得益于第五代移動無線通信（5G）的高速、大容量以及低時延的優勢，物聯網（IOT）正慢慢進入各行各業，如下圖1所示。下一代物聯網的設備在小型化上已經有了長足的發展，其目前瓶頸在于設備的柔性。柔性電子設備具有重量輕、可便攜、便宜、環境友好和一次性的優點。圖2展現了在柔性電子設備領域的多種應用。柔性無線設備作為通信設備，其天線設計也起著居中輕重的作用。
柔性無線設備的市場正在迅速增長，部分原因是對健康監測系統和日常生活無線設備(如手機、筆記本電腦等)的可穿戴和植入式設備的需求。柔性天線是實現體內生命體征監測、器官功能調節、神經接口、連續步態分析、顱內傳感器、藥物輸送系統和其他功能的主要組成部分。為了將設備集成到以曲線表面和動態變化運動為特征的人體上，設備必須具有共形特性和物理柔性，甚至可拉伸。由于表征其抗彎曲變形的薄膜結構的彎曲剛度大致與其厚度的立方成正比，因此減小結構的厚度是柔性/可彎曲天線的有效手段。
天線的選擇和設計取決于工作環境、傳輸功率和工作頻段。此外，天線的性能取決于所使用的材料、所采用的制造技術的類型和基板特性。在此背景下，本文綜述了柔性天線所使用的導電材料、介質基板、柔性天線不同制造技術及其應用的研究趨勢，指出了柔性天線研究面臨的挑戰和未來發展方向。
線主要由導電材料和介質基板組成。介質基板的選擇基于其介電常數、機械變形的耐受性、小型化特性和外部環境中的耐久性。而導電材料（導電率）決定了天線的輻射性能。
在柔性天線中，天線走線方式和具有優異導電性能的材料是實現天線高增益、效率和帶寬的關鍵。納米顆粒油墨（銀和銅）因其高導電性，通常用于制造柔性天線。除了納米顆粒，除了納米粒子，電紡材料，如鍍鎳/鍍銀，Flectron(鍍銅尼龍織物)和非織造導電織物(NWCFs)一般用于柔性天線。
圖3顯示了用不同導電材料制作的天線。聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)和聚苯乙烯磺酸鹽(PEDOT:PSS)等導電聚合物似乎是柔性和可穿戴天線的有前途的材料。通過添加碳納米管、石墨烯和碳納米顆粒，導電聚合物的低導電性得到了改善。石墨烯的柔性天線由于其良好的導電性和優異的機械性能而前景廣闊。柔性天線的性能在很大程度上依賴于制造的導電走線，這些導電走線在保持導電性的同時具有抗變形能力。為了適應機械應變和變形而不降低天線的性能，不同的可拉伸導電材料利用摻雜來提高其導電性。下表列出了用于制造柔性天線的不同導電材料及其導電性值。
用于柔性天線的介質基板需要擁有極小的介質損耗、低介電常數、低熱膨脹系數和高導熱系數。低介電常數的考量是為了提高天線的輻射性能而犧牲了尺寸，若有小型化的需求，則介質基板的介電常數需要增大。超薄柔性玻璃、金屬箔和聚合物材料經常出現在柔性材料的介質基板中。其中，薄玻璃雖然具有可彎曲性，但其固有的脆性限制了其應用。金屬箔可以承受高溫，并提供無機材料沉積在其上，但材料的表面粗糙度和高成本限制了其應用。聚合物材料是柔性天線應用的最佳材料，其中包括:(1)熱塑性半結晶聚合物: 聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)；(2)熱塑性非晶體聚合物: 聚碳酸酯(PC)和聚醚砜(PES)；(3)高玻璃化轉變溫度（Tg）材料:聚酰亞胺(PI)。
用于可穿戴目的的柔性天線具有獨特特點，如放置位置不能明顯，不同環境下的天線性能穩定性，機械穩定性以經受住洗滌和熨燙等嚴苛考驗。同時，由于具有低成本和易于制造的特點，紙質襯底已成為柔性天線的首選材料。表2顯示了用于柔性天線制造的常用基板及其介電常數、介電損耗和厚度值。圖4顯示了不同基板上的柔性天線原型。
圖4 天線模型：a）聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET），（B）聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）[70]，（c）聚酰亞胺，（d）液晶聚合物（LCP），和（e）紙基底。
