高效率通信的需求不断增长，涌现了许多方法如MIMO（Multiple Input Multiple Output，大规模多输入多输出）技术[7]、波束赋形技术和多址技术等来实现对无线通信技术性能指标的优化。随着技术的不断迭代，硬质材料电子器件已不能满足人类的需求，无线设备逐渐向柔性化、小型化、低姿态化和宽带化发展。于是，柔性电子的发展越来越广泛，柔性电子设备通常具有重量轻、便携、价格便宜和环保等特点。柔性天线是随着柔性电子的发展而提出的新型天线，由可拉伸的高效导电材料和轻质、抗氧化的柔性衬底材料制造而成，在无线通信系统中具有定向辐射或接收指定的电磁波、完成自由空间中传播的电磁波和传输线上传播的导行波之间的相互转换的功能[10]。将柔性天线集成到柔性电子设备中，能适应柔性电子设备向小型化、轻薄化方向发展，具有良好的兼容性[11]面对无线频谱资源紧缺、通信环境复杂的情况，亟待研究出一种新技术来满足无线通信系统多样性的要求。因此，“可重构天线”的概念被提出，旨在通过加载开关或者机械改变天线的辐射结构或尺寸，实现在同一个天线上多个状态功能的体现。通常情况下，天线可以用频率、方向图和极化来表征。频率可重构天线有利于跳频和动态频谱分配，方向图可重构天线可以通过降低带内干扰来增加信道容量，极化可重构天线具备极化分集的能力[12-13]。基于传统材料设计的可重构天线不能应用于曲面结构，柔性可重构天线弥补了刚性可重构天线的不足，实现了在具有弯曲表面形状的有限空间内的灵活部署。目前，在无线通信领域中，柔性无线设备的市场展现出显著的增长趋势，对作为其主要组件的柔性天线的需求也越来越大。在医疗方面，借助可穿戴设备可以实现微波断层扫描检测人体出血部位、实时监测血压和心率等人体生理参数并传送至医疗监控中心进行健康状况分析的功能，为了将设备集成到以曲线表面和动态变化运动为特征的人体上，设备需要具有较好的共形特性[14]。在生物方面，在柔性材料上实现的天线传感器可用于生物阻抗传感，将柔性天线集成于可穿戴设备中可用于生物遥测应用，这些设备有助于持续跟踪和监测佩戴者的实时生理信息，并通过身体通信或者离体通信的方式将信息传输至远程站用于数据分析，这类以人体为中心的通信设备需要确保SAR（Specific Absorption Rate，比吸收率）低于每千克1.6瓦[15]。在军事方面，通过将天线集成在士兵的作战服、作战帽和臂章等区域，实现天线与衣物的共形设计，搭配新型的智能作战终端，可以将位置、战情等信息实时反馈至总部并接收指令，提升士兵的作战能力[16]。随着通信技术的不断进步，未来更多的柔性电子设备会融入人们的生活，为人类带来更多的便利和安全保障。同时，柔性天线有望成为推动无线通信领域发展的重要力量，具有重要的研究意义和广阔的应用前景。本文探讨了柔性天线在通信领域的应用现状与未来趋势，主要贡献体现在以下几个方面：首先，本文介绍了柔性天线阵列工作的基本原理与系统模型。其次，本文综述了柔性天线所用的材料、柔性天线在通信中的应用和基于柔性材料的可重构天线的研究现状，从导电材料和基板两方面介绍了制造柔性天线的材料，论述了Wi-Fi、NFC（Near Field Communication，近场通信）和UWB（Ultra-Wideband，超宽带）柔性天线以及柔性天线阵列在通信领域的应用，介绍了频率、方向图、极化方式和结合多个辐射特性参数的可重构柔性天线的工作方式。最后，本文基于柔性天线发展现状，提出了柔性天线与MIMO、MA（Movable Antenna，可移动天线）和RIS（Reconfigurable Intelligent Surface，可重构智能表面）等相结合的应用场景与未来发展方向。
