面向智慧农业无线通信的物联网（Internet of Things, IoT）集成式透明柔性单极子天线（Transparent Flexible Monopole Antenna）

《Results in Engineering》：IoT-integrated transparent flexible monopole antenna for wireless communication in agriculture

　　

摘要：柔性透明天线是物联网（Internet of Things, IoT）系统尤其是需要在不规则表面进行无线通信的智慧农业应用中的重要基础设施组件。本研究提出一种基于聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）基底、工作于2.4 GHz频段、面向智慧农业WiFi应用的透明柔性单极子天线（Transparent Flexible Monopole Antenna）的创新设计与仿真。研究人员设计了三种天线模型以探究结构修改对性能的影响，天线结果呈现2.4 GHz、4.5 GHz和6.8 GHz三谐振频率。仿真结果表明最优设计工作于2.47 GHz，回波损耗（Return Loss, S11）为?14.69 dB，最大方向性（Directivity）为3.6 dBi。30°、60°和90°弯曲测试表明天线在产生轻微频偏的情况下仍保持性能稳定。实测结果与仿真结果吻合良好。透明PDMS基底不仅提供优异的柔性，还具备环境防护能力，使其成为IoT应用中现代农业通信技术（如土壤湿度监测）的理想选择。

本文解读的论文《IoT-integrated transparent flexible monopole antenna for wireless communication in agriculture》由Nurhayati Nurhayati、Akbar Izulhaq、Usman Rizqi Iman等撰写，发表于《Results in Engineering》。

【研究背景与意义】

现代农业生产正向智慧农业（Smart Agriculture）转型，依赖无线传感器网络（Wireless Sensor Network, WSN）与物联网（Internet of Things, IoT）实时监测土壤湿度、pH值和温度等参数，并通过WiFi或蓝牙将数据传输至中心服务器以实现自动灌溉与决策。当前广泛使用的微控制器（如ESP32）内置天线增益低、覆盖范围有限，难以满足大面积农田或复杂地形的远距离可靠通信需求；此外传统刚性印刷天线无法贴合灌溉管道、植物茎秆等曲面，且户外暴露于水、紫外线和温差环境下易老化失效。柔性透明天线采用低介电常数、疏水、耐候的聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane, PDMS）作为基底和封装层，辐射单元为超薄铜箔，既可弯曲贴附于不规则表面又具一定光学透明度，适合农业现场长期部署。本研究旨在设计一种基于PDMS的紧凑型透明柔性单极子天线（Monopole Antenna），实现2.4 GHz（ISM频段，匹配ESP32 WiFi/Bluetooth）、4.5 GHz及6.8 GHz三频段谐振，并验证其在弯曲状态下的电磁稳定性及与土壤参数IoT监测系统的集成能力。

【主要关键技术方法】

研究人员采用CST Microwave Studio对三种逐步引入开槽结构的平面部分接地单极子天线进行建模与参数扫描，基底为PDMS（ε_r=2.7，tanδ=0.013，单层厚2 mm，双层夹铜箔共4.07 mm），整体尺寸30×30 mm²。PDMS按基体与固化剂10:1质量比混合、真空除泡、60℃烘箱4 h固化；铜胶带切割贴附形成辐射贴片与部分接地板，SMA接头快速低温焊接后以上层PDMS室温固化24 h封装。对优化模型进行30°、60°、90°弯曲条件全波仿真获取S₁₁与方向图变化；制作实物样品实测S₁₁并与仿真比对；将天线经SMA转U.FL馈线与ESP32 Wroom-U开发板连接，接入土壤湿度与pH传感器组建IoT节点，通过ThingSpeak云平台实现数据采集与可视化的田间演示，并在视距条件下测距评估传输覆盖能力。

