清華31歲教授將手機天線尺寸縮小100倍，未來有望植入人體

你知道智能手機也有天線嗎？

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

　　手機天線分內(nèi)置和外置兩種，早期的手機一般裝配外置天線，比如 “大哥大” 就可以看到尺寸很長的天線。隨著技術的發(fā)展，天線的尺寸越來越小，被隱藏至機身內(nèi)部。

　　從某種意義上來說，“手機發(fā)展史” 是一部 “天線發(fā)展史”。從 1G 時代 “大哥大” 長達 9.4cm 的天線，到 2G 時代摩托羅拉發(fā)布首個雙頻 GSM 手機，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，手機逐漸往小型化和個人化發(fā)展，天線也趨小型化和緊湊化。

　　雖然手機天線尺寸越來越小，但卻不能無限縮小，因為傳統(tǒng)天線的設計被一種物理機制鎖死。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匹配，導致天線的尺寸難以突破 1/10 電磁波波長的限制。

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

　　此外，天線中振蕩的電流會引起地面效應，這進一步增大了天線尺寸，這些問題使得傳統(tǒng)天線難以被集成，也極大阻礙著無線電子設備、生物傳感器以及物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

　　如何突破現(xiàn)有瓶頸使天線可集成、微型化？這是南天翔研究的重點問題。近日，清華大學微電子學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(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 | 《麻省理工科技評論》“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”2020 年中國區(qū)榜單入選者南天翔

　　天線也可以變得集成化和微型化

　　在完成康奈爾大學博士后的工作后，畢業(yè)于美國東北大學電子工程系的南天翔博士選擇回國，目前在清華大學任助理教授、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《麻省理工科技評論》中國，他開發(fā)了具備可用于神經(jīng)探測的納米尺度磁場傳感器，以幫助理解人類的腦結構。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。不過在他看來，關于微機電（MEMS）可集成天線的研究，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于微機電壓電諧振器的介紹，“當時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，我們跟老師進行合作，做了一系列跟磁電相結合的諧振器，最后發(fā)現(xiàn)它可能在可集成天線方面有很大的應用空間。”

　　實現(xiàn)天線的微型化并不簡單，他說：“即使對小型化天線已經(jīng)研究了超過 100 年，天線的微型化仍然是一項公開的挑戰(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相匹配。這里有一個明確的物理限制，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)的小型天線由微機電系統(tǒng)（MEMS）和磁電子材料結合構成，從而能通過聲學波驅(qū)動磁偶極子諧振產(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會產(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，滿足信息無線傳輸?shù)乃琛?/p>

　　圖 | 高頻微機電天線

　　他和團隊在硅襯底上通過微機電系統(tǒng)工藝，構筑了可集成的微型天線，這種天線不再依賴電磁波諧振，而是通過聲波振動發(fā)射電磁波。

　　也就是說，這種器件的結構以及它的工作原理，是與傳統(tǒng)天線截然不同的，其聲學波驅(qū)動機制，使得天線尺寸能匹配聲學波的波長、而非波長更長的電磁波。

　　圖 | 微機電器件和 CMOS 芯片的集成

　　他的工作拋棄了傳統(tǒng)天線的設計原理，實現(xiàn)了理論創(chuàng)新，在實際應用中的突破是顯而易見的 —— 工作在 2.5 GHz 頻率下的微機電天線，可將傳統(tǒng)天線的尺寸縮小兩個數(shù)量級。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 上的論文曾做過一個對比：2.5 GHz 的天線如果應用傳統(tǒng)原理來做的話，面積大概是 11 平方厘米。如果應用聲學波驅(qū)動機制制作，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。目前的手機天線仍占據(jù)很大空間，同時，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)量增加要求多個天線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(xiàn)在可以做得很小，主要占空間的一個是電池，另一個就是天線?！?他介紹說。

　　他研發(fā)的微型天線則避免了這些問題，“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(tǒng)天線，微機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用前景。據(jù)預測，到 2025 年將有超過 750 億個移動設備通過天線接入物聯(lián)網(wǎng)，這是可集成微型天線的巨大機遇。

　　例如，當前智能手機使用液晶聚合物天線（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(guī)模 MIMO 天線的發(fā)展，因此產(chǎn)業(yè)界對可集成的微型天線陣列的需求很大。同時，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、無感、高效的通訊技術。

　　“因為人體的影響，傳統(tǒng)天線在可穿戴設備上也面臨挑戰(zhàn)，而微機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?！?南天翔介紹說，該天線有望用于可穿戴設備甚至植入人體。

　　此外，微機電天線可以在硅基片集成大規(guī)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)界未來發(fā)展方向高度吻合，可能成為一種顛覆性的無線通訊芯片產(chǎn)品?！?說到這里，他表示對微型天線的發(fā)展前景充滿信心。

　　能顛覆游戲規(guī)則的納米尺度天線

　　南方科技大學俞大鵬院士曾評價稱：“這項‘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、生物醫(yī)療等領域大有可為?！?/p>

　　南天翔的工作獲得了學界的廣泛贊譽，包括 Nature 雜志在內(nèi)的幾十家媒體對其進行專題報道，Science 雜志曾撰文評價南天翔的工作稱：“可大幅縮小手機和衛(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>

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

　　不過，他的學術道路是一以貫之的，在未來也將繼續(xù)沿著既定的路線前進。南天翔認為，從理論層面弄清楚微機電機械天線的物理過程，有助于進一步縮小天線的尺寸和提升效率。

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

　　在未來，南天翔還將探索微機電天線大規(guī)模集成以及產(chǎn)業(yè)化的研究，與有實力的通信及微機電系統(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，抓住 5G 物聯(lián)網(wǎng)市場爆發(fā)前夕的關鍵節(jié)點。