清华31岁教授将手机天线尺寸缩小100倍，未来有望植入人体｜专访
你知道智能手机也有天线吗？
1887 年，年仅 29 岁的德国人赫兹率先发现电磁波的存在，为人类利用电磁波进行通信创造了条件。如今，我们使用的智能手机便是借助无线电进行远距离信息传输，而天线则是发射和接收无线电的关键设备。可以说，没有天线就没有无线电通信，也就没有智能手机。那我们为什么看不到手机上的天线呢？
手机天线分内置和外置两种，早期的手机一般装配外置天线，比如 “大哥大” 就可以看到尺寸很长的天线。随着技术的发展，天线的尺寸越来越小，被隐藏至机身内部。
从某种意义上来说，“手机发展史” 是一部 “天线发展史”。从 1G 时代 “大哥大” 长达 9.4cm 的天线，到 2G 时代摩托罗拉发布首个双频 GSM 手机，配带尺寸很小的螺旋和鞭状两根天线，再到诺基亚推出 Nokia 3210，天线已完全内置。此后，手机逐渐往小型化和个人化发展，天线也趋小型化和紧凑化。
虽然手机天线尺寸越来越小，但却不能无限缩小，因为传统天线的设计被一种物理机制锁死。传统天线的发射和接收依赖电磁波的谐振，这意味着它们的尺寸需要跟电磁波的波长匹配，导致天线的尺寸难以突破 1/10 电磁波波长的限制。
一般情况下，手机天线长度为波长的 1/2。而若减小天线尺寸，天线的阻抗则难以被匹配，不能实现信号的正常接收和发射。
此外，天线中振荡的电流会引起地面效应，这进一步增大了天线尺寸，这些问题使得传统天线难以被集成，也极大阻碍着无线电子设备、生物传感器以及物联网的发展。
如何突破现有瓶颈使天线可集成、微型化？这是南天翔研究的重点问题。近日，清华大学微电子学研究所助理教授南天翔刚刚入选 “35 岁以下科技创新 35 人” （Innovators Under 35）2020 年中国区榜单，入选理由是突破现有瓶颈，使得天线可集成化和微型化。
图 | 《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”2020 年中国区榜单入选者南天翔
天线也可以变得集成化和微型化
在完成康奈尔大学博士后的工作后，毕业于美国东北大学电子工程系的南天翔博士选择回国，目前在清华大学任助理教授、特聘研究员和博士生导师。他的主要科研方向是新型磁电子纳米器件的前沿领域，其工作集中在开发基于新物理原理特性的下一代电子器件。
南天翔告诉《麻省理工科技评论》中国，他开发了具备可用于神经探测的纳米尺度磁场传感器，以帮助理解人类的脑结构。此外，还发明了高性能自旋电子器件和逻辑电路的原型器件。不过在他看来，关于微机电（MEMS）可集成天线的研究，是其中最突出的一项，也是最让他引以为豪的。而他的这项研究在物理、材料、电子器件、通信等领域都有着巨大的影响力。
图 | 具有巨大磁电耦合的低频磁电天线
可集成微型天线的研究，源于南天翔博士期间在课堂上接触到的关于微机电压电谐振器的介绍，“当时想把老师做的微机电谐振器跟自己正在研究的项目结合在一起，我们跟老师进行合作，做了一系列跟磁电相结合的谐振器，最后发现它可能在可集成天线方面有很大的应用空间。”
实现天线的微型化并不简单，他说：“即使对小型化天线已经研究了超过 100 年，天线的微型化仍然是一项公开的挑战。”
传统天线的工作原理是依靠电磁波的震荡，天线的尺寸需要跟电磁波波长匹配。这里有一个明确的物理限制，不能随意减小天线尺寸，如果减小尺寸意味着其它性能的牺牲。因此，若想缩短天线尺寸，需要寻找新的方法。
南天翔另辟蹊径，找到一种新方法。他研发的小型天线由微机电系统（MEMS）和磁电子材料结合构成，从而能通过声学波驱动磁偶极子谐振产生电磁波的辐射。
这种天线基于一种声学波和磁子的耦合效应：在压电材料与磁性材料组成的结构中，当压电材料被施加电压时会产生变形，并传递至磁性材料使其变形，产生震荡，并最终完成电磁波的发射，满足信息无线传输的所需。
图 | 高频微机电天线
他和团队在硅衬底上通过微机电系统工艺，构筑了可集成的微型天线，这种天线不再依赖电磁波谐振，而是通过声波振动发射电磁波。