1 柔性天线原理与通信模型
1.1 基本原理
与传统的固定天线系统相比，柔性天线阵列系统可以通过天线形变来改变天线特性，从而对通信性能产生影响。具体而言，FAA（Flexible Antenna Array，柔性天线阵列）通过调整不同的折叠、弯曲、旋转角度，为天线提供了多样化的空间位置和辐射方向，在一定程度上提升了DoF（Degree of Freedom，天线自由度），对通信性能的改善具有积极意义[17]。1.2 系统模型
考虑一个多用户下行链路系统，该系统中每个BS（Base Station，基站）包含3个柔性天线阵列，每个柔性天线阵列配有 个天线，其中Nh和Nv分别表示水平和垂直天线的数量。1个FAA覆盖周围通信扇区的1个扇区，这些扇区具有通过中央处理单元联合处理所有用户信号以及独立处理其特定定向扇区内用户的信号的能力。假设在每个扇区中有K个用户，所有用户都配备了单个天线并且能够从BS中接收1个数据流，覆盖区域的总用户数为3K。通信系统模型如图1左侧所示。利用柔性基板或其他柔性天线技术，该系统可自适应调整每个FAA的形状。具体来说，研究了三种类型的FAA：具有可旋转、可弯曲和可折叠形状的FAA，如图1右侧所示。本文中的柔性仅被认为反映在水平方向上。
2 柔性天线的研究现状
2.1 柔性天线材料
柔性天线使用各种导电材料和基板制造。导电材料的选择一定程度上决定了天线的性能，基板的选择需要综合考虑其介电特性、对机械变形的耐受性、对小型化的适应性以及在不同环境条件下的耐久性。导电材料需要具备良好的导电性和抗机械变形能力，常见的导电材料包括纯金属[18–20]、镀金属织物[21-22]和导电油墨[23-24]等。基板需要具有低介电损耗、低热膨胀系数和高热导率，常见的基板包括纸[25]、PI[26]（Polyimide，聚酰亚胺）、PET[27] （Polyethylene terephthalate，聚对苯二甲酸乙二醇酯）和PDMS[28]（Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷）等。这些材料的选择和发展为柔性天线的性能优化与广泛应用奠定了基础。2.2 柔性天线在通信中的应用
近年来，随着物联网技术的兴起，人们与社会的联系越来越紧密。物联网是通过信息传感设备，按照规定的协议实现人与人、人与物、物与物之间全面互联的网络，其核心理念是使物体具备感知和通信能力。随着通信技术的不断迭代，无线终端逐渐向柔性化和小型化发展。柔性和小型化以及低轮廓的特点使天线能够适应各种形状和尺寸的设备。柔性电子设备结合物联网在通信中的发展与应用，成为国内外专家研究的热点。
（1）Wi-Fi柔性天线
Wi-Fi又称无线宽带，是采用IEEE802.11系列标准将多个终端通过无线方式互连的技术。其无线特性让整个网络不需要考虑复杂的布线问题，大大节约了网络布线的费用。Wi-Fi融合了OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）和MIMO技术，信号的传输速率可达到更高的标准，热点覆盖半径可以达到100英尺，具有很大的覆盖面。目前，Wi-Fi的工作频段通常为2.4 GHz、5 GHz和6 GHz。基于柔性电子设备实现无线通信的需求，Wi-Fi频段的柔性天线宽带化和小型化的研究引起了广泛的关注。