柔性材料需要仔細選擇，以承受物理變形條件，如彎曲，拉伸，甚至扭曲，同時保持其功能。柔性天線需要低損耗介電材料作為其基底，并需要高導電材料作為導體，以實現有效的EM輻射接收/傳輸。
噴墨打印技術（Inkjet printing）是一種非接觸式的微米級印刷過程，可通過直接噴射納米尺寸的溶液在柔性或硬質基底上實現。在印刷方面，使用納米顆粒金屬油墨、石墨烯納米片油墨、金屬有機油墨。打印技術可分為兩種類型:按需滴墨(DoD)和連續噴墨。液滴按需打印頭使用壓電或熱元件對油墨施加加壓脈沖，在需要時從噴嘴中驅動液滴。印刷質量由噴射波形、噴嘴的噴射電壓、噴射頻率、墨盒溫度、壓板溫度(基材放置的位置)和圖案分辨率控制。天線設計打印完成后，需要進行燒結，去除溶劑和封蓋劑，獲得導電性。噴墨印刷柔性天線的打印分辨率取決于基板的表面粗糙度。對于光滑的基材，如聚酰亞胺，PET, PEN, LCP，相紙等，可以實現出色的圖案分辨率。對于可穿戴的柔性基材，如編織的電子紡織品，通常具有不均勻的表面，高分辨率實現仍然是一個挑戰。對于可穿戴/柔性天線的制造，主要采用拼接、刺繡和基片集成波導基(SIW)方法。絲網印刷是制造柔性電子產品的一種簡單、快速、經濟、可行的方法，通過在PET、紙張和紡織基板等低成本、柔性基板上印刷導電油墨或漿料。編織篩網具有不同的厚度和線密度。刮板刀片向下驅動，迫使絲網與承印物接觸，從而產生印刷圖案。因此，通過在所貼承印物上的屏幕的暴露區域噴射油墨形成所需的圖案。與化學蝕刻的減法工藝相反，它也是一種像噴墨印刷一樣的加法工藝，這使得它更具成本效益和環境友好性。與其他柔性天線制造技術相比，絲網印刷具有成本效益。然而，該方法存在分辨率依賴于襯底表面質量、層控制受限、導電層厚度控制不足等局限性。圖6顯示了使用絲網印刷工藝和樣品原型的柔性天線的制造。
圖5 絲網印刷天線的示意圖。
3D打印技術能快速制造各種材料的復雜3D結構，聚合物、金屬、陶瓷甚至生物組織等柔性材料都能用作3D打印。聚合物，如熱固性和熱塑性塑料，為最常見的3D打印材料。常見的聚合物打印技術有熔融沉積建模(FDM)、立體光刻(SLA)、光處理(DLP)和材料噴射(MJ)。最常見的3D打印技術是FDM。在FDM中，長絲被送入打印機的噴頭，加熱噴嘴的電機驅動長絲熔化它。然后，打印機將熔化的材料放置在一個精確的位置，在那里冷卻并固化。天線的輻射體用可拉伸的銀導電膏刷涂(圖6b)。該天線在平面和彎曲條件下的無線性能令人滿意。特定比吸收率(SAR)模擬驗證了其在可穿戴應用中的應用。該天線阻抗帶寬為990 MHz (1.94-2.93 GHz)， 2.45 GHz時峰值增益為−7.2 dBi。
圖6 3D打印天線的例子。(a)基于NinjaFlex基板的方形貼片天線， (B)基于3d打印基板的刷涂式可穿戴天線，(c)3d射頻識別(RFID)標簽天線，(d) 3d打印柔性倒f天線(IFA)。
化學蝕刻，通常伴隨著光刻，出現在20世紀60年代，作為印刷電路板(PCB)工業的一個分支，是使用光刻膠和蝕刻劑制造金屬圖案的過程，以磨出選定的腐蝕性區域。對于復雜的高分辨率設計的精確制造，它是所有其他制造技術中的最佳選擇。利用光刻技術可以制造復雜和精細的天線。然制造工藝涉及危險化學品，高端昂貴的潔凈室設備，光罩和優秀化學人才，限制了其在制造柔性天線中的應用。用于制造柔性天線的特殊制造技術可以分為以下幾類：（1）基于SIW的技術，如圖7所示;（2）刺繡，如圖8所示;（3）使用導電紡織紗線在非導電紡織基底上刺繡天線的導電圖案;（4）在非導電紡織材料上的噴墨和絲網印刷。
圖8 基于刺繡和拼接的柔性天線。(a)新型混合繡編紡織集成波導(TIW)天線，(b)繡紋刺繡布局和刺繡天線的刺繡超材料天線制造工[129]，(c)基于縫紉機和銅帶制作的開槽貼片天線的自制電子紡織品。
