摘要：近日，东南大学毫米波全国重点实验室汤文轩教授、崔铁军院士团队与电子科技大学潘泰松教授团队合作，提出了一种基于可延展阵列天线的无线气球通信系统（Balloon Communication System, BCS）。该研究设计实现了两款柔性可延展天线阵列，工作频率

引言

近日，东南大学毫米波全国重点实验室汤文轩教授、崔铁军院士团队与电子科技大学潘泰松教授团队合作，提出了一种基于可延展阵列天线的无线气球通信系统（Balloon Communication System, BCS）。该研究设计实现了两款柔性可延展天线阵列，工作频率均达到6 GHz，能够承受超过千次、最大20%拉伸量的机械测试，即使在大幅弯曲和拉伸条件下也能保持稳定的辐射特性。基于此，研究团队构建了适用于小型飞行器、平流层飞艇等空天平台的气球通信系统，实现了对地双目标实时无线通信。

该成果突破了柔性天线延展度不高、可重构困难等难题，使柔性电子系统在共形集成条件下保持性能稳定，为未来多场景应用提供了新思路。相关研究成果以“Stretchable Antenna Arrays-Enabled Multi-Target Balloon Wireless Communication System”为题，于2025年8月21日发表在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》上[1]。东南大学汤文轩教授、崔铁军院士和电子科技大学潘泰松教授为论文的共同通讯作者，东南大学李威汉博士与电子科技大学李凡博士为共同第一作者。

研究背景

随着物联网（IoE）和万物互联时代的到来，无处不在的无线通信需求愈加迫切。通信气球、无人机等小型低空飞行器因具备低成本、快速部署和大范围覆盖等优势，被广泛视为实现空天地一体化通信的重要平台。然而，传统系统往往依赖外部吊舱携带天线和射频模块，不仅增加了重量，还影响飞行器的空气动力学性能。

可拉伸电子器件的兴起，为解决这一问题提供了新途径。通过将柔性、轻量化的射频元件直接集成在平台表面，不仅能够显著减轻平台负担，还能提升系统的自适应性和稳定性。特别是在高频通信和复杂环境下，如何兼顾机械柔性与电性能成为关键挑战。

本研究正是基于这一背景展开，团队利用柔性电路工艺，将高导电性材料与结构化设计结合，研制出性能突出的可延展天线阵列，并成功应用于气球通信系统。这一突破为未来低空通信、灾害应急通信以及柔性电子融合应用奠定了坚实基础。

基于柔性阵列天线的气球通信系统（BCS）应用场景示意图。系留空中的气球通信系统能够在动态环境下与地面两个用户分别进行实时通信

成果简介

研究团队提出并研制了两种柔性可延展天线。通过在金属层中引入亚波长尺度的蛇形网格结构，使天线在保证电磁性能的同时具备良好的拉伸性和柔韧性。设计包括柔性微带贴片天线和柔性端射天线两种形式。贴片天线在每个蜿蜒单元的中心增加小金属片，以提高铜覆盖率和阻抗匹配效果，并在馈线与辐射贴片连接处引入半圆弧铜条，用于分散应力、减轻反复拉伸造成的损伤；端射天线采用开口方环（SSR）阵列来增强辐射性能和稳定性，实测增益为6.13 dBi。两种天线均经受了超过1000次循环拉伸测试，性能保持稳定，显示出较好的实用性。在此基础上，进一步构建了1×4贴片阵列和1×4端射阵列。实验结果表明，该柔性阵列具有轻量、透光和适形的特点，即使在气球充气或弯曲状态下，仍能维持较低的回波损耗和稳定的辐射性能。

柔性可延展贴片天线（SP-Ant）和端射天线（EF-Ant）结构示意图。（e-h）同时展示了应力分布分析和超过1000次拉伸循环后的S参数测试结果

柔性可延展天线阵列及其在气球表面的共形测试

在室外气球通信实验中，该气球通信系统能够同时为两个用户独立传输信息。电动汽车和电动自行车是接收信息的两个实验目标用户，用户在移动过程中，分别独立接收气球通信系统捕获并发送的外部环境信息。电动汽车接收面向地面的传感器收集的信息，而电动自行车接收面向天空的传感器收集的信息。该气球通信系统由上述可延展贴片阵列和端射阵列组成，并与两个图像传输模块连接，实现了实时图像信息发送。在实验过程中，两位用户的视频接收均保持流畅，表明系统在实际场景下具备稳定性和可行性。此外，研究团队还在电子科技大学清水河校区进一步测试了系统在复杂多径传播环境和部分信号阻塞情况下的性能表现，为其未来的应用和实际部署提供了参考。

系统能够同时为两个用户进行独立的信息传输，实现实时的无线通信

户外通信测试场景示意图。气球通信系统部署在约17米的高度，接收端沿170米的L形路径移动，测试了6 GHz、20 dBm贴片阵列链路和5.5 GHz、15 dBm端射阵列链路的误差矢量幅度（EVM）

结论

本研究提出并验证了一种基于柔性可延展阵列天线的气球通信系统。通过引入蛇形网格与端射结构，实现了天线的高延展、稳定增益和低反射特性，使其对气球充气及环境变化具有显著的自适应能力；采用阵列天线进一步增强了通信距离和适形能力，并完成了多用户空中通信演示。该成果为智慧城市、应急救援及物联网提供了低成本、轻量化的新型通信方案。本工作得到了国家自然科学基金（62288101、62271118、U21A20460）、国家重点研发计划（2021YFB3200502）以及“111”项目（111-2-05）等资助。

参考文献：

来源：寂寞的咖啡