文献[29]提出了一种CPW（Coplanar Waveguide，共面波导）馈电的圆形双频带Wi-Fi柔性天线，该天线采用开口环谐振器结构代替传统的单极贴片，由外开口环中的电流探头供电，内开口环感应来自外开口环的循环表面电流，电荷在两个环之间的间隙上累积并形成大电容，实现2.45 GHz和5.5 GHz的辐射频段，适用于可穿戴设备进行远程医疗监控。文献[30]设计了一种柔性双频段缝隙天线，该天线以PI为基底，由矩形槽和两个相同的连接到内圆周的短截线组成，在2.45 GHz和3.5 GHz的频带处实现超过4 dB的增益，适用于可穿戴设备。文献[31]利用3D打印允许创建复杂和定制的天线结构的优势，提出了一种构建在柔性Ninjaflex基板上、几何形状为带有三个不同尺寸六边形环形散热器的倒置的T形条带的3D柔性多频段天线，该天线允许在5.70 GHz、27.30 GHz和34.30 GHz的谐振频率下工作，同时应用于Wi-Fi频段与毫米波频段，仿真结果表明，该天线具有良好的阻抗带宽、增益和效率。
（2）NFC柔性天线
近场通信技术基于无线射频识别技术演变而来，是一种允许设备之间进行非接触式的点对点数据传输的短距离的高频无线通信技术。NFC的工作频率为13.56 MHz，工作距离小于10 cm，工作模式为NFC终端作为识读设备、NFC终端作为被读设备和NFC终端之间的点对点工作[32]。NFC技术具有无线传输、带宽高和能耗低的优势，提供了不同设备间的轻松连接并实现近场通信。柔性NFC的实现方式主要有三种类型，第一种设计方式为将金属材料或者导电柔性材料与柔性衬底相结合，这种方式既能保持天线的性能，又能提高天线的弯曲度以适应不同的应用环境。文献[33]提出了一种集成了压力传感器的基于NFC的柔性可穿戴天线，由两个集成于PDMS柔性衬底的平面螺旋线圈组成，底部线圈与同轴电缆连接并用作接收器，上部线圈装有压力应变传感器并用作标签，以保形形式很好地附着在人体上，该天线可将周围环境的压力变化反映在天线谐振的偏移上。
第二种是基于3D结构设计的柔性NFC天线。文献[34]提出了一种3D结构软封装策略，用于改进柔性NFC天线性能，这种策略主要思路是将可拉伸的基底预拉伸至一定程度时在该应变状态下加入软封装层，利用3D打印技术在预拉伸的基底上制作天线结构，将另一层可拉伸的基底覆盖在天线结构上并用热处理固化粘合剂，最后将封装好的天线恢复到无应变状态，这种方法能够实现在复杂曲线表面上拉伸性的实质性增强。
第三种是基于纳米材料设计的柔性NFC天线。文献[35]分析了使用不同载体基板的柔性NFC天线性能，相比于印刷的基于银和铜的NFC天线，在柔性基板上印刷导电油墨制成的NFC天线具有更低的成本、更强的鲁棒性和更高的环境兼容性。文献[36]提出了一种在PET柔性衬底上使用导电银油墨制造的集成远场和近场通信天线，天线远场段工作频段为1.8 GHz至2.1 GHz，双环NFC天线工作频率为13.56 MHz，具有近全向辐射模式，可用于3G、4G和LTE等移动设备。文献[37]设计了一种基于高导电石墨烯组装膜的柔性NFC标签天线，利用激光雕刻的方法在PET基板上制作尺寸为80 mm×50 mm的天线，谐振频率为13.70 MHz，具有2.5 MHz的10 dB带宽。该天线能够与商用NFC微芯片集成，表现出优异的机械稳定性和变形不敏感性。
（3）UWB柔性天线
