清華31歲教授將手機天線(xiàn)尺寸縮小100倍，未來(lái)有望植入人體

你知道智能手機也有天線(xiàn)嗎？

　　1887 年，年僅 29 歲的德國人赫茲率先發(fā)現電磁波的存在，為人類(lèi)利用電磁波進(jìn)行通信創(chuàng )造了條件。如今，我們使用的智能手機便是借助無(wú)線(xiàn)電進(jìn)行遠距離信息傳輸，而天線(xiàn)則是發(fā)射和接收無(wú)線(xiàn)電的關(guān)鍵設備?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有天線(xiàn)就沒(méi)有無(wú)線(xiàn)電通信，也就沒(méi)有智能手機。那我們?yōu)槭裁纯床坏绞謾C上的天線(xiàn)呢？

　　手機天線(xiàn)分內置和外置兩種，早期的手機一般裝配外置天線(xiàn)，比如 “大哥大” 就可以看到尺寸很長(cháng)的天線(xiàn)。隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，天線(xiàn)的尺寸越來(lái)越小，被隱藏至機身內部。

　　從某種意義上來(lái)說(shuō)，“手機發(fā)展史” 是一部 “天線(xiàn)發(fā)展史”。從 1G 時(shí)代 “大哥大” 長(cháng)達 9.4cm 的天線(xiàn)，到 2G 時(shí)代摩托羅拉發(fā)布首個(gè)雙頻 GSM 手機，配帶尺寸很小的螺旋和鞭狀兩根天線(xiàn)，再到諾基亞推出 Nokia 3210，天線(xiàn)已完全內置。此后，手機逐漸往小型化和個(gè)人化發(fā)展，天線(xiàn)也趨小型化和緊湊化。

　　雖然手機天線(xiàn)尺寸越來(lái)越小，但卻不能無(wú)限縮小，因為傳統天線(xiàn)的設計被一種物理機制鎖死。傳統天線(xiàn)的發(fā)射和接收依賴(lài)電磁波的諧振，這意味著(zhù)它們的尺寸需要跟電磁波的波長(cháng)匹配，導致天線(xiàn)的尺寸難以突破 1/10 電磁波波長(cháng)的限制。

　　一般情況下，手機天線(xiàn)長(cháng)度為波長(cháng)的 1/2。而若減小天線(xiàn)尺寸，天線(xiàn)的阻抗則難以被匹配，不能實(shí)現信號的正常接收和發(fā)射。

　　此外，天線(xiàn)中振蕩的電流會(huì )引起地面效應，這進(jìn)一步增大了天線(xiàn)尺寸，這些問(wèn)題使得傳統天線(xiàn)難以被集成，也極大阻礙著(zhù)無(wú)線(xiàn)電子設備、生物傳感器以及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

　　如何突破現有瓶頸使天線(xiàn)可集成、微型化？這是南天翔研究的重點(diǎn)問(wèn)題。近日，清華大學(xué)微電子學(xué)研究所助理教授南天翔剛剛入選 “35 歲以下科技創(chuàng )新 35 人” （Innovators Under 35）2020 年中國區榜單，入選理由是突破現有瓶頸，使得天線(xiàn)可集成化和微型化。

　　圖 | 《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創(chuàng )新 35 人”2020 年中國區榜單入選者南天翔

　　天線(xiàn)也可以變得集成化和微型化

　　在完成康奈爾大學(xué)博士后的工作后，畢業(yè)于美國東北大學(xué)電子工程系的南天翔博士選擇回國，目前在清華大學(xué)任助理教授、特聘研究員和博士生導師。他的主要科研方向是新型磁電子納米器件的前沿領(lǐng)域，其工作集中在開(kāi)發(fā)基于新物理原理特性的下一代電子器件。

　　南天翔告訴《麻省理工科技評論》中國，他開(kāi)發(fā)了具備可用于神經(jīng)探測的納米尺度磁場(chǎng)傳感器，以幫助理解人類(lèi)的腦結構。此外，還發(fā)明了高性能自旋電子器件和邏輯電路的原型器件。不過(guò)在他看來(lái)，關(guān)于微機電（MEMS）可集成天線(xiàn)的研究，是其中最突出的一項，也是最讓他引以為豪的。而他的這項研究在物理、材料、電子器件、通信等領(lǐng)域都有著(zhù)巨大的影響力。

