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

你知道智能手機(jī)也有天線嗎？

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

　　手機(jī)天線分內(nèi)置和外置兩種，早期的手機(jī)一般裝配外置天線，比如 “大哥大” 就可以看到尺寸很長(zhǎng)的天線。隨著技術(shù)的發(fā)展，天線的尺寸越來(lái)越小，被隱藏至機(jī)身內(nèi)部。

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

　　雖然手機(jī)天線尺寸越來(lái)越小，但卻不能無(wú)限縮小，因?yàn)閭鹘y(tǒng)天線的設(shè)計(jì)被一種物理機(jī)制鎖死。傳統(tǒng)天線的發(fā)射和接收依賴電磁波的諧振，這意味著它們的尺寸需要跟電磁波的波長(zhǎng)匹配，導(dǎo)致天線的尺寸難以突破 1/10 電磁波波長(zhǎng)的限制。

　　一般情況下，手機(jī)天線長(zhǎng)度為波長(zhǎng)的 1/2。而若減小天線尺寸，天線的阻抗則難以被匹配，不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的正常接收和發(fā)射。

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

　　如何突破現(xiàn)有瓶頸使天線可集成、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?cè)脒x “35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人” （Innovators Under 35）2020 年中國(guó)區(qū)榜單，入選理由是突破現(xiàn)有瓶頸，使得天線可集成化和微型化。

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

　　天線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(guó)東北大學(xué)電子工程系的南天翔博士選擇回國(guó)，目前在清華大學(xué)任助理教授、特聘研究員和博士生導(dǎo)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(píng)論》中國(guó)，他開發(fā)了具備可用于神經(jīng)探測(cè)的納米尺度磁場(chǎng)傳感器，以幫助理解人類的腦結(jié)構(gòu)。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(jī)電（MEMS）可集成天線的研究，是其中最突出的一項(xiàng)，也是最讓他引以為豪的。而他的這項(xiàng)研究在物理、材料、電子器件、通信等領(lǐng)域都有著巨大的影響力。

　　圖 | 具有巨大磁電耦合的低頻磁電天線

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

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

　　傳統(tǒng)天線的工作原理是依靠電磁波的震蕩，天線的尺寸需要跟電磁波波長(zhǎng)相匹配。這里有一個(gè)明確的物理限制，不能隨意減小天線尺寸，如果減小尺寸意味著其它性能的犧牲。因此，若想縮短天線尺寸，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)的小型天線由微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）和磁電子材料結(jié)合構(gòu)成，從而能通過(guò)聲學(xué)波驅(qū)動(dòng)磁偶極子諧振產(chǎn)生電磁波的輻射。

　　這種天線基于一種聲學(xué)波和磁子的耦合效應(yīng)：在壓電材料與磁性材料組成的結(jié)構(gòu)中，當(dāng)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，滿足信息無(wú)線傳輸?shù)乃琛?/p>

　　圖 | 高頻微機(jī)電天線

　　他和團(tuán)隊(duì)在硅襯底上通過(guò)微機(jī)電系統(tǒng)工藝，構(gòu)筑了可集成的微型天線，這種天線不再依賴電磁波諧振，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(jié)構(gòu)以及它的工作原理，是與傳統(tǒng)天線截然不同的，其聲學(xué)波驅(qū)動(dòng)機(jī)制，使得天線尺寸能匹配聲學(xué)波的波長(zhǎng)、而非波長(zhǎng)更長(zhǎng)的電磁波。

　　圖 | 微機(jī)電器件和 CMOS 芯片的集成

　　他的工作拋棄了傳統(tǒng)天線的設(shè)計(jì)原理，實(shí)現(xiàn)了理論創(chuàng)新，在實(shí)際應(yīng)用中的突破是顯而易見(jiàn)的 —— 工作在 2.5 GHz 頻率下的微機(jī)電天線，可將傳統(tǒng)天線的尺寸縮小兩個(gè)數(shù)量級(jí)。南天翔的創(chuàng)新使相同頻率下工作的天線尺寸縮小了 100 倍，他發(fā)表在 Nature Communications 上的論文曾做過(guò)一個(gè)對(duì)比：2.5 GHz 的天線如果應(yīng)用傳統(tǒng)原理來(lái)做的話，面積大概是 11 平方厘米。如果應(yīng)用聲學(xué)波驅(qū)動(dòng)機(jī)制制作，大概是 0.002 平方厘米。