超宽带技术是一种不需要载波并采用窄波脉冲通信的短距离无线通信技术。即使在较低的发送功率下，UWB通信速率每秒可达到数百兆比特，适用于近距离、高速度的无线通信，能够实现精确的室内定位，工作频段为3.1 GHz至10.6 GHz[38]。因此，不少学者尝试将柔性UWB天线集成到电子设备中，以实现高质量无线通信。针对便携式、小型化和高效的医疗设备对于实时监测危重患者的需求，文献[39]设计了一种嵌入多个柔性超宽带天线元件的监测背心，基于检测嵌入在背心中的几个身体上天线之间的UWB无线电信道特性的差异判断患者患乳腺癌的区域。文献[40]将5×5超材料晶胞的阵列图案与由梯形微带线和三角形开槽部分接地面馈电的半圆形贴片天线集成，其峰值增益与无覆盖层的天线相比增加了1.53 dBi，工作带宽范围扩展为4.03 GHz至14 GHz，该天线具有在曲面上的鲁棒性和实用性，具有人体可接受的SAR，适用于便携式医疗设备。
针对可穿戴超宽带天线的耐磨性、紧凑性、与人体兼容性的要求，文献[41]提出了一种CPW馈电的UWB柔性天线，由介电常数为3.5的薄PI制成，厚度为0.05 mm，通过改变接地平面中的矩形狭缝来实现更宽的带宽和更小的回波损耗，易于集成到服装中。文献[42]设计了一种可穿戴柔性UWB天线，由厚度为0.5 mm、介电常数为1.5的棉基底材料制成，工作带宽在3 GHz至10.5 GHz范围内，最大增益为3.47 dB。
为进一步提升天线的工作效率，可以从天线辐射贴片结构、基底和导电材料的选择这些方面进行优化[43–47]。文献[43]将牛仔布作为柔性天线基底，辐射贴片改为八边形结构来增加天线长度，实现最大增益提升1.47 dB，方向性提升0.78 dB。文献[44]同样将牛仔布作为柔性天线基底，在天线的辐射贴片顶部引入六边形槽增加边缘处的电场分布来提高带宽，实现工作频段为2.9 GHz至10.9 GHz。文献[45]比较了使用PDMS和牛仔布为基底的柔性微带天线的性能，所选的PDMS和牛仔布衬底的厚度为1 mm，介电常数分别为2.65和1.78，损耗角正切值分别为0.02和0.085，实验结果表明使用PDMS衬底设计的天线SAR值较低，在弯曲和潮湿环境条件下均表现出良好的性能稳定性，相比于牛仔布更适合应用于UWB柔性天线的制造。文献[46]提出了一种基于高导电石墨烯组装膜的微带馈电超宽带单极天线，将PDMS作为衬底，由50欧姆微带线馈电，其接地板采用DGS（Defected Ground Structures，缺陷接地结构）设计，使馈线两侧电流集中，从而扩大带宽、提高辐射效率。文献[47]提出了一种具有类似单极子辐射方向图的简单共形UWB天线，该天线使用导电织物嵌入PDMS聚合物中进行制造，其辐射结构由具有两个矩形槽的主环形贴片周围同心环绕两个附加环形成的组合圆形贴片组成，通过激励组合环形加载圆形贴片天线的四种工作模式TM01、TM02、TM03和TM04来实现全向辐射特性，仿真实验验证了天线的共形能力与UWB脉冲传输的性能。在UWB频段内，存在部分窄带系统与UWB系统共用相同频谱，例如WiMAX、WLAN和X波段等，这些窄带的信号可能会对UWB系统造成干扰，进而降低通信质量。因此，在UWB系统中引入陷波特性以降低这些干扰是必要的。文献[48]设计了一种新型双频带陷波的UWB柔性天线，利用两个三角形螺旋槽DGS实现了双缺口带，分别为2.4 GHz至3.7 GHz和5.15 GHz至5.725 GHz，以有效抑制WLAN、WiMAX和HyperLAN/2等频段的干扰。文献[49]设计了一种具有三陷波特性的可弯曲UWB天线，该天线将银纳米油墨作为导电材料，PET作为基底，在辐射贴片上引入一个“U”形槽和两个“C”形槽，实现WiMAX、WLAN和X上行频段的陷波特性。为了减少制造UWB柔性天线过程中产生的环境污染，文献[50] 利用高效的等离子体烧结技术，通过喷墨印刷在柔性PET基底上产生导电图案，在天线的辐射贴片上引入三个不同尺寸的嵌套“C”形槽来实现陷波特性，该天线的工作频段为2.9 GHz至10.61 GHz，同时屏蔽了WiMAX、WLAN和X上行频段的干扰。
