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

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。

手机辐射的危害性有多大

vivo手机严格执行移动设备电磁辐射国家标准，符合国家标准GB 21288-2007的要求，磁辐射比吸收率（SAR）最大值为2.0W/kg，请放心使用。另外本机SAR具体值可在手机设置--系统设置/更多设置--（客户服务）--使用手册--手机维护与保养--本机SAR值进行查看。

手机对人体的危害大吗？

据中国室内装饰协会室内环境监测工作委员会的赵玉峰教授介绍，手机辐射对人的头部危害较大，它会对人的中枢神经系统造成机能性障碍，引起头痛、头昏、失眠、多梦和脱发等症状，有的人面部还会有刺激感。在美国和日本，已有不少怀疑因手机辐射而导致脑瘤的案例。去年7月，美国马里兰州一名患脑癌的男子认为使用手机使他患上了癌症，于是对手机制造商提起了诉讼。因此，人们在接电话时最好先把手机拿到离身体较远的距离接通，然后再放到耳边通话。此外，尽量不要用手机聊天，睡觉时也注意不要把手机放在枕头边。 莫挂在胸前 许多女孩子喜欢把手机挂在胸前，但是研究表明，手机挂在胸前，会对心脏和内分泌系统产生一定影响。即使在辐射较小的待机状态下，手机周围的电磁波辐射也会对人体造成伤害。心脏功能不全、心律不齐的人尤其要注意不能把手机挂在胸前。有专家认为，电磁辐射还会影响内分泌功能，导致女性月经失调。另外，电磁波辐射还会影响正常的细胞代谢，造成体内钾、钙、钠等金属离子紊乱。 手机中一般装有屏蔽设备，可减少辐射对人体的伤害，含铝、铅等重金属的屏蔽设备防护效果较好。但女性为了美观，往往会选择小巧的手机，这种手机的防护功能有可能不够完善，因此，女性朋友最好不要把手机挂在胸前。 放在裤袋会杀精 据6月28日英国《泰晤士报》报道，匈牙利科学家发现，经常携带和使用手机的男性的精子数目可减少多达30%。有医学专家指出，手机若常挂在人体的腰部或腹部旁，其收发信号时产生的电磁波将辐射到人体内的精子或卵子，这可能会影响使用者的生育机能。英国的实验报告指出，老鼠被手机微波辐射5分钟，就会产生DNA病变；人类的精、卵子长时间受到手机微波辐射，也有可能产生DNA病变。 专家建议手机使用者尽量让手机远离腰、腹部，不要将手机挂在腰上或放在大衣口袋里。有些男性把手机塞在裤子口袋内，这对精子威胁最大，因为裤子的口袋就在睾丸旁边。当使用者在办公室、家中或车上时，最好把手机摆在一边。外出时可以把手机放在皮包里，这样离身体较远。使用耳机来接听手机也能有效减少手机辐射的影响。手机辐射与脑瘤的关系 目前，中国的手机拥有量已达1亿多部，据预测，2002年以后，中国的手机拥有总量将会超过美国。 但是，同世界上任何一个国家一样，如此钟爱手机的中国人对于手机会给自己带来怎样的健康隐患并没有足够的心理准备，或者说，没有人愿意正视这一严肃的问题。 罕见脑瘤疑为手机辐射所致 在解放军304医院的神经外科病房，笔者见到了一位脑瘤患者。该院神经外科主任医师、首都脑胶质瘤治疗中心李安民教授称，这位患者患了一种罕见的恶性脑瘤———学名“脑胶质瘤”———被怀疑是由于长期的手机辐射引起的。 在304医院李教授的办公室里，他向笔者做了具体介绍。李说，患者是一位40多岁的机关干部，使用手机的历史已有8年，而且使用频率很高，平时习惯用左手接听手机。大约一年前患者感觉记忆力不好、头晕、头疼。经过检查，在患者的大脑左半球顶叶发现了一个鹅蛋大小的脑胶质瘤。 李教授还说，除此之外，普通的胶质瘤呈团块状，像月亮一样边界清晰；这名患者的瘤子呈弥散型，界限不清楚，如同大米里掺了沙子。李教授由此推断：“这有很大可能由手机辐射引起的脑胶质瘤。” 为了更清晰地说明病因，李教授从桌子上拿起一个头盖骨标本指给笔者看：“患者肿瘤生长的部位恰恰是手机天线电磁波辐射最集中的区域，而通常情况下，脑胶质瘤很少会发生在这个部位。”这一脑瘤混合体 不能进行手术切除，治疗的难度比普通的脑瘤大得多。刚来304医院时，患者已经下不来床，说话也很困难。运用化疗等办法，经过近1年时间的治疗，病人目前已经大有好转，但能否治愈还很难说。 “辐射等于把脑子煮熟了” 英国学者曾经做过一个试验，把手机放到线虫的抚育箱里，手机发出的电磁辐射作用一段时间后他们发现，线虫就像用水煮过一样。李教授说：“尽管颅骨可以屏蔽一部分微波，但电磁辐射的穿透力很强，微波穿透颅骨后作用于脑子，等于把脑子煮熟了。” 