《IEEE Access》：Flexible Cylindrical Dielectric Resonator Antenna for X-Band Satellite, Space, Wireless Sensor Networks, and Flexible Applications
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本刊编辑推荐：为解决柔性电子设备对高性能天线的需求，研究人员开发了基于液态硅橡胶-钛酸锶纳米复合材料（LSR-SrTiO3）的全柔性圆柱形介质谐振器天线（FCDRA）。该天线采用阶梯形微带馈电结构，在X波段（10.5 GHz）实现5 dBi增益和450 MHz带宽，弯曲测试表明其在曲面应用场景中保持稳定性能，为卫星通信、无线传感器网络等柔性应用提供了新解决方案。
随着可穿戴设备、物联网和柔性电子技术的快速发展，传统刚性天线难以满足曲面设备集成需求。当前柔性天线普遍面临增益低、效率差、稳定性不足等挑战，特别是X波段（8-12 GHz）卫星通信和空间应用对天线性能要求严苛。常规介质谐振器天线（DRA）虽具有高辐射效率优势，但陶瓷材料的固有刚性限制了其在柔性系统中的适用性。这一矛盾促使研究人员探索新型柔性介质材料与天线结构的融合创新。
本研究首次采用液态硅橡胶（LSR）与钛酸锶（SrTiO3）纳米复合材料构建全柔性圆柱形介质谐振器天线（FCDRA）。通过材料表征测得LSR-SrTiO3复合材料在10 GHz频率下介电常数（εr）为4.25，损耗角正切（tanδ）为0.02，机械测试显示其断裂伸长率达277%，兼具优良电磁特性和柔韧性。天线采用0.5 mm超薄LSR基底，通过阶梯形微带馈电结构激发介质谐振器，整体厚度控制在1.5 mm以内，实现了真正的全柔性设计。
研究人员通过CST Microwave Studio仿真软件系统分析了不同纵横比（a/H）对天线性能的影响。当谐振器高度从8 mm减小至0.6 mm时，观测到从HE11δ模式到HE12δ模式的显著转变。仿真结果表明，在纵横比为15（半径15 mm/高度1 mm）时，天线在10.076 GHz处获得6.24 dBi增益和400 MHz阻抗带宽。特别值得关注的是，通过建立RLC等效电路模型，准确预测了天线在8.916 GHz、10.076 GHz和10.62 GHz三个频点的阻抗特性，为性能优化提供理论指导。
实验验证阶段，采用硅烷偶联剂实现多层结构集成，制备的天线原型实测谐振频率为10.5 GHz，与仿真结果存在4.2%偏移，主要归因于材料分散性和界面效应。实测增益达5 dBi，辐射效率约55%，覆盖10.27-10.72 GHz频段，完美匹配固定卫星服务（10.27-10.37 GHz）、雷达导航（10.27-10.37 GHz）及空间研究（10.7-10.72 GHz）等应用需求。
弯曲性能测试显示，天线在40 mm曲率半径圆柱面上仍保持稳定工作，谐振频率偏移至10.62 GHz，增益轻微降至4.24 dBi。这种优异的机械适应性使其在曲面载体集成方面展现巨大潜力。
材料制备与表征技术方面，研究团队通过尼科尔森-罗斯-威尔（NRW）方法精确测量复合材料电磁参数，采用万能试验机（UTM）进行机械性能测试，运用矢量网络分析仪（VNA）完成天线参数测量，并通过消声室环境保障辐射模式测试准确性。
材料选择与表征
液态硅橡胶（LSR）和LSR-钛酸锶纳米复合材料经波导测试显示，在X波段具有适宜介电常数（3 vs 4.25）和低损耗特性（tanδ≈10-2）。应力-应变曲线证实复合材料保持277%断裂伸长率，满足柔性应用基本要求。
天线设计优化
通过调控纵横比实现模式转换：当a/H≥15时成功激发HE12δ模式。阶梯形微带馈电结构有效改善阻抗匹配，仿真显示在10.076 GHz处回波损耗达-36.06 dB。
辐射特性分析
E面和H面方向图证实天线具有端射特性和线性极化。HE12δ模式呈现典型双瓣辐射特征，交叉极化电平低于-15 dB，满足通信系统极化纯度要求。
等效电路建模
建立三分支RLC电路模型，准确复现天线频响特性。ADS仿真与CST结果高度吻合，验证模型参数合理性：谐振点对应R2=60.88Ω，L2=21.27 nH，C2=0.012 pF。
性能偏差机制
系统分析频率偏移（4.2%）、增益差异（1.24 dBi）等偏差来源，确认材料分散性、界面效应和制造公差为主要因素。所有偏差均处于可接受范围，证明设计可靠性。
本研究成功开发出首款基于LSR-SrTiO3复合材料的全柔性介质谐振器天线，通过创新材料体系与结构设计，实现X波段高性能辐射与机械柔性的统一。该技术为柔性电子系统提供了新型天线解决方案，在卫星通信、物联网和可穿戴设备领域具有广泛应用前景。未来通过可印刷柔性导体的集成，有望进一步简化制造工艺，推动柔性天线技术向更高集成度发展。