（4）柔性天线阵列
面对越来越复杂的网络环境，对高效信号传播的需求越来越大，人们往往不满足于柔性单单元天线在无线设备中的集成。因此，通过扩展柔性元件的概念，产生柔性天线阵列，其柔性基板允许阵列结构变形。与单单元柔性天线相比，柔性天线阵列具有增强波束转向能力、改善信号强度和覆盖范围、适应干扰和恶劣环境的优势[51]。在柔性天线阵列具有弯曲结构方面，文献[52]设计了一种宽带柔性超表面天线阵列，该2×2交叉天线阵列由两种镜像对称类型的受超表面启发的天线元件组成，保持了超过84%的工作带宽以及带内带外超宽带RCS（Radar Cross Section，雷达截面）的降低，适用于曲面隐身平台。文献[53]提出了一种可弯曲的宽带双极化低剖面共形相控阵天线，该天线阵列采用行模块化架构，基于宽带低剖面双极化倒F馈电堆叠贴片的天线元件采用八排四个的排列方式，天线孔径和共形相控阵的有源元件都考虑了弯曲，在10.7 GHz至12.75 GHz的频率范围内的VSWR（Voltage Standing Wave Ratio，有源电压驻波比）小于3。由于柔性天线超薄结构的限制，很难在保持定向辐射的同时实现超宽带宽，文献[54]提出了一种实现超薄和柔性UWB天线阵列的方法，天线由集成UWB阻抗匹配馈线的辐射层、具有芳族聚酰胺蜂窝结构的支撑层和具有柔性磁介电材料基板的基底层组成，应用于6 × 6阵列中，其工作带宽可以覆盖2 GHz至18 GHz，并表现出良好的辐射特性。
在折叠结构方面，文献[55]提出了一种新型、低成本、基于窗帘的柔性UHF（Ultra High Frequency，超高频）天线阵列，能够在折叠的情况下在任意方向上进行有效的波束成形，利用光学和RF（Radio Frequency，射频）方法联合进行室内定位，研究结果表明该天线阵列具有超过10 dB的增益与1.7 cm至5 cm的室内定位精度。为进一步优化无线通信系统的信号传输，可以考虑波束管理技术和多输入多输出技术。文献[56]提出了一种用于5G微基站应用的以PDMS聚合物作为基底的圆柱共形阵列天线，该天线阵列由5个切比雪夫柔性LAA（Linear Array Antenna，线性阵列天线）组成，通过一个功率分配器和三个射频半导体开关组成的馈电网络激励LAA，实现波束切换。文献[57]提出了一种基于ANN（Artificial Neural Network，人工神经网络）的波束可重构柔性SIW（Substrate Integrated Waveguide，基片集成波导）缝隙阵列天线，利用ANN优化最佳缝隙位置和间距，通过三种不同的折叠状态实现波束可重构，在24 GHz附近实现大约15 dB的增益，是一种具备波束重构能力的高增益天线。
MIMO等多天线技术能够提升数据传输速率、抵抗多径干扰和减少能耗，将MIMO技术应用于可穿戴设备时，对设备紧凑性的需求可能导致天线元件间的高干扰。因此，在设计高性能可穿戴多天线系统时，需要解决因辐射元件间耦合而引起的系统内电磁干扰问题。文献[58]设计的天线阵列由在柔性基底上实现的三角形辐射元件的2×2矩阵组成，辐射器之间插入EBG（Electromagnetic Bandgap，电磁带隙）去耦结构，辐射元件内部蚀刻亚波长槽，增加阵列的有效孔径，显著改善带宽的性能，实验表明该天线阵列具有34.8 dB的天线间隔离度、平均增益为9.50 dBi的宽带性能和平均辐射效率为80%的理想特性。
