一种新的设计可以使笨重的天线仅为现在的百分之一。图片来源：Tom Grimm/Alamy

科学家说，发送和接收电视信号和无线电波的金属天线可能很快就会被微小的薄膜所取代，而后者的大小可能只是传统天线的百分之一。由此带来的好处包括更小的智能手机和可穿戴技术，以及用来刺激脑细胞的微型植入式设备。

传统的天线非常笨重，因为它们通过在一根金属电缆上震荡电流来传输信号，其发出的电磁(EM)辐射的波长与电缆的大小有关。对于无线电波谱中最常用的部分来说，这意味着天线需要几厘米或几十厘米长，而这取决于它们所发射的辐射的波长。金属天线靠电磁共振运作，其尺寸通常必须大于所用电磁波波长的1/10，因而微型化的余地较小。比如，对于波长为几厘米及以上的无线电波，天线尺寸就无法缩小到毫米以下级别。

然而，在《自然—通讯》杂志日前发表的一篇论文中，美国波士顿东北大学工程师Nian Xiang Sun和他的同事报告说研制成功一种微型天线，这种天线能够以一种新的方式感知和传递EM信号。Sun说，在这个设计中，感知并发射无线电波的天线的直径可以小于1毫米。

其原型天线的工作原理是通过将在一种材料中振动的声波和电磁波耦合在一起。研究人员使用了一种薄的压电薄膜，这种薄膜在受到电流的影响时会产生振动。这种振动依次拉伸并压缩着含有磁性粒子的附着膜。这个过程会产生一个振荡的磁场，进而产生一个电磁波。这一过程以接收无线电波相反的方式发生——入射的辐射在薄膜中形成一个振荡的磁场，从而在附膜上引发了振动，其形状的变化产生了电信号。

新型天线中使用了双层薄膜，其中的压电材料薄膜在受到电流作用时会发生机械振动，即产生声波，导致铁磁体薄膜变形，产生振荡的磁场，从而可以发射电磁波。反过来，在接收信号时，铁磁体受电磁波影响发生振动，带动压电材料运动，产生电信号。

这种天线可以制作得很小，因为声波在其薄膜中的传播速度比它们产生的电磁波慢得多。例如，1个1GHz（千兆赫）的超高频无线电波每秒振荡10亿次。在十亿分之一秒中，这种以光速移动的波前进了30厘米。但在相同频率下振荡的薄膜只移动了几百纳米。

新型天线尺寸只需要与压电材料内部的声波波长相当即可，在同一频率上，声波波长比电磁波波长约小5个数量级，因此天线尺寸可以大幅缩小。实验表明新型天线能在特高频和甚高频范围有效运作，这些频率通常被手机、无线网和电视广播使用。

Sun说，研究人员两年前提出了这种超小型磁天线的想法，但这是第一次测试原型机。“这项工作让最初的概念向现实迈进了一大步。”来自加利福尼亚大学洛杉矶分校的Yuanxun Ethan Wang说，他是提出这项研究基础理论的科学家之一。Wang提醒说，目前还不清楚小天线是否在各个方面都优于传统天线。

Sun表示，他的团队已经在与一些公司合作，旨在将这项技术商业化，并预计涉及这些小型天线的通信系统将在“两到三年内”投入使用。

Sun介绍说，这些天线可能被用于植入大脑的芯片中。生物医学研究人员已经在使用经颅磁刺激——在头部外放置一个电磁线圈以在大脑内部产生电流——治疗抑郁症和偏头痛；这项技术也正在被研究用于治疗认知障碍。但是从线圈中引导电磁波是很棘手的。如果天线能够缩小，一种可接收并发射电磁波的可植入、可控制的芯片便可以更精确地刺激神经元。

Sun同时认为，诸如可穿戴技术和智能手机等消费者使用的产品也会从中受益。

对于智能手机来说，天线的大小并不总是限制因素，但开发商正越来越多地在各种不同尺寸的天线上塞进各种不同的功能，如WiFi、GPS和以实现非接触式支付为目的的近场通信。因此，Sun认为，让天线更小可以帮助简化他们的设计。（来源：中国科学报 赵熙熙）