「新一代天線問世：尺寸縮小 100 倍，將用於攜帶型無線通訊」是真的嗎？

01-03

新一代天線問世：尺寸縮小100倍，將用於攜帶型無線通訊
此次，美國東北大學的一組研究團隊發明了一種新的天線，它的主要元件呈薄膜狀，能與特定的電磁波頻率而非波長產生共振，大大縮小了天線的尺寸，使之可比當前的小型天線還小100倍。關鍵之處在於，其薄膜由一層磁電材料製成，發生震動時，這層磁電薄膜會改變磁化強度，在聲震的同時發射和接收輻射。
研究團隊發現，新的天線與相似大小的傳統天線相比性能更佳，且它們完全不需要任何電源，僅由簡單的電子元件組成即可工作。此外，不同的幾何設計能控制薄膜共振的頻率，他們通過兩種不同的設計，實現了從特高頻（UHF）到甚高頻（VHF）的跨越，展示了這項技術的成熟應用。
Tiny Membrane-Based Antennas

大家好，我是這篇Nature Comm. 文章的一作。這兩天看到了好多新聞稿，不知道會有這麼多人關注這個很基礎的文章。剛剛同事告訴我知乎上也有了。一直在知乎潛水，沒想到第一個回答是自己的工作，哈哈。不知道大家有什麼感興趣的要問？我可以總結在這裡。

貼上 Nature 和 Science 的新聞，雖然寫的也很玄乎。。。

Mini-antennas could power brain-computer interfaces, medical devices

Ultra-small antennas point way to miniature brain implants

謝邀。

我看了一下原始出處的英語新聞原文，還沒來及去Nature通訊期刊的online版上去找文中提到的「細節」，現在把新聞原文粗翻出來給各位先看著。

英文新聞稿寫得還可以，劃重點：這項新技術的核心思路是利用壓電效應，通過一些特殊材料製造的薄膜實現電磁波與聲音頻率範圍內的機械振動的相互轉換，以「解鎖」傳統天線設計中「天線尺寸不能小於無線信號波長一定比例」的限制。

這種思路或者方法說不上新奇。目前在電子產品中已經大量應用的聲表濾波器（SAW）就是利用這種原理設計製造的，現在用在天線上，是不是真的能給無線移動產品吹來一陣新風，還要拭目以待。畢竟，在手機這種尺寸的產品上，天線設計的難點並不只有結構和尺寸，效率和帶寬才是最頭疼的問題。倒是物聯網感測器、生物體植入式設備上，傳統天線的尺寸是主要的痛點之一，這項技術如果能夠較好地解決射頻-音頻-射頻的能量轉換引入的插損、製造工藝以及成本、並最終得以實用化，會有比較光明的前景。

澎湃上的那篇中文通訊，從技術角度只能說寫得亂七八糟、漏洞百出，不但沒有划出用壓電薄膜完成電磁場和聲波之間的轉換這個關鍵點，還自說自劃地引入了一堆錯誤：

「它的主要元件呈薄膜狀，能與特定的電磁波頻率而非波長產生共振」（光速=波長x頻率，光速不變的情況下，給定電磁波的頻率，那麼波長也是確定的）

「它們完全不需要任何電源，僅由簡單的電子元件組成即可工作。」（傳統金屬天線有一句MMP要講：老子也是無源的好吧？老子連匹配網路都可以做成無源的。你無源？有種連功放也不用啊？）

「此外，不同的幾何設計能控制薄膜共振的頻率」（這……傳統金屬天線難道不也是通過形狀、長度等幾何設計改變諧振頻率的么？）

唉……

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原新聞出處及翻譯：

Tiny Membrane-Based Antennas

By Charles Q. Choi

Posted 22 Aug 2017 | 16:00 GMT

New membrane-based antennas could be nearly 100 times smaller than the most compact current antennas, a new study finds.

最近的研究成果顯示，新型的基於薄膜的天線尺寸可以比當前天線縮小近100倍。

These antennas could find use in portable wireless communications systems, including wearable electronics, smartphones, bio-implantable antennas, bio-injectable antennas, bio-ingestible antennas, and the Internet of Things, researchers say.