为进一步提升无线通信系统的灵活性，可以将多极化和多频段柔性天线应用于无线通信中。文献[59]提出了一种加载AMC（Artificial Magnetic Conductor，人工磁导体）的可穿戴薄型柔性双极化天线阵列，该天线是双端口贴片天线阵列与12×4的AMC阵列组合，通过激励贴片上的两个端口实现双极化特性，该天线的工作频率为5.8 GHz，具有人体可接受的SAR值，是5 GHz可穿戴应用的合适候选。文献[60]提出了一种薄柔性基板上毫米波双频段4×1堆叠贴片天线，通过在天线的接地平面上添加环形槽实现28 GHz和38 GHz的工作频率切换，该天线阵列在低频带实现了11 dBi的增益，在高频带实现了11.85 dBi的增益，充分发挥毫米波频段宽带宽和高速数据传输的优势，为毫米波移动通信提供了实用的解决方案。
柔性天线因其独特的物理特性，在多种无线通信技术中展现出广泛的应用潜力。无论是Wi-Fi柔性天线、NFC柔性天线、UWB柔性天线，还是柔性天线阵列，它们都在通信中发挥着显著的优势。这些不同类型的柔性天线，通过其多样化的结构和材料选择，满足了各种特定的应用需求。然而，不同基底类型和天线结构的选择会对柔性天线的性能产生显著的影响，为了更直观地展示这些差异，表1列举了不同基底类型和天线结构的柔性天线性能比较，详细对比了它们在工作频段、增益和辐射效率等指标上的表现。
2.3 基于柔性材料的可重构天线
未来的无线通信系统要求天线具备多功能性、适应性和灵活性，可重构天线技术提供了一种突破传统天线限制的方案，通过光电调谐、机械调谐、利用特殊材料等方式改变天线辐射结构或介质基板参数，使天线实现工作频率、方向图、极化方式等一个辐射特性参数或多个辐射特性参数的可重构[64]，从而减小系统总体尺寸、降低成本和复杂度，同时提升系统性能。目前，大多数可重构天线具有较大的尺寸和刚性的结构，柔性天线只具有固定的辐射特性。因此，将可重构天线与柔性天线相结合的研究是有一定的意义。（1）频率可重构柔性天线
频率可重构性使天线具有在特定频段内工作的能力，并排除其他频段的干扰，这种天线能动态地调整其谐振频率，实现宽频带跨度的辐射。文献[65]设计的天线具有独立频率可调谐的双频段特性，采用柔性共面重构模块控制变容二极管的偏置电路，调节变容二极管的结电容以改变天线的谐振频率。文献[66]提出了一种柔性低剖面双陷波可重构天线，该天线印刷在PI基板上，通过在辐射贴片上蚀刻U形和Ω形槽实现WiMAX和WLAN或国际卫星频段的陷波特性，利用在每个槽中心分别放置的一个PIN二极管的开合实现四种频率可重构模式，最终覆盖2.6 GHz至13.7 GHz的可重构工作频段。文献[67]在PI基底上设计了一种数字调谐柔性可重构天线，该天线采用CPW馈电，DTC（Digitally Tunable Capacitor，数字可调电容器）置于馈电CPW线上的分流位置，通过改变DTC数字5位二进制输入以调谐其电容来实现频率调谐，可在LoRa、GSM和ISM频段工作。
（2）方向图可重构柔性天线
