得益于第五代移动无线通信（5G）的高速、大容量以及低时延的优势，物联网（IOT）正慢慢进入各行各业，如下图1所示。下一代物联网的设备在小型化上已经有了长足的发展，其目前瓶颈在于设备的柔性。柔性电子设备具有重量轻、可便携、便宜、环境友好和一次性的优点。图2展现了在柔性电子设备领域的多种应用。柔性无线设备作为通信设备，其天线设计也起着居中轻重的作用。
柔性无线设备的市场正在迅速增长，部分原因是对健康监测系统和日常生活无线设备(如手机、笔记本电脑等)的可穿戴和植入式设备的需求。柔性天线是实现体内生命体征监测、器官功能调节、神经接口、连续步态分析、颅内传感器、药物输送系统和其他功能的主要组成部分。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，设备必须具有共形特性和物理柔性，甚至可拉伸。由于表征其抗弯曲变形的薄膜结构的弯曲刚度大致与其厚度的立方成正比，因此减小结构的厚度是柔性/可弯曲天线的有效手段。
天线的选择和设计取决于工作环境、传输功率和工作频段。此外，天线的性能取决于所使用的材料、所采用的制造技术的类型和基板特性。在此背景下，本文综述了柔性天线所使用的导电材料、介质基板、柔性天线不同制造技术及其应用的研究趋势，指出了柔性天线研究面临的挑战和未来发展方向。
线主要由导电材料和介质基板组成。介质基板的选择基于其介电常数、机械变形的耐受性、小型化特性和外部环境中的耐久性。而导电材料（导电率）决定了天线的辐射性能。
在柔性天线中，天线走线方式和具有优异导电性能的材料是实现天线高增益、效率和带宽的关键。纳米颗粒油墨（银和铜）因其高导电性，通常用于制造柔性天线。除了纳米颗粒，除了纳米粒子，电纺材料，如镀镍/镀银，Flectron(镀铜尼龙织物)和非织造导电织物(NWCFs)一般用于柔性天线。
图3显示了用不同导电材料制作的天线。聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)和聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)等导电聚合物似乎是柔性和可穿戴天线的有前途的材料。通过添加碳纳米管、石墨烯和碳纳米颗粒，导电聚合物的低导电性得到了改善。石墨烯的柔性天线由于其良好的导电性和优异的机械性能而前景广阔。柔性天线的性能在很大程度上依赖于制造的导电走线，这些导电走线在保持导电性的同时具有抗变形能力。为了适应机械应变和变形而不降低天线的性能，不同的可拉伸导电材料利用掺杂来提高其导电性。下表列出了用于制造柔性天线的不同导电材料及其导电性值。
用于柔性天线的介质基板需要拥有极小的介质损耗、低介电常数、低热膨胀系数和高导热系数。低介电常数的考量是为了提高天线的辐射性能而牺牲了尺寸，若有小型化的需求，则介质基板的介电常数需要增大。超薄柔性玻璃、金属箔和聚合物材料经常出现在柔性材料的介质基板中。其中，薄玻璃虽然具有可弯曲性，但其固有的脆性限制了其应用。金属箔可以承受高温，并提供无机材料沉积在其上，但材料的表面粗糙度和高成本限制了其应用。聚合物材料是柔性天线应用的最佳材料，其中包括:(1)热塑性半结晶聚合物: 聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)；(2)热塑性非晶体聚合物: 聚碳酸酯(PC)和聚醚砜(PES)；(3)高玻璃化转变温度（Tg）材料:聚酰亚胺(PI)。
用于可穿戴目的的柔性天线具有独特特点，如放置位置不能明显，不同环境下的天线性能稳定性，机械稳定性以经受住洗涤和熨烫等严苛考验。同时，由于具有低成本和易于制造的特点，纸质衬底已成为柔性天线的首选材料。表2显示了用于柔性天线制造的常用基板及其介电常数、介电损耗和厚度值。图4显示了不同基板上的柔性天线原型。