研究者表示這種天線可以被應用在諸如可穿戴設備、智能手機、可植入（或注入、攝入）生物體的天線，以及物聯網之類的無線通訊系統中。

State-of-the-art compact antennas are designed to resonate at specific wavelengths. But their miniaturization is limited to roughly one-tenth of their resonant wavelengths.

傳統的緊湊型天線需要有如藝術般的精確設計來在給定的波長上產生諧振。但它們微型化的尺寸極限受制於其諧振波長的約十分之一。

The new antennas developed by researchers at Northeastern University and their collaborators can now be shrunk to sizes as small as one-thousandth of the wavelength they aim to receive and transmit—without any degradation in performance. The researchers detailed their findings online today in the journal Nature Communications.

研發該新型天線的東北大學研究人員及其合作方現在成功地在保證性能的情況下將天線的尺寸壓縮到了收發的波長的約千分之一。研究人員已經將這項新發現的細節通過網路發布到了Nature Communications的期刊上。

These new antennas consist of thin membranes made up of two different kinds of films. Its piezomagnetic iron-gallium-boron layers convert mechanical oscillations to magnetic signals and vice versa. They are paired with piezoelectric aluminum nitride films, which convert mechanical oscillations to electrical signals and vice versa.

這種新型天線由兩種不同類型的薄膜組成的薄片構成。它通過鐵鎵硼壓磁層完成機械振動和磁場信號的互相轉換。相應的，壓電氮化鋁薄膜將完成機械振動和電場信號的相互轉換。

When these membranes receive electromagnetic signals, their magnetic layers sense the magnetic fields of these electromagnetic waves. This causes the membranes to vibrate, which piezoelectrically generates a voltage.

當這些薄膜接收電磁場信號時，它們的磁性層將從電磁波中感知磁場，並使薄膜產生相應的振動，通過壓磁效應產生電壓。

Conversely, in order for the antennas to transmit, they vibrate. This causes the magnetic layers of the membranes to generate a magnetic current that radiates electromagnetic waves.

相反的，在發射時，這些薄膜將發生振動，使薄膜中的磁性層生成磁電流並發射出電磁波信號。

The sizes of these 「magnetoelectric」 antennas depend on the wavelengths of the acoustic vibrations they operate with instead of the electromagnetic signals they receive and transmit. Because these acoustic wavelengths are about 100,000 times shorter than their corresponding electromagnetic wavelengths, these new antennas can be much smaller than conventional antennas.

這些電磁天線的尺寸取決它們工作時的聲音振動波長，而非它們收發的電磁波信號波長。因為這些聲音波長比與之對應的電磁波長短約十萬倍，這些新型天線在尺寸上可以做得遠小於傳統天線。

「This acoustic antenna concept changes the fundamental principle on which antennas have been designed for over a century, and can lead to dramatically compact antennas with improved performance,」 says study senior author Nian-Xiang Sun, an electrical engineer and materials scientist at Northeastern.

「這種聲學天線的概念改變了一個世紀以來天線設計的基礎理念，它將引起小尺寸天線領域翻天覆地的變化，並且帶來更好的性能。」這項技術的主要研究者、東北大學的材料學科學家、電子工程師孫年祥(?音譯)如是說。

In experiments, these nanoelectromechanical system (NEMS) antennas could receive and transmit at VHF and UHF radio frequencies. In addition, they are completely passive, requiring simple electronics and no battery.

實驗中，這些納米機電系統天線可以在VHF和UHF收發無線電信號。並且，它們是無源的，只需要少量的電子元器件，無需電源驅動。

Future research will attempt to improve antenna performance through new materials, new designs and better fabrication processes, Sun says. 「These are the first magnetoelectric antennas that have been demonstrated, which are not perfect,」 he says. 「We see a lot of room of improvement.」