方向图可重构天线是在保持天线物理孔径不变的情况下，通过改变天线孔径场分布来改变天线方向图辐射方向的天线[68]。方向图可重构天线具有提高系统性能、降低噪声或电子干扰和提高系统安全性的能力。文献[69]设计了一种利用电感加载的贴片天线，通过射频开关二极管控制短截线与贴片连接的通孔，在零阶模式或＋1模式下谐振，分别产生定向和全向辐射方向图，并且该天线由纺织材料制成，使用厚度为3 mm的毡作为基底，可集成于可穿戴设备。文献[70]提出了一种共形动态方向图可重构天线，天线使用柔性的PDMS导电织物复合材料制造，利用PIN二极管控制全向辐射和定向辐射方向图的切换，二极管导通时天线电流流通矩形槽的中心辐射全向方向图，二极管关断时天线电流围绕矩形槽流动辐射定向方向图，通过实验验证了该天线具有在弯曲条件下的抗变形性和辐射稳定性。文献[71]研究了天线在不同弯曲程度下的回波损耗、接收功率和半功率波束宽度的变化，设计一种以PI为基底、EGaIn为导电油墨的共形弯曲柔性天线，从而实现方向图可重构特性，应用于处理接收和发射天线之间波束指向失准的问题。
（3）极化可重构柔性天线
天线的极化状态分为线极化、圆极化和椭圆极化，极化可重构天线可以动态改变不同的极化状态，具有增强系统容量、减轻极化失配、减少信道干扰等优点[72]。文献[73]在毡基底上开发了一种工作在2.3 GHz至2.5 GHz频段的极化可重构纺织贴片天线，当拆下Velcro或者拉开拉链时，天线实现从线极化模式到圆极化模式的切换。文献[74]设计了一种使用EGaIn的具有极化可重构性的透明柔性天线应用于可穿戴设备，该天线的基板由两层PDMS组成，缝隙天线在其间构建微流体通道，通过物理机制控制液态金属EGaIn在通道中的流动实现左旋圆极化、右旋圆极化和线极化状态的改变。（4）混合可重构柔性天线
上述研究仅针对柔性可重构天线的频率、方向图和极化的单个参数进行讨论，当对柔性天线的多个特征参数同时进行可重构时，该天线被称为混合可重构柔性天线，例如频率与方向图可重构天线、频率与极化可重构天线。多个特性的可重构性相较于单一特性展现出更高的灵活性和多样性，为天线的研究开辟了一个新的领域。文献[75]设计的天线具有使用CPW馈电的三角形和半圆形辐射元件，在三角形单极子天线顶部添加两个由PIN二极管加载的L形短截线，通过改变两个PIN二极管的导通和关断状态，实现频率和方向图的可重构。文献[76]提出了两种混合可重构柔性天线，天线中放置三个相同的变容二极管位于中心馈电贴片上，通过控制变容二极管的偏置电压改变天线的模式，第一种天线能够实现宽面辐射方向图和全向辐射方向图之间的切换，工作频率分别为1.45 GHz至2.55 GHz和2.1 GHz至2.53 GHz；第二种天线能够实现0°、120°和240°线极化模式之间的切换，模拟谐振频率可以从1.92 GHz至2.63 GHz调谐。
3 柔性天线的未来发展与应用
3.1 柔性天线与MIMO相结合
在当今快速发展的信息社会，无线通信技术的重要性日益凸显，呈现出前所未有的增长态势。在5G通信系统中，MIMO天线占据了至关重要的地位，它们能够显著提升数据传输速率、大幅降低延迟，并增强通信的可靠性。然而，由于体积的小型化要求、超宽带宽的覆盖需求以及高增益性能的追求，MIMO天线的设计面临着一系列复杂而严峻的挑战。为了克服这些障碍并提高下一代无线网络的性能，柔性天线的研究成为一个解决方案[77]。天线元件间的相互耦合是MIMO技术面临的主要问题之一，尤其在空间受限且尺寸紧凑的设备中，降低天线间的耦合难度较大。目前，采用缺陷接地结构、电磁带隙结构以及寄生元件等方法可有效减少多天线系统中的相互耦合。在可穿戴设备领域，天线需在形变下保持性能稳定，这促使MIMO技术与柔性天线的结合成为一种可行方案[78–80]。因此，未来研究方向可聚焦于开发既能减少耦合又能满足小型化需求的天线结构设计。3.2 柔性天线与可移动天线相结合