图4 天线模型：a）聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），（B）聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN）[70]，（c）聚酰亚胺，（d）液晶聚合物（LCP），和（e）纸基底。
柔性材料需要仔细选择，以承受物理变形条件，如弯曲，拉伸，甚至扭曲，同时保持其功能。柔性天线需要低损耗介电材料作为其基底，并需要高导电材料作为导体，以实现有效的EM辐射接收/传输。
喷墨打印技术（Inkjet printing）是一种非接触式的微米级印刷过程，可通过直接喷射纳米尺寸的溶液在柔性或硬质基底上实现。在印刷方面，使用纳米颗粒金属油墨、石墨烯纳米片油墨、金属有机油墨。打印技术可分为两种类型:按需滴墨(DoD)和连续喷墨。液滴按需打印头使用压电或热元件对油墨施加加压脉冲，在需要时从喷嘴中驱动液滴。印刷质量由喷射波形、喷嘴的喷射电压、喷射频率、墨盒温度、压板温度(基材放置的位置)和图案分辨率控制。天线设计打印完成后，需要进行烧结，去除溶剂和封盖剂，获得导电性。喷墨印刷柔性天线的打印分辨率取决于基板的表面粗糙度。对于光滑的基材，如聚酰亚胺，PET, PEN, LCP，相纸等，可以实现出色的图案分辨率。对于可穿戴的柔性基材，如编织的电子纺织品，通常具有不均匀的表面，高分辨率实现仍然是一个挑战。对于可穿戴/柔性天线的制造，主要采用拼接、刺绣和基片集成波导基(SIW)方法。丝网印刷是制造柔性电子产品的一种简单、快速、经济、可行的方法，通过在PET、纸张和纺织基板等低成本、柔性基板上印刷导电油墨或浆料。编织筛网具有不同的厚度和线密度。刮板刀片向下驱动，迫使丝网与承印物接触，从而产生印刷图案。因此，通过在所贴承印物上的屏幕的暴露区域喷射油墨形成所需的图案。与化学蚀刻的减法工艺相反，它也是一种像喷墨印刷一样的加法工艺，这使得它更具成本效益和环境友好性。与其他柔性天线制造技术相比，丝网印刷具有成本效益。然而，该方法存在分辨率依赖于衬底表面质量、层控制受限、导电层厚度控制不足等局限性。图6显示了使用丝网印刷工艺和样品原型的柔性天线的制造。
图5 丝网印刷天线的示意图。
3D打印技术能快速制造各种材料的复杂3D结构，聚合物、金属、陶瓷甚至生物组织等柔性材料都能用作3D打印。聚合物，如热固性和热塑性塑料，为最常见的3D打印材料。常见的聚合物打印技术有熔融沉积建模(FDM)、立体光刻(SLA)、光处理(DLP)和材料喷射(MJ)。最常见的3D打印技术是FDM。在FDM中，长丝被送入打印机的喷头，加热喷嘴的电机驱动长丝熔化它。然后，打印机将熔化的材料放置在一个精确的位置，在那里冷却并固化。天线的辐射体用可拉伸的银导电膏刷涂(图6b)。该天线在平面和弯曲条件下的无线性能令人满意。特定比吸收率(SAR)模拟验证了其在可穿戴应用中的应用。该天线阻抗带宽为990 MHz (1.94-2.93 GHz)， 2.45 GHz时峰值增益为−7.2 dBi。
图6 3D打印天线的例子。(a)基于NinjaFlex基板的方形贴片天线， (B)基于3d打印基板的刷涂式可穿戴天线，(c)3d射频识别(RFID)标签天线，(d) 3d打印柔性倒f天线(IFA)。
化学蚀刻，通常伴随着光刻，出现在20世纪60年代，作为印刷电路板(PCB)工业的一个分支，是使用光刻胶和蚀刻剂制造金属图案的过程，以磨出选定的腐蚀性区域。对于复杂的高分辨率设计的精确制造，它是所有其他制造技术中的最佳选择。利用光刻技术可以制造复杂和精细的天线。然制造工艺涉及危险化学品，高端昂贵的洁净室设备，光罩和优秀化学人才，限制了其在制造柔性天线中的应用。用于制造柔性天线的特殊制造技术可以分为以下几类：（1）基于SIW的技术，如图7所示;（2）刺绣，如图8所示;（3）使用导电纺织纱线在非导电纺织基底上刺绣天线的导电图案;（4）在非导电纺织材料上的喷墨和丝网印刷。
图8 基于刺绣和拼接的柔性天线。(a)新型混合绣编纺织集成波导(TIW)天线，(b)绣纹刺绣布局和刺绣天线的刺绣超材料天线制造工[129]，(c)基于缝纫机和铜带制作的开槽贴片天线的自制电子纺织品。