有关研究证实，使用手机时，会有40％至60％的辐射量直接渗透到脑部一寸到一寸半的深度，而且手机辐射会不停地在脑子里累积。 李教授简单介绍了手机辐射可能致脑瘤的发病过程：脑细胞由神经元细胞和神经胶质细胞组成，神经元细胞受到辐射加热会死亡，这时胶质细胞就会增殖。增殖出来的胶质细胞如果有一部分属于异常，那部分就是癌变。 上大学的时候，李安民教授实习的地方在这个城市的电视发射塔下面。当时全年级200多名学生中很多人夜里睡不着觉，一脱离那个环境就恢复了正常，大家都觉得这事挺邪门儿。 电视塔会对周围环境产生电磁辐射，只是在辐射量上不同罢了。李教授通俗地解释说：“晚上，人的脑细胞本来是安静的，可有个东西老在不停地摇它，人就肯定睡不着。” 手机辐射到底会不会引发脑瘤？手机电磁辐射的危害有多大？ 长期从事电磁辐射研究的王生教授认为，目前国际上还没有一个科学的方法能证明脑瘤是由于电磁辐射引起的，但电磁辐射如果超过一定强度、持续一定时间就对人体有害，这是国际上公认的。 中国预防医学科学院环境卫生监测所的研究人员，曾对100多名公司职员进行调查，发现使用手机能引起神经方面的不良反应。比如要求手机使用者和不使用者同时按按纽，测试他们的反应情况，使用手机的人比不使用的人动作需要的平均反应时间延长，与此同时，反应正确的次数则要少。 该监测所所做的一项“移动电话手机对健康的影响调查”进一步表明，长期使用手机会引起胸闷、恶心、食欲减退等不良反应，同时对睡眠质量有不良影响，每天使用时间过长会引起多梦，并可能导致失眠。 国内外的很多报道认为，手机电磁辐射引起的普遍现象是神经衰弱，症状主要有头痛、头晕、记忆力减退、注意力不集中等。 手机挂腰间 将导致不孕？！ 《中国计算机报》 台北市立和平医院不孕病症主治医师吴丽惠以多年门诊经验观察指出，手机若常挂在人体的腰部或腹部旁，其收发信号时产生的电磁波将辐射到体内的精子、卵子，这可能会影响使用者的生育机能。 据我国台湾媒体报道，吴丽惠指出，手机发射的电磁波属于微波，与微波炉发射的微波类似。微波炉可把肉类烤熟、烤焦。手机的微波虽没有微波炉强，但如人体距离太近，也会造成伤害，尤其是手机即将接通的瞬间，电磁波的能量最强，伤害也最大，虽不至于“烤焦”人体，但对于精子、卵子这种微小的生殖细胞所造成的伤害也许将是它们所无法承受的。 近4年来，吴丽惠在和平医院主持不孕病症门诊观察发现，患者几乎都有使用手机的习惯。她建议手机使用者，尽量让手机远离腰、腹部，如不要将手机挂在胸前、挂在腰上或塞在大衣口袋里。有些男性会把手机塞在裤子口袋内，而这对精子威胁最大，因为裤子的口袋就在睾丸旁边。不管是在办公室、家中或车上，手机最好摆在一旁，按下接听键后也不要马上接听，应稍等1、2秒后再接听。 吴丽惠表示，手机对人体的伤害虽不易测量，但目前不断有手机危害人体的报告及论文出现。英国的实验报告指出，老鼠被手机微波辐射5分钟，就会产生DNA病变；人类的精、卵子如长时间受到手机微波辐射，也不排除产生DNA病变的可能，并因此影响生育机能。 手机辐射：比想象中的可怕 三九健康网 和讯 一项最新研究显示，手机释放的电磁辐射对脑细胞的影响比以往估计高出两成。 据新华社报道，研究由西班牙马德里孔普卢滕塞大学应用物理学系进行，负责人塞巴斯蒂安教授指出，现有方法得出的数据，低估了辐射对人体组织的影响，因为一般用于量度电磁辐射SAR指数的模型是圆形，与真实的人类细胞不同。 这次实验证明，使用与实际形状跟人类细胞较相似的模型、如圆筒形和榄球形细胞模型时，电磁场的强度会较高。 研究人员分别透过圆筒形、榄球形和圆球形细胞模型，来测量手机造成的电磁场强度。结果显示，圆筒形和榄球形模型内的电磁场强度，高于圆球形模型一成半至两成。 塞巴斯蒂安说：“既然电磁场的强度较预期大，对健康的影响也会相应提高。我们估计，电磁辐射的遗害会不断累积，在十至十五年后，很可能出现更多因手机普及而导致的癌症个案。” 用手机患眼癌机会率高三倍 据《东方日报》报道，德国一项研究首次发现，手提电话可能会导致眼癌，因为研究人员发现，常用手提电话的人患上眼癌的机会比其他人多出三倍，这项研究结果倘获进一步证实，势必会导致大量索赔诉讼。 由手提电话释放出的辐射，长久以来都被指会暂时改变脑细胞的功能，却一直无证据显示这些辐射会长远地危害人类的健康。 不过，今次由德国埃森大学施汤授领导进行的研究却有惊人发现，他们在调查一种“葡萄膜黑素癌”的眼癌时，便发现该癌症与辐射有密切的关系