可移动天线因其能够通过天线移动来积极影响空间信道路径的特性，实现建设性或破坏性路径干扰和路径正交等效果，这些效应统称为修改信道条件。通过利用天线位置优化中的新自由度来增强可移动天线阵列的波束成形。
可移动天线技术的发展主要集中于优化天线位置和参数来达到提高系统性能的效果，针对不同通信的需求，应用于实际环境中仍面临一定的挑战。传统的可移动天线在动态环境时需要不断移动天线位置以实现最佳性能，但频繁地移动和弯曲容易导致天线损坏，进而影响其长期性能。柔性天线凭借可弯曲、可折叠的特性，能够弥补可移动天线的不足，显著提高天线的耐用性。此外，将柔性天线的特性与可移动天线的特性相结合，并引入联合预编码，能够同时优化天线位置和形状，从而改善信道条件。然而，这种方法往往会增加算法的复杂度，因此，设计出高性能且低复杂度的联合优化算法将是未来研究的一个重要方向。
3.3 柔性天线与可重构智能表面相结合
可重构智能表面作为6G通信的关键技术之一，近年来得到了广泛的关注和研究。RIS所带来的额外的分集增益和空间自由度导致了各个领域的大量研究，包括信道估计、预编码、波束成形、物理层安全、干扰消除和定位等。文献[81]设计了一种高性能、低复杂度的RIS辅助FAS（Fluid Antenna System，流体天线系统）联合波束成形方法，利用RIS辅助通信，在相对较低的复杂度下显著提高了联合波束成形性能。文献[82]则提出了FAS接收机的RIS辅助通信性能，具体实现方法为固定单天线基站在没有直接链路的情况下通过RIS向配备平面流体天线的移动用户传输信息。文献[83]提出了一种基于迭代分数规划算法来解决涉及BS波束成形、RIS的反射系数值和MA位置控制的联合优化问题。
柔性天线阵列技术与RIS相结合，能够解决设计波束成形和FAA形状控制等复杂问题，更进一步地融合了位置控制的联合优化策略。但是，在一些复杂的移动通信场景下，通常需要频繁的信道估计来处理快速时变信道，联合优化的算法求解较为困难。对此，可以采用深度强化学习算法来完成困难的联合设计与求解，自适应优化RIS辅助柔性天线阵列系统的参数，提高算法效率，降低复杂度和通信开销[84]。4 结束语
随着物联网与无线通信技术的不断更新发展，对天线的多功能性、小型化和柔性的研究需求日益增长。柔性天线因其多功能、体积小和柔性好等显著优势，逐渐受到深入研究和广泛应用。本文主要论述了柔性天线技术及其在未来无线通信领域的应用。首先，引入柔性天线的基本原理与系统模型，说明了柔性天线阵列系统在通信中的优势。其次，从柔性天线的材料、柔性天线在通信中的应用以及柔性可重构天线这三个方面，阐述了柔性天线的研究现状。最后，结合现有柔性天线的应用场景，对其未来的应用与发展进行了论述和展望。柔性天线将会进一步推动通信技术的变革，助力通信技术面向未来更加复杂的场景的应用需求。
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徐沁蕾：东南大学移动通信全国重点实验室在读硕士研究生，主要研究方向为大规模MIMO、柔性天线、波束赋形。
徐明明：东南大学移动通信全国重点实验室在读硕士研究生，主要研究方向为多天线系统、柔性天线、波束赋形。
江鹏：东南大学移动通信全国重点实验室在读博士研究生，主要研究方向为无蜂窝MIMO系统、节能通信、大规模MIMO波束赋形。
朱鹏程：东南大学移动通信全国重点实验室教授，博士，主要研究方向为5G/6G移动通信系统、大规模MIMO、高可靠低时延通信等。
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