对于低于12 GHz的柔性天线应用，RFID标签或智能卡系统通常使用超高频(UHF)频段的柔性天线进行设计。柔性天线的超宽带应用包括WiMAX、WiFi、5G低频和ISM无线电频段之一。在UHF频谱中，智能卡和RFID标签的天线占主导地位。柔性RFID标签用于非侵入式传感器应用，如医疗系统中的患者跟踪，物联网(IoT)设备，托儿中心，湿度和温度传感已经被大量报道。另一种常用的天线类型是超宽带(UWB)天线。2002年，美国联邦通信委员会(FCC)定义了3.1至10.6 GHz的超宽带频谱，以满足更高数据速率的需求。作为无线体域网络(WBAN)的一个分支，体中心通信的发展促使研究人员将重点放在柔性宽带和超宽带天线上。超宽带天线具有电气尺寸小、成本低、功率谱密度低、数据速率高等优势。由于较低的频谱密度，天线不容易受到其他信号的干扰。用纺织基板制成的超宽带天线可以用于人体应用，因为它对人体的影响最小。根据英国无线电协会（RSGB）规定，12 GHz以上是Ku波段，这些高频波段主要用于雷达，卫星通信，天文观测，射电天文学和微波遥感。图8所示是适用于12GHz以上应用的柔性天线。
天线的小型化极致追求就是在不以天线性能为代价而实现小型化，但真正实现却非常困难。在柔性天线领域，应用的方法主要分为三大类。
1、基于材料的小型化。最常见的就是利用高介电常数的介质基板，但此方法通常会以牺牲天线辐射性能为代价。
2、基于拓扑结构的小型化。弯曲、分形技术也经常被应用于柔性天线的小型化中。
3、电磁带隙（EBG）技术等超表面技术。新开发的电磁带隙（EBG）结构由于其能够在不损害辐射效率的情况下减小天线的物理结构而受到关注，如图9所示。人工磁导体（AMC）和高阻抗表面（HIS）被用于设计低剖面天线。
随着医疗技术不断发展，旨在提高人们生活质量，并在医疗领域实施未来的物联网技术。植入式天线系统传输和存储记录的生理参数，进行实时通信。因此，柔性天线在植入式天线应用中发挥着巨大的作用，受到研究人员的极大关注，成为当前的研究热点。对于植入式天线的设计，其基本要求是体积小、适合人体放置、带宽大、高柔性、比吸收率低（SAR）。由于人体各种组织和器官的介电常数不同，天线设计具有挑战性。先前有研究将柔性折叠槽偶极子天线嵌入PDMS中植入人体，如图10b所示。
可摄入医疗设备(imd)是医疗领域物联网应用的重要组成部分。因此，对于监测设备和给药系统以及监测患者的内部情况，需要特殊类型的柔性天线。
无线imd已广泛用于诊断目的，特别是胃肠道(GI)的可视化。由于胃肠道中的消化器官具有不同的电学特性，因此用于这些应用的天线需要具有宽带特性。近年来，无线系统中出现了各种各样的天线。然而，重金属主要用于制造这些天线，当胶囊破裂时，它们对人类的健康有潜在的危害。因此，水天线在诊断和治疗中显得更安全。无线胶囊内窥镜(Wireless capsule endoscopy, WCE)是一种记录消化道图像的医学应用技术（图11）。与传统方法如食管胃十二指肠镜或结肠镜检查相比，该方法具有多种优点。
对于柔性天线来说，同时考虑厚度、性能和柔性，选择合适的基板总是一个权衡。除上述因素外，天线贴片设计、阵列配置、功分传输线对天线性能也有很大影响。为了验证任何柔性天线在实际情况下的性能，需要评估测量中机械应力引起的柔性和弯曲性。柔性天线必须经历机械变形，如弯曲或拉伸。它降低了天线的性能，如频移、改变增益和辐射方向图、极化。为了有效地实现可靠物联网连接，需要柔性天线具有可接受的性能。表3显示了过去3年（2018-2020年）不同柔性天线的性能比较。
