《Electronics》：Complex-Scene-Oriented Autonomous Decision-Making Method for UAVs
Hongwei Qu and
Jinlin Zou
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本文针对室内物联网（IoT）场景下2.4 GHz WiFi反向散射通信的应用需求，实验表征了一款全3D打印的2×1微带阵列共形天线。研究人员从平面构型出发，实现了30°、60°和90°三种共形状态，系统评估了弯曲效应对天线性能的影响。仿真与实测结果覆盖了增益、
本文针对室内物联网（IoT）场景下2.4 GHz WiFi反向散射通信的应用需求，实验表征了一款全3D打印的2×1微带阵列共形天线。研究人员从平面构型出发，实现了30°、60°和90°三种共形状态，系统评估了弯曲效应对天线性能的影响。仿真与实测结果覆盖了增益、效率和辐射方向图等核心指标：实测增益从平面状态下的9.4 dBi降至90°弯曲时的6.2 dBi。为进一步评估这些实测增益变化对系统级性能的影响，研究人员将实测功率电平纳入基于时分多址（TDMA）的WiFi反向散射链路模型中，在实际室内条件下（包括视距（LoS）、非视距（NLoS）及残余干扰效应）评估了可达比特传输速率。本研究的主要贡献在于结合了全3D打印射频级共形天线的实验验证与系统级WiFi反向散射评估。综合分析结果表明，在测试的2.4 GHz室内WiFi反向散射条件下，曲率增大会降低可达最大比特传输速率，并在更严格的服务质量（QoS）阈值下导致链路更早失效，这表明共形几何结构是所研究系统中重要的设计考量因素。
该研究发表于《Electronics》，针对室内物联网（IoT）环境中传统天线难以兼顾机械柔性与高频电磁性能的问题，以及现有研究多局限于单纯电磁指标而缺乏系统级链路评估的现状，开展了面向2.4 GHz WiFi反向散射应用的共形天线设计与性能验证工作。研究人员采用射频级3D打印材料PREPERM ABS300设计并制备了2×1微带阵列共形天线，通过引入半圆谐振调节结构与优化的馈电网络，实现了天线在平面及30°、60°、90°弯曲状态下的稳定工作。研究结合电磁仿真与暗室实测，量化了不同曲率下的增益、效率及辐射特性变化，并将实测数据输入基于共生无线电范式的TDMA协议模型，系统分析了弯曲角度对端到端比特传输速率的影响。结果表明，随着弯曲角度增大，天线增益与辐射效率下降，导致反向散射链路预算缩减，在LoS与NLoS环境下均表现为可达速率降低及QoS可行性提前丧失。该工作首次将射频级3D打印共形天线的实验数据与系统级通信协议优化相结合，明确了共形几何在弯曲平台部署中的关键作用，为低功耗室内IoT设备的天线与系统设计提供了重要的实验依据与理论支撑。
研究人员采用了三个关键技术方法：一是基于射频级热塑性材料PREPERM ABS300的熔融沉积成型（FDM）3D打印技术，通过调控填充率实现目标介电常数；二是共形天线设计方法，引入半圆谐振调节结构与四分之一波长阻抗变换器，优化单元间距以平衡方向性与互耦抑制；三是系统级联合评估方法，将暗室实测的天线增益与接收功率数据代入基于时分多址（TDMA）的共生无线电反向散射协议模型，在LoS与NLoS场景下量化弯曲对可达比特速率及服务质量（QoS）可行性的影响。
2. 共形阵列天线设计与实验设置
研究人员设计了2×1微带阵列共形天线，通过在贴片上部引入半径R控制的半圆结构调节表面电流分布与等效电抗加载，补偿弯曲引起的谐振频偏。馈电网络采用微带传输线结构，通过四分之一波长阻抗变换器实现50 Ω匹配，单元间距设为80 mm（约0.64λ）以抑制栅瓣并降低互耦。选用PREPERM ABS300作为基板材料，通过控制3D打印填充率（75%）实现相对介电常数2.4。实验测试了平面、30°、60°、90°四种弯曲状态，结果表明天线在2.4 GHz ISM频段内反射系数均低于-10 dB，平面状态下增益达9.4 dBi，辐射效率约94%，90°弯曲时增益降至6.2 dBi，效率约75%，且结构保持完整无开裂。
3. 共形阵列辅助的WiFi反向散射通信设置
研究人员构建了包含WiFi发射机、共形反向散射阵列与对数周期偶极子阵列（LPDA）接收机的共生无线电链路模型，采用两阶段TDMA帧结构。定义Phase 1为WiFi设备与共形阵列共生阶段，Phase 2为纯反向散射阶段。针对非理想解码场景引入残余串行干扰消除（SIC）因子x量化干扰影响，分别在LoS与NLoS传播条件下，将实测的天线相关功率值替代理论链路预算参数，建立速率计算公式，关联物理层天线性能与链路层传输速率。
4. 基于LoS/NLoS条件的分析与实验比特率评估
在室内家居环境中，研究人员使用商用WiFi路由器作为信号源，实测了四种弯曲角度下不同距离配置的比特传输速率。结果显示：随弯曲角度增大与通信距离增加，所有场景速率单调下降；NLoS因遮挡衰减速率低于LoS；无残余干扰的场景S1速率高于含残余干扰的场景S2。0°与30°弯曲速率显著高于60°与90°，90°时降幅最大。残余干扰场景下，弯曲对速率影响较小，因有效反向散射电平降低的同时也减少了干扰量。QoS阈值分析表明，高阈值下系统更易因链路预算不足而失配，NLoS与高弯曲角度会进一步压缩可行域。
5. 结论与未来工作
研究人员证实，采用PREPERM ABS300全3D打印的2×1共形微带阵列可在30°至90°弯曲范围内保持可用电磁性能，且曲率增大会显著降低反向散射链路可达比特速率并削弱QoS可行性。该工作将射频级3D打印共形天线实验与系统级协议评估相结合，明确了共形几何在弯曲部署中的关键设计地位。未来研究可扩展至更大规模阵列、多频段可重构设计、复杂曲面适配及多标签环境下的联合优化。