對于低于12 GHz的柔性天線應用，RFID標簽或智能卡系統通常使用超高頻(UHF)頻段的柔性天線進行設計。柔性天線的超寬帶應用包括WiMAX、WiFi、5G低頻和ISM無線電頻段之一。在UHF頻譜中，智能卡和RFID標簽的天線占主導地位。柔性RFID標簽用于非侵入式傳感器應用，如醫療系統中的患者跟蹤，物聯網(IoT)設備，托兒中心，濕度和溫度傳感已經被大量報道。另一種常用的天線類型是超寬帶(UWB)天線。2002年，美國聯邦通信委員會(FCC)定義了3.1至10.6 GHz的超寬帶頻譜，以滿足更高數據速率的需求。作為無線體域網絡(WBAN)的一個分支，體中心通信的發展促使研究人員將重點放在柔性寬帶和超寬帶天線上。超寬帶天線具有電氣尺寸小、成本低、功率譜密度低、數據速率高等優勢。由于較低的頻譜密度，天線不容易受到其他信號的干擾。用紡織基板制成的超寬帶天線可以用于人體應用，因為它對人體的影響最小。根據英國無線電協會（RSGB）規定，12 GHz以上是Ku波段，這些高頻波段主要用于雷達，衛星通信，天文觀測，射電天文學和微波遙感。圖8所示是適用于12GHz以上應用的柔性天線。
天線的小型化極致追求就是在不以天線性能為代價而實現小型化，但真正實現卻非常困難。在柔性天線領域，應用的方法主要分為三大類。
1、基于材料的小型化。最常見的就是利用高介電常數的介質基板，但此方法通常會以犧牲天線輻射性能為代價。
2、基于拓撲結構的小型化。彎曲、分形技術也經常被應用于柔性天線的小型化中。
3、電磁帶隙（EBG）技術等超表面技術。新開發的電磁帶隙（EBG）結構由于其能夠在不損害輻射效率的情況下減小天線的物理結構而受到關注，如圖9所示。人工磁導體（AMC）和高阻抗表面（HIS）被用于設計低剖面天線。
隨著醫療技術不斷發展，旨在提高人們生活質量，并在醫療領域實施未來的物聯網技術。植入式天線系統傳輸和存儲記錄的生理參數，進行實時通信。因此，柔性天線在植入式天線應用中發揮著巨大的作用，受到研究人員的極大關注，成為當前的研究熱點。對于植入式天線的設計，其基本要求是體積小、適合人體放置、帶寬大、高柔性、比吸收率低（SAR）。由于人體各種組織和器官的介電常數不同，天線設計具有挑戰性。先前有研究將柔性折疊槽偶極子天線嵌入PDMS中植入人體，如圖10b所示。
可攝入醫療設備(imd)是醫療領域物聯網應用的重要組成部分。因此，對于監測設備和給藥系統以及監測患者的內部情況，需要特殊類型的柔性天線。
無線imd已廣泛用于診斷目的，特別是胃腸道(GI)的可視化。由于胃腸道中的消化器官具有不同的電學特性，因此用于這些應用的天線需要具有寬帶特性。近年來，無線系統中出現了各種各樣的天線。然而，重金屬主要用于制造這些天線，當膠囊破裂時，它們對人類的健康有潛在的危害。因此，水天線在診斷和治療中顯得更安全。無線膠囊內窺鏡(Wireless capsule endoscopy, WCE)是一種記錄消化道圖像的醫學應用技術（圖11）。與傳統方法如食管胃十二指腸鏡或結腸鏡檢查相比，該方法具有多種優點。
對于柔性天線來說，同時考慮厚度、性能和柔性，選擇合適的基板總是一個權衡。除上述因素外，天線貼片設計、陣列配置、功分傳輸線對天線性能也有很大影響。為了驗證任何柔性天線在實際情況下的性能，需要評估測量中機械應力引起的柔性和彎曲性。柔性天線必須經歷機械變形，如彎曲或拉伸。它降低了天線的性能，如頻移、改變增益和輻射方向圖、極化。為了有效地實現可靠物聯網連接，需要柔性天線具有可接受的性能。表3顯示了過去3年（2018-2020年）不同柔性天線的性能比較。