　　圖 | 具有巨大磁電耦合的低頻磁電天線(xiàn)

　　可集成微型天線(xiàn)的研究，源于南天翔博士期間在課堂上接觸到的關(guān)于微機電壓電諧振器的介紹，“當時(shí)想把老師做的微機電諧振器跟自己正在研究的項目結合在一起，我們跟老師進(jìn)行合作，做了一系列跟磁電相結合的諧振器，最后發(fā)現它可能在可集成天線(xiàn)方面有很大的應用空間?！?/p>

　　實(shí)現天線(xiàn)的微型化并不簡(jiǎn)單，他說(shuō)：“即使對小型化天線(xiàn)已經(jīng)研究了超過(guò) 100 年，天線(xiàn)的微型化仍然是一項公開(kāi)的挑戰?！?/p>

　　傳統天線(xiàn)的工作原理是依靠電磁波的震蕩，天線(xiàn)的尺寸需要跟電磁波波長(cháng)相匹配。這里有一個(gè)明確的物理限制，不能隨意減小天線(xiàn)尺寸，如果減小尺寸意味著(zhù)其它性能的犧牲。因此，若想縮短天線(xiàn)尺寸，需要尋找新的方法。

　　南天翔另辟蹊徑，找到一種新方法。他研發(fā)的小型天線(xiàn)由微機電系統（MEMS）和磁電子材料結合構成，從而能通過(guò)聲學(xué)波驅動(dòng)磁偶極子諧振產(chǎn)生電磁波的輻射。

　　這種天線(xiàn)基于一種聲學(xué)波和磁子的耦合效應：在壓電材料與磁性材料組成的結構中，當壓電材料被施加電壓時(shí)會(huì )產(chǎn)生變形，并傳遞至磁性材料使其變形，產(chǎn)生震蕩，并最終完成電磁波的發(fā)射，滿(mǎn)足信息無(wú)線(xiàn)傳輸的所需。

　　圖 | 高頻微機電天線(xiàn)

　　他和團隊在硅襯底上通過(guò)微機電系統工藝，構筑了可集成的微型天線(xiàn)，這種天線(xiàn)不再依賴(lài)電磁波諧振，而是通過(guò)聲波振動(dòng)發(fā)射電磁波。

　　也就是說(shuō)，這種器件的結構以及它的工作原理，是與傳統天線(xiàn)截然不同的，其聲學(xué)波驅動(dòng)機制，使得天線(xiàn)尺寸能匹配聲學(xué)波的波長(cháng)、而非波長(cháng)更長(cháng)的電磁波。

　　圖 | 微機電器件和 CMOS 芯片的集成

　　他的工作拋棄了傳統天線(xiàn)的設計原理，實(shí)現了理論創(chuàng )新，在實(shí)際應用中的突破是顯而易見(jiàn)的 —— 工作在 2.5 GHz 頻率下的微機電天線(xiàn)，可將傳統天線(xiàn)的尺寸縮小兩個(gè)數量級。南天翔的創(chuàng )新使相同頻率下工作的天線(xiàn)尺寸縮小了 100 倍，他發(fā)表在 Nature Communications 上的論文曾做過(guò)一個(gè)對比：2.5 GHz 的天線(xiàn)如果應用傳統原理來(lái)做的話(huà)，面積大概是 11 平方厘米。如果應用聲學(xué)波驅動(dòng)機制制作，大概是 0.002 平方厘米。

　　這一突破對智能手機的更新?lián)Q代意義重大。目前的手機天線(xiàn)仍占據很大空間，同時(shí)，為滿(mǎn)足不同通信頻率和功能的需求，天線(xiàn)數量也非常多，數量增加要求多個(gè)天線(xiàn)之間的形狀重新排布，對手機設計提出新的要求。

　　“手機中的芯片、傳感器現在可以做得很小，主要占空間的一個(gè)是電池，另一個(gè)就是天線(xiàn)?！?他介紹說(shuō)。

　　他研發(fā)的微型天線(xiàn)則避免了這些問(wèn)題，“如果使用這種天線(xiàn)的話(huà)，能節省很大體積，就可以把手機做得更薄，或者增大電池容量?！?/p>