设计柔性天线的第一个挑战是找到合适的基板。与传统的基片(如FR4或Rogers)相比，其介电常数约为3-10，损耗正切为0.001-0.02，典型的柔性基片具有低介电常数，尽管这种低介电常数值有助于实现更大的带宽和辐射效率，但当需要小型化时，它又是个问题。对于柔性纺织天线，厚度不均匀是另一个需要解决的问题。电纺基材易碎，易受流体吸收。纸质柔性天线面临的问题是损耗系数较高，导致天线效率低，阻抗失配。虽然它是一种低剖面天线，但由于不连续性和缺乏鲁棒性，所以很难应用到高弯曲率的场景中。聚合物基衬底是解决这些问题的好选择，但聚合物基天线可能出现的一个问题是因过度弯曲或扭曲，会导致基板上出现裂纹。这将影响天线的导电性，并增加击穿的风险。此外，聚合物的低玻璃化转变温度使它们无法在高温应用中使用。不过，陶瓷基板可以是一种可承受高温并可用于灵活应用的替代品。
这种限制可以通过在弹性体(如PDMS)表面嵌入非常薄的金属纳米线来克服，使其具有高导电性和可拉伸性。由于制造和设计的复杂性，它不太适合低成本、高柔性的应用。如果在弹性体制造的微流体通道中使用液态金属(LM)代替固体金属丝，它将使天线具有可重构性。
设计柔性天线的另一个挑战是确定合适的导电材料，使其能够承受不同的弯曲和扭转条件，并具有合理的电阻值，而不影响天线的辐射效率。
未来的柔性天线应该具有低轮廓、低损耗、易于与射频前端系统集成、能够控操纵辐射方向图，甚至实现更宽带宽的圆极化。基于超材料的柔性天线是一项相对较新的发展，由于其轻量化、高鲁棒性和可重构性等特点，已经在商业市场上得到了应用。
由于物联网(IoT)、体域网络(BAN)和生物医学设备等无线应用的需求增加，未来无线解决方案的柔性天线预计将在宽频率范围内工作。有不同的天线设计方法，多频段设计往往是必要的，此外，设计应确保天线的特性在弯曲条件下保持一致。可重构天线有不同类型，包括极化可重构天线、频率可重构天线和方向图可重构。可重构天线的显著优点是它能够根据最终用户的应用需求切换频段。超宽带（UWB）技术允许使用具有传输功率控制的频谱覆盖来实现高效的带宽利用。通过限制发射功率，使设备工作在3.1-10.6 GHz范围内，不产生干扰。因此，超宽带技术对无线室内和可穿戴应用具有吸引力。除了天线体积小、灵活、能够在各种无线标准下工作之外，一些应用还要求设备无需电池和电线。使用整流天线可以用来开发自主设备，整流天线的工作原理是收集无线电发射机发射的射频能量。毫米波通信系统有望解决当前无线系统中的阻塞、低带宽和高延迟问题。5G技术有望解决这些问题，并提供更高的信道容量和更宽的带宽，以确保更高的数据速率。许多智能设备预计将具有高速不间断的互联网连接，这些设备可能具有不规则的形状。对于这种类型的应用，需要可以安装在共形结构上的柔性和可伸展的天线。许多新颖和未来的解决方案，如集成可穿戴设备，家用电器，行业解决方案，机器人，自动驾驶汽车和其他解决方案，预计将受益于5G网络，柔性天线是实现利用5G技术的未来无线解决方案的关键组件。
柔性天线是一个非常吸引人的领域，并且涉及电气工程、材料科学和机械工程等多个学科。柔性天线是实现柔性电子设备的关键部件之一，是当前和未来无线通信和传感应用的理想选择，主要是由于其重量轻，外形尺寸小，制造成本低，并且能够适应非平面表面。天线制造材料的选择基于应用偏好，例如环境。高导电性材料，如银纳米颗粒油墨、铜带或包层、导电聚合物、PDMS嵌入导电纤维和石墨烯基材料，通常用于实现天线走线。Kapton聚酰亚胺、PET、PEN、PANI、液晶聚合物、电纺织品和纸已优选作为柔性基底。柔性天线在12 GHz以下和12 GHz以上不同频段的应用表明了柔性天线的多功能性。已经讨论了不同的小型化技术，并存在挑战和限制。具有可植入和可摄取功能的生物医学应用的柔性天线显示了其在医疗保健设备的前景。弯曲、拉伸和接近人体对柔性天线性能的影响已被讨论。最后，考虑到基板和导电材料的材料挑战，讨论了设计和实现柔性天线的挑战。作为物联网，BAN和生物医学设备的一部分，用于未来无线系统的柔性天线已经进行了综述。讨论了柔性天线的最新研究，重点是通过能量收集实现功率可持续性。尽管柔性天线存在局限性，但这些非刚性设备可以设计成满足未来对紧凑型无线解决方案的需求，以适应任何曲率的表面。
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