　　這一突破對(duì)智能手機(jī)的更新?lián)Q代意義重大。目前的手機(jī)天線仍占據(jù)很大空間，同時(shí)，為滿足不同通信頻率和功能的需求，天線數(shù)量也非常多，數(shù)量增加要求多個(gè)天線之間的形狀重新排布，對(duì)手機(jī)設(shè)計(jì)提出新的要求。

　　“手機(jī)中的芯片、傳感器現(xiàn)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?！?他介紹說(shuō)。

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

　　除此以外，對(duì)比相同尺寸的傳統(tǒng)天線，微機(jī)電天線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(xiàn)量產(chǎn)。

　　這種天線因其微型化、可集成、低成本的特性而具有廣闊的應(yīng)用前景。據(jù)預(yù)測(cè)，到 2025 年將有超過(guò) 750 億個(gè)移動(dòng)設(shè)備通過(guò)天線接入物聯(lián)網(wǎng)，這是可集成微型天線的巨大機(jī)遇。

　　例如，當(dāng)前智能手機(jī)使用液晶聚合物天線（LCP）或者利用手機(jī)外殼的金屬邊框，它的尺寸大，難以與手機(jī)通信芯片集成，阻礙了 5G 大規(guī)模 MIMO 天線的發(fā)展，因此產(chǎn)業(yè)界對(duì)可集成的微型天線陣列的需求很大。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?yàn)槿梭w的影響，傳統(tǒng)天線在可穿戴設(shè)備上也面臨挑戰(zhàn)，而微機(jī)電天線的工作原理與傳統(tǒng)電偶極子天線不一樣，它是一種磁偶極子天線，有效避免了天線的平面效應(yīng)?！?南天翔介紹說(shuō)，該天線有望用于可穿戴設(shè)備甚至植入人體。

　　此外，微機(jī)電天線可以在硅基片集成大規(guī)模陣列，與手機(jī)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)線通訊芯片產(chǎn)品?！?說(shuō)到這里，他表示對(duì)微型天線的發(fā)展前景充滿信心。

　　能顛覆游戲規(guī)則的納米尺度天線

　　南方科技大學(xué)俞大鵬院士曾評(píng)價(jià)稱：“這項(xiàng)‘能顛覆游戲規(guī)則’的納米尺度天線在諸如物聯(lián)網(wǎng)、智能手機(jī)、生物醫(yī)療等領(lǐng)域大有可為。”

　　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(nèi)的幾十家媒體對(duì)其進(jìn)行專題報(bào)道，Science 雜志曾撰文評(píng)價(jià)南天翔的工作稱：“可大幅縮小手機(jī)和衛(wèi)星的尺寸，可用于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，或被植入人體，幫助連接從地球表面、深海到地底的人類?！?/p>

　　當(dāng)然，南天翔也意識(shí)到微機(jī)電天線還有大量可提升的空間，他將繼續(xù)推進(jìn)自己的研究。早在美國(guó)東北大學(xué)攻讀博士期間，他已開始研究天線。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(duì)天線的研究經(jīng)歷了多次思路的轉(zhuǎn)變，希望通過(guò)不同學(xué)科的交叉來(lái)推動(dòng)這項(xiàng)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(xù)沿著既定的路線前進(jìn)。南天翔認(rèn)為，從理論層面弄清楚微機(jī)電機(jī)械天線的物理過(guò)程，有助于進(jìn)一步縮小天線的尺寸和提升效率。

　　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(yīng)用層面，將開拓微機(jī)電天線在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。“總而言之，從底層物理到中間的材料到最上面的應(yīng)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(jī)電天線大規(guī)模集成以及產(chǎn)業(yè)化的研究，與有實(shí)力的通信及微機(jī)電系統(tǒng)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(jié)點(diǎn)。