　　除此以外，對比相同尺寸的傳統天線(xiàn)，微機電天線(xiàn)還具備更高的輻射傳輸效率，它能利用集成電路的工藝制造，且可以實(shí)現量產(chǎn)。

　　這種天線(xiàn)因其微型化、可集成、低成本的特性而具有廣闊的應用前景。據預測，到 2025 年將有超過(guò) 750 億個(gè)移動(dòng)設備通過(guò)天線(xiàn)接入物聯(lián)網(wǎng)，這是可集成微型天線(xiàn)的巨大機遇。

　　例如，當前智能手機使用液晶聚合物天線(xiàn)（LCP）或者利用手機外殼的金屬邊框，它的尺寸大，難以與手機通信芯片集成，阻礙了 5G 大規模 MIMO 天線(xiàn)的發(fā)展，因此產(chǎn)業(yè)界對可集成的微型天線(xiàn)陣列的需求很大。同時(shí)，可穿戴、可植入生物傳感器以及電子皮膚也都需要發(fā)展一種微型、無(wú)感、高效的通訊技術(shù)。

　　“因為人體的影響，傳統天線(xiàn)在可穿戴設備上也面臨挑戰，而微機電天線(xiàn)的工作原理與傳統電偶極子天線(xiàn)不一樣，它是一種磁偶極子天線(xiàn)，有效避免了天線(xiàn)的平面效應?！?南天翔介紹說(shuō)，該天線(xiàn)有望用于可穿戴設備甚至植入人體。

　　此外，微機電天線(xiàn)可以在硅基片集成大規模陣列，與手機其他射頻前端芯片模組集成，將提速通信芯片的發(fā)展?！斑@與業(yè)界未來(lái)發(fā)展方向高度吻合，可能成為一種顛覆性的無(wú)線(xiàn)通訊芯片產(chǎn)品?！?說(shuō)到這里，他表示對微型天線(xiàn)的發(fā)展前景充滿(mǎn)信心。

　　能顛覆游戲規則的納米尺度天線(xiàn)

　　南方科技大學(xué)俞大鵬院士曾評價(jià)稱(chēng)：“這項‘能顛覆游戲規則’的納米尺度天線(xiàn)在諸如物聯(lián)網(wǎng)、智能手機、生物醫療等領(lǐng)域大有可為?！?/p>

　　南天翔的工作獲得了學(xué)界的廣泛贊譽(yù)，包括 Nature 雜志在內的幾十家媒體對其進(jìn)行專(zhuān)題報道，Science 雜志曾撰文評價(jià)南天翔的工作稱(chēng)：“可大幅縮小手機和衛星的尺寸，可用于物聯(lián)網(wǎng)系統，或被植入人體，幫助連接從地球表面、深海到地底的人類(lèi)?！?/p>

　　當然，南天翔也意識到微機電天線(xiàn)還有大量可提升的空間，他將繼續推進(jìn)自己的研究。早在美國東北大學(xué)攻讀博士期間，他已開(kāi)始研究天線(xiàn)。從東北大學(xué)的電子工程系，到威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校材料系的博士后工作，再到康奈爾大學(xué)物理系的研究工作，南天翔對天線(xiàn)的研究經(jīng)歷了多次思路的轉變，希望通過(guò)不同學(xué)科的交叉來(lái)推動(dòng)這項技術(shù)。

　　不過(guò)，他的學(xué)術(shù)道路是一以貫之的，在未來(lái)也將繼續沿著(zhù)既定的路線(xiàn)前進(jìn)。南天翔認為，從理論層面弄清楚微機電機械天線(xiàn)的物理過(guò)程，有助于進(jìn)一步縮小天線(xiàn)的尺寸和提升效率。

　　此外，如何使用新的材料，從底層來(lái)提高器件的性能大有研究空間。在應用層面，將開(kāi)拓微機電天線(xiàn)在不同領(lǐng)域的應用?！翱偠灾?，從底層物理到中間的材料到最上面的應用，都想融會(huì )貫通?！?他說(shuō)道。

　　在未來(lái)，南天翔還將探索微機電天線(xiàn)大規模集成以及產(chǎn)業(yè)化的研究，與有實(shí)力的通信及微機電系統制造的企業(yè)聯(lián)手，提早布局物聯(lián)網(wǎng) - 5G 通信芯片市場(chǎng)，抓住 5G 物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)爆發(fā)前夕的關(guān)鍵節點(diǎn)。