【研究结果】

1. 2.
   Antenna design（天线设计）
   研究人员基于四分之一波长谐振公式估算有效长度L_eff与有效介电常数ε_eff，设计基线矩形单极子（Design 1），随后在贴片中部引入菱形槽（Design 2）增长电流路径并引入容性负载，再于贴片顶部增加T形延伸开槽（Design 3）扰动表面电流分布以激发高阶模。最终Design 3在30×30 mm^{2面积内实现三频段目标。}
2. 3.
   Fabrication, results, and discussions（制备、结果与讨论）

4.1. Transparent antenna fabrication（透明天线制备）

研究人员通过PDMS浇筑—真空除泡—热固化—铜箔贴合—SMA快速焊接—上层PDMS室温封装的流程完成样品制作。工艺上控制焊接温度250~300℃、接触时间1~2 s以防PDMS热损伤，PDMS夹层起到应变缓和作用防止铜箔脱层和SMA接口断裂。参量研究表明基底宽度由25 mm增至30 mm时谐振从2.62 GHz移至2.47 GHz，说明可通过微调尺寸精细调谐至2.4 GHz ISM带。

4.2. Scattering parameters（散射参数/S₁₁）

仿真显示Design 1双频谐振（3 GHz / ?13.49 dB，5 GHz / ?14 dB）；Design 2双频（2.7 GHz / ?11.3 dB，5 GHz / ?24.8 dB）；Design 3三频谐振分别为2.47 GHz（S₁₁=?14.69 dB）、4.5 GHz（?11.49 dB）、6.8 GHz（?10.3 dB）。表面电流分布证实菱形槽与T形延伸迫使电流绕槽边缘流动从而增长电长度并激励高阶TM模。弯曲仿真：平放谐振2.47 GHz；30°弯时移至2.44 GHz（S₁₁=?14.43 dB），60°弯时2.42 GHz（?13.47 dB），90°弯时2.39 GHz（?13 dB），阻抗匹配变化微小。方向性（Directivity）：平放时2.4 GHz为1.67 dBi，最大3.61 dPi@6.8 GHz；各弯曲角度下2.4 GHz方向性维持在约1.65~1.66 dBi，高频略有波动，证明弯曲对主工作频段影响可控。实测S₁₁曲线与仿真趋势一致，微小偏移归因于手工制作公差、SMA及线缆损耗与环境反射，各频点均低于?10 dB。

4.3. Radiation patterns（辐射方向图）

在φ=0°和φ=90°面分别考察三个频点：2.4 GHz主瓣幅值约1.95~1.96 dBi，近似全向；4.5 GHz主瓣最高达3.22 dBi（φ=90°面）；6.8 GHz主瓣约1.83~1.94 dBi。各频段辐射方向图符合单极子特征，能保障不同安装朝向下的链路稳定性。

1. 5.
   Demonstration of wireless IoT sensor node（无线IoT传感器节点演示）
   研究人员将制备天线连接ESP32 Wroom-U与土壤湿度及pH传感器，田间校准pH缓冲液（4.01/6.86/9.18）后传感器读数稳定且与标定值吻合，数据经WiFi上传ThingSpeak云端可视化。视距（Line-of-Sight, LOS）条件下最大稳定传输距离达521.59 m，明显优于ESP32内置PCB天线。对比已有文献，本天线在30×30 mm^{2最小面积内实现三频段、辐射效率97%、最大增益3.6 dBi，综合性能具优势。}

【讨论与结论翻译】

研究人员得出结论：所提天线尺寸为30 mm×30 mm×4.07 mm，采用PDMS（Polydimethylsiloxane, PDMS）作基底、铜胶带作接地板与辐射贴片，呈"PDMS—铜—PDMS"三明治结构。三种演进设计中第三版在2.4 GHz、4.5 GHz和6.8 GHz产生谐振，其中2.4 GHz最小反射系数达?14.13 dB；仿真显示该模型在6.8 GHz具最高方向性3.6 dBi。天线集成入监测土壤湿度和pH值的IoT系统，结果表明外置天线可显著延长数据传输距离。因此，该PDMS基底柔性天线可用于农业环境监测应用。