中科院崔铁军院士团队AFM：可拉伸天线阵列赋能气球无线通信系统，实现百米级多目标实时传输

摘要：未来无线通信对“小型化、轻量化、可重构、共形集成”系统需求迫切，传统刚性天线虽性能稳定，但难以适配气球、车辆等曲面载体，且在机械形变下易出现频率偏移、辐射性能衰减等问题。tethered气球作为应急通信、临时覆盖的理想平台，传统方案需将天线与射频电路置于外部吊

1.研究背景

未来无线通信对“小型化、轻量化、可重构、共形集成”系统需求迫切，传统刚性天线虽性能稳定，但难以适配气球、车辆等曲面载体，且在机械形变下易出现频率偏移、辐射性能衰减等问题。tethered气球作为应急通信、临时覆盖的理想平台，传统方案需将天线与射频电路置于外部吊舱，不仅增加payload重量，还破坏气动特性。可拉伸电子技术为解决这一矛盾提供新思路，但现有可拉伸射频器件多局限于低频段、短距离，难以满足高频、长距离通信需求。

为突破这一技术瓶颈，崔铁军院士团队联合众多研究团队，开发出基于蛇形网格结构的可拉伸天线阵列，并构建“气球无线通信系统（BCS）”。该系统通过将可拉伸天线共形集成于气球表面，实现定向辐射与多目标通信，为灾害救援、海上任务等临时通信场景提供“快速部署、轻量化、高可靠”的解决方案。

2.研究成果

团队在《Advanced Functional Materials》发表题为“Stretchable Antenna Arrays‐Enabled Multi‐Target Balloon Wireless Communication System”的研究论文，提出“刚性金属-蛇形网格结构转化”核心策略，开发的可拉伸天线阵列与通信系统具备三大优势：

①优异机械-电磁兼容性，采用蛇形网格接地与网格化贴片设计，1×4端射天线阵列实测增益达7.69 dBi，20%拉伸下频率偏移，经1000次拉伸循环性能无衰减；

②高效共形集成，天线可紧密贴合半径25 cm气球表面，弯曲半径43 mm时仍保持稳定阻抗匹配（S₁₁）；

③多目标长距离通信，集成无线图像传输模块后，户外实验实现超100米距离通信，支持电动车辆、电动自行车双目标独立数据接收。

该技术填补了可拉伸射频器件在高频通信场景的应用空白，为轻量化空中通信平台提供新范式。

核心技术突破：可拉伸天线设计与系统集成

（1）蛇形网格结构：机械柔性与电磁性能协同

团队通过将刚性金属天线转化为蛇形网格结构，解决“拉伸形变-电磁性能”耦合难题：

结构设计与性能突破：接地层采用周期性蛇形单元（线宽100 μm），辐射贴片为迂回网格结构，结合超构表面等离激元传输线（SSPP-TL）降低传输损耗（2.18→2.02 dB/mm@10 GHz）（Figure 2a、Figure 2e）。1×4端射天线阵列（EFAA）在5.6 GHz频段实现7.69 dBi峰值增益，3 dB波束宽度202.7°（E面），旁瓣电平-10.9 dB，性能优于单端射天线（Figure 6f-h）；

机械稳定性验证：可拉伸贴片天线（SP-Ant.2）在0-20%拉伸下，谐振频率redshift，弯曲半径43 mm时带宽保持1.05 GHz（S₁₁）；端射天线（EF-Ant.2）20.27%拉伸下频率偏移，经1000次0-10%拉伸循环，反射系数与辐射图案无明显退化（Figure 2f、Figure 3f、Text S7）。

（2）气球通信系统：共形集成与多目标传输

团队将两种1×4可拉伸天线阵列（贴片阵列PAA、端射阵列EFAA）共形集成于气球表面，构建全功能BCS：

系统架构：气球表面集成PAA与EFAA，分别连接两个图像传输模块（TM1/TM2），搭配摄像头实现环境图像采集与无线传输；地面接收端通过车载、头盔集成的可拉伸天线接收信号，完成“空中-地面”双向通信（Figure 1a、Figure 8a）；

性能验证：系统工作于5.6-5.9 GHz频段，室外LoS（视距）场景下，传输距离超100米，接收端图像分辨率达720p，帧速率25 fps，误码向量幅度（EVM），满足实时通信需求（Figure 7f、Figure 8f-g、Text S16）。

3.应用场景

（1）地面-地面单目标无线通信（Figure 7）

实验设计与功能：将可拉伸端射阵列/贴片阵列作为发射端固定于气球表面，接收端分别安装于电动汽车后窗玻璃（实验1）与侧围板（实验2），测试车辆移动过程中的图像传输性能（Figure 7a-b）。当车辆与气球距离从20米增至100米时，后窗接收端（端射阵列）仍能稳定接收720p图像（Figure 7f），侧围接收端（贴片阵列）图像无明显失真（Figure 7j），验证系统在动态场景下的可靠性；

核心价值：天线可直接贴合车辆玻璃、金属表面，无需额外支架，解决传统车载天线安装繁琐、破坏车身外观的问题。

（2）空中-地面多目标通信

实验设计与功能：BCS悬浮于空中（氦气球搭载），配备两个图像传输模块：TM1连接端射阵列（朝向地面），TM2连接贴片阵列（朝向天空）；地面两个目标分别为电动汽车（User 1，接收天线安装于车顶）与电动自行车（User 2，接收天线安装于头盔），两车相向而行时，独立接收BCS传输的地面场景（TM1）与天空场景（TM2）图像（Figure 8a-c）。实验显示，两车移动过程中，接收图像帧速率稳定25 fps，无卡顿或丢帧（Figure 8f-g），证明系统多目标通信能力；

关键数据：通信距离超100米，两个用户信道隔离度>20 dB，交叉干扰，满足同时传输需求（Text S17）。

（3）应急临时通信覆盖

实验设计与功能：将1×4端射阵列与贴片阵列共形集成于半径25 cm气球表面，充气后天线与气球表面贴合度>95%，无褶皱或脱落（Figure 6a-b）。在模拟灾害场景（无基础通信设施）中，BCS可通过 tether 快速部署（分钟），为半径200米范围内的3个地面节点提供语音与图像传输服务，传输速率达2 Mbps（Figure 1a）；

优势体现：系统总重量，可由单人携带，相比传统应急通信车，部署效率提升10倍，成本降低80%。

4.图文导读

图1 BCS的系统设计与天线展示

图2 SP-Ant 的示意图

图3 EF-Ant的示意图

图4 可拉伸天线的性能测试

图5 制造的两种类型柔性阵列天线的照片和测量结果

图6 可拉伸天线的方向性测试

图7 a,b) 单用户地面电动汽车通信的两种场景，接收天线位于电动汽车的 (a) 后窗玻璃和 (b) 侧面翼子板上。c–e) 实验设置，其中发射天线位于气球表面，接收天线位于汽车的后窗上。f) 捕获的三个状态的传输视频流的帧，接收于汽车。g–i) 接收天线放置在汽车侧面翼子板上的实验设置。j) 捕获的三个状态的传输视频流的帧，接收于汽车。