孫年祥(?音譯)說，未來將會用新的材料、設計和工藝流程來提高這種天線的性能，這是這種磁電天線初次問世，它尚不完美，還有很多改進的空間。

「能與特定的電磁波頻率而非波長產生共振」

「且它們完全不需要任何電源，僅由簡單的電子元件組成即可工作」

作為電磁場與微波技術專業的碩士以及天線工程師，看到以上兩句我很尷尬。

媒體工作者們啊，不要一知半解地寫這些科技新聞，更不要斷章取義，想搞個大新聞，還是要學習一個的。

唉，同樣是做天線的，人家在推動科技進步，我在努力灌水。

吐個槽，原報道「尺寸縮小一百倍」是病句。倍數表達應該用在增加語境中，正確的表達應該是「尺寸縮小為原來的百分之一」。

當年被高考語文前五題虐慘了，現在看見這種病句格外難受，忍不住。。。

最後，現在的記者姿勢水平有待提高啊！

作者來了(??ω?)?嘿趕緊關注一波

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先把NC上的原文貼上 https://www.nature.com/articles/s41467-017-00343-8

明天上午再細看吧_(:з」∠)_

謝邀

不是這個專業的。了解過SAW和壓電效應。以我的淺見，重點還是這種能量轉換方式的效率問題。沒有理解錯的話，應該存在多次能量轉換，所以最終的能量損耗很重要，以及會否存在飽和的問題。如果能量損耗小並且線性度和動態範圍大，那麼可說是突破性進展；否則可能只適用於感測器或者近場通訊。

以上。

看新聞像是類似saw的原理用在天線上，天線效率估計不會太高，薄膜嘛功率容量肯定也不會大。不過用在感測器之類的場景絕對好的，很有意義的工作。

接收不了解，但是UHF發射機很多都是大功率，這小尺寸薄膜能吃得消嗎

技術上可行

謝邀。

我是做無線組網的，天線不是我擅長的，只能從通信業的常識角度分析一下。

我翻看了這則新聞的通訊稿，有一個感悟，就是科技工作者學好英文是很重要的，靠那些學文的傢伙們翻譯來的二手資料會誤了我們的大事！

說實在的，「能與特定的電磁波頻率而非波長產生共振」這句話讓我迷惑了半天……囧

言歸正傳，就舉時下最火的第五代通信技術（5G）來說吧。5G備選關鍵技術中有一項叫Massive MIMO，原理是在發端和收端設備上都部署數量龐大的天線，設備間每對收發天線都形成一個傳輸信道，由於這個收發天線有很多對兒，能形成很多個傳輸信道，對比傳統收發設備間就一個信道傳輸數據而言，傳輸速率成倍提升。這就叫做傳輸的空間復用。

然而一個問題是，要在收端和發端都部署大規模天線陣，可是我的手機才多大啊，我可不想以後提塊搬磚大小的手機上街，萬一被當恐怖分子呢┓( ′-` )┏

所以，天線尺寸的縮小，肯定是有助於這種大規模天線陣部署於便攜設備上的。

然而，故事還沒結束，新一代天線能否發出5G使用頻段的電磁波呢？我看了Science上的通訊稿，上面寫的發射原理是電壓-&>薄膜振動-&>電磁波，解耦了天線尺寸與電波頻率的關係，從這個原理來看，只要找到合適的薄膜材料，任何頻率的電波應該都是能發出來的。

所以我覺得從原理上看，好像還是很有門的，不過這也只是設想，實際實驗效果仍然未知。而且還有一個未知的問題，就是當使用這種新型薄膜天線組成大規模天線陣時，天線間的薄膜振動會不會互相干擾和影響，後果會怎樣？電磁波已經有成熟的辦法消除或協調這種干擾了，如果換了靠聲的薄膜，又該如何辦？所以，未來的路還很遠啊。

掃了眼論文，性能蠻好的，開了眼界了。當然我認為還是有應用局限性的，帶寬太窄。

我估計天線小型化的思路就找小型諧振器，聲表面波諧振器倒是符合條件。然而寬頻的聲表濾波器尺寸都還挺大的....

瀉藥，

我學的是無線電通信中的摩爾斯電碼，不太懂這個。

4年前在學校聽過UCLA一教授做的報告，意思就是通過超聲波震動來改變天線的某個參數，達到某種功能。我不懂天線設計，但他說已經在這個方向上做出一些成果，並很有前景，看來是了。這個新聞所描述的原理聽著挺像報告裡面談到的。

electroacoustic device

同樣的principle也被用於SAW來替代LC濾波器

感覺是一個很好的思路吧