也就是说，这种器件的结构以及它的工作原理，是与传统天线截然不同的，其声学波驱动机制，使得天线尺寸能匹配声学波的波长、而非波长更长的电磁波。
图 | 微机电器件和 CMOS 芯片的集成
他的工作抛弃了传统天线的设计原理，实现了理论创新，在实际应用中的突破是显而易见的 —— 工作在 2.5 GHz 频率下的微机电天线，可将传统天线的尺寸缩小两个数量级。南天翔的创新使相同频率下工作的天线尺寸缩小了 100 倍，他发表在 Nature Communications 上的论文曾做过一个对比：2.5 GHz 的天线如果应用传统原理来做的话，面积大概是 11 平方厘米。如果应用声学波驱动机制制作，大概是 0.002 平方厘米。
这一突破对智能手机的更新换代意义重大。目前的手机天线仍占据很大空间，同时，为满足不同通信频率和功能的需求，天线数量也非常多，数量增加要求多个天线之间的形状重新排布，对手机设计提出新的要求。
“手机中的芯片、传感器现在可以做得很小，主要占空间的一个是电池，另一个就是天线。” 他介绍说。
他研发的微型天线则避免了这些问题，“如果使用这种天线的话，能节省很大体积，就可以把手机做得更薄，或者增大电池容量。”
除此以外，对比相同尺寸的传统天线，微机电天线还具备更高的辐射传输效率，它能利用集成电路的工艺制造，且可以实现量产。
这种天线因其微型化、可集成、低成本的特性而具有广阔的应用前景。据预测，到 2025 年将有超过 750 亿个移动设备通过天线接入物联网，这是可集成微型天线的巨大机遇。
例如，当前智能手机使用液晶聚合物天线（LCP）或者利用手机外壳的金属边框，它的尺寸大，难以与手机通信芯片集成，阻碍了 5G 大规模 MIMO 天线的发展，因此产业界对可集成的微型天线阵列的需求很大。同时，可穿戴、可植入生物传感器以及电子皮肤也都需要发展一种微型、无感、高效的通讯技术。
“因为人体的影响，传统天线在可穿戴设备上也面临挑战，而微机电天线的工作原理与传统电偶极子天线不一样，它是一种磁偶极子天线，有效避免了天线的平面效应。” 南天翔介绍说，该天线有望用于可穿戴设备甚至植入人体。
此外，微机电天线可以在硅基片集成大规模阵列，与手机其他射频前端芯片模组集成，将提速通信芯片的发展。“这与业界未来发展方向高度吻合，可能成为一种颠覆性的无线通讯芯片产品。” 说到这里，他表示对微型天线的发展前景充满信心。
能颠覆游戏规则的纳米尺度天线
南方科技大学俞大鹏院士曾评价称：“这项‘能颠覆游戏规则’的纳米尺度天线在诸如物联网、智能手机、生物医疗等领域大有可为。”
南天翔的工作获得了学界的广泛赞誉，包括 Nature 杂志在内的几十家媒体对其进行专题报道，Science 杂志曾撰文评价南天翔的工作称：“可大幅缩小手机和卫星的尺寸，可用于物联网系统，或被植入人体，帮助连接从地球表面、深海到地底的人类。”
当然，南天翔也意识到微机电天线还有大量可提升的空间，他将继续推进自己的研究。早在美国东北大学攻读博士期间，他已开始研究天线。从东北大学的电子工程系，到威斯康辛大学麦迪逊分校材料系的博士后工作，再到康奈尔大学物理系的研究工作，南天翔对天线的研究经历了多次思路的转变，希望通过不同学科的交叉来推动这项技术。
不过，他的学术道路是一以贯之的，在未来也将继续沿着既定的路线前进。南天翔认为，从理论层面弄清楚微机电机械天线的物理过程，有助于进一步缩小天线的尺寸和提升效率。
此外，如何使用新的材料，从底层来提高器件的性能大有研究空间。在应用层面，将开拓微机电天线在不同领域的应用。“总而言之，从底层物理到中间的材料到最上面的应用，都想融会贯通。” 他说道。
在未来，南天翔还将探索微机电天线大规模集成以及产业化的研究，与有实力的通信及微机电系统制造的企业联手，提早布局物联网 - 5G 通信芯片市场，抓住 5G 物联网市场爆发前夕的关键节点。
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