設計柔性天線的第一個挑戰是找到合適的基板。與傳統的基片(如FR4或Rogers)相比，其介電常數約為3-10，損耗正切為0.001-0.02，典型的柔性基片具有低介電常數，盡管這種低介電常數值有助于實現更大的帶寬和輻射效率，但當需要小型化時，它又是個問題。對于柔性紡織天線，厚度不均勻是另一個需要解決的問題。電紡基材易碎，易受流體吸收。紙質柔性天線面臨的問題是損耗系數較高，導致天線效率低，阻抗失配。雖然它是一種低剖面天線，但由于不連續性和缺乏魯棒性，所以很難應用到高彎曲率的場景中。聚合物基襯底是解決這些問題的好選擇，但聚合物基天線可能出現的一個問題是因過度彎曲或扭曲，會導致基板上出現裂紋。這將影響天線的導電性，并增加擊穿的風險。此外，聚合物的低玻璃化轉變溫度使它們無法在高溫應用中使用。不過，陶瓷基板可以是一種可承受高溫并可用于靈活應用的替代品。
這種限制可以通過在彈性體(如PDMS)表面嵌入非常薄的金屬納米線來克服，使其具有高導電性和可拉伸性。由于制造和設計的復雜性，它不太適合低成本、高柔性的應用。如果在彈性體制造的微流體通道中使用液態金屬(LM)代替固體金屬絲，它將使天線具有可重構性。
設計柔性天線的另一個挑戰是確定合適的導電材料，使其能夠承受不同的彎曲和扭轉條件，并具有合理的電阻值，而不影響天線的輻射效率。
未來的柔性天線應該具有低輪廓、低損耗、易于與射頻前端系統集成、能夠控操縱輻射方向圖，甚至實現更寬帶寬的圓極化。基于超材料的柔性天線是一項相對較新的發展，由于其輕量化、高魯棒性和可重構性等特點，已經在商業市場上得到了應用。
由于物聯網(IoT)、體域網絡(BAN)和生物醫學設備等無線應用的需求增加，未來無線解決方案的柔性天線預計將在寬頻率范圍內工作。有不同的天線設計方法，多頻段設計往往是必要的，此外，設計應確保天線的特性在彎曲條件下保持一致。可重構天線有不同類型，包括極化可重構天線、頻率可重構天線和方向圖可重構。可重構天線的顯著優點是它能夠根據最終用戶的應用需求切換頻段。超寬帶（UWB）技術允許使用具有傳輸功率控制的頻譜覆蓋來實現高效的帶寬利用。通過限制發射功率，使設備工作在3.1-10.6 GHz范圍內，不產生干擾。因此，超寬帶技術對無線室內和可穿戴應用具有吸引力。除了天線體積小、靈活、能夠在各種無線標準下工作之外，一些應用還要求設備無需電池和電線。使用整流天線可以用來開發自主設備，整流天線的工作原理是收集無線電發射機發射的射頻能量。毫米波通信系統有望解決當前無線系統中的阻塞、低帶寬和高延遲問題。5G技術有望解決這些問題，并提供更高的信道容量和更寬的帶寬，以確保更高的數據速率。許多智能設備預計將具有高速不間斷的互聯網連接，這些設備可能具有不規則的形狀。對于這種類型的應用，需要可以安裝在共形結構上的柔性和可伸展的天線。許多新穎和未來的解決方案，如集成可穿戴設備，家用電器，行業解決方案，機器人，自動駕駛汽車和其他解決方案，預計將受益于5G網絡，柔性天線是實現利用5G技術的未來無線解決方案的關鍵組件。
柔性天線是一個非常吸引人的領域，并且涉及電氣工程、材料科學和機械工程等多個學科。柔性天線是實現柔性電子設備的關鍵部件之一，是當前和未來無線通信和傳感應用的理想選擇，主要是由于其重量輕，外形尺寸小，制造成本低，并且能夠適應非平面表面。天線制造材料的選擇基于應用偏好，例如環境。高導電性材料，如銀納米顆粒油墨、銅帶或包層、導電聚合物、PDMS嵌入導電纖維和石墨烯基材料，通常用于實現天線走線。Kapton聚酰亞胺、PET、PEN、PANI、液晶聚合物、電紡織品和紙已優選作為柔性基底。柔性天線在12 GHz以下和12 GHz以上不同頻段的應用表明了柔性天線的多功能性。已經討論了不同的小型化技術，并存在挑戰和限制。具有可植入和可攝取功能的生物醫學應用的柔性天線顯示了其在醫療保健設備的前景。彎曲、拉伸和接近人體對柔性天線性能的影響已被討論。最后，考慮到基板和導電材料的材料挑戰，討論了設計和實現柔性天線的挑戰。作為物聯網，BAN和生物醫學設備的一部分，用于未來無線系統的柔性天線已經進行了綜述。討論了柔性天線的最新研究，重點是通過能量收集實現功率可持續性。盡管柔性天線存在局限性，但這些非剛性設備可以設計成滿足未來對緊湊型無線解決方案的需求，以適應任何曲率的表面。
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