無(wú)線通信誕生之初，雷達(dá)、射電天文及其他射頻應(yīng)用領(lǐng)域便已出現(xiàn)機(jī)械掃描或可調(diào)天線。隨著技術(shù)發(fā)展，機(jī)械控制逐漸被相控陣及多輸入多輸出（MIMO）架構(gòu)的電子掃描天線取代。然而，機(jī)械可調(diào)（非掃描）天線仍較為罕見，且通常局限于預(yù)設(shè)位置與固定形態(tài)（參見《采用特殊材料與 3D 打印技術(shù)制造的熱驅(qū)動(dòng)可變形天線》）。

麻省理工學(xué)院（MIT）跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)研發(fā)的機(jī)械可重構(gòu)天線，即便目前仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，也已成為極具突破性的成果。用戶可通過拉伸、彎曲或壓縮天線，可逆地改變其輻射特性，使設(shè)備能夠在不同帶寬或頻段間切換。憑借可調(diào)節(jié)的頻率范圍，該天線可適應(yīng)動(dòng)態(tài)環(huán)境變化，減少對(duì)多天線配置的需求（見圖 1）。

圖 1 超材料天線的對(duì)稱模式（左）與原型樣機(jī)（右）

左圖：超材料天線可形成多種對(duì)稱模式，圖示僅為單一初始拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的部分可能形態(tài)；右圖：天線原型樣機(jī)，包含收縮狀態(tài)（左上）、展開狀態(tài)（下）及鎖定機(jī)構(gòu)（右上）。

為設(shè)計(jì)這款多功能可重構(gòu)天線，研究團(tuán)隊(duì)采用了超材料技術(shù)。這類人工設(shè)計(jì)材料由周期性排列的單元胞構(gòu)成，可通過旋轉(zhuǎn)、壓縮、拉伸或彎曲實(shí)現(xiàn) “可編程” 變形，從而改變材料特性。

天線的諧振頻率及其他參數(shù)可通過改變有效長(zhǎng)度或引入縫隙 / 孔洞來調(diào)節(jié)。超材料的特性使團(tuán)隊(duì)能夠通過單一結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多種工作狀態(tài)的切換。

剪紙負(fù)泊松比超材料設(shè)計(jì)

研究團(tuán)隊(duì)選用剪紙負(fù)泊松比超材料（Kirigami Auxetic Metamaterials），并制定了五項(xiàng)明確的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。這類材料由帶有周期性切口的可圖案化單元組成，部署時(shí)可通過壓縮、彎曲和旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)多種變形模式（見圖 2）。

圖 2 超材料天線結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)展開、收縮、彎曲、旋轉(zhuǎn)等多種用戶交互操作。

單元胞之間的連接點(diǎn)構(gòu)成四連桿機(jī)構(gòu)，確保結(jié)構(gòu)的機(jī)械穩(wěn)定性。單元胞可沿順時(shí)針或逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，形成特定構(gòu)型，從而實(shí)現(xiàn)不同的變形效果。

什么是負(fù)泊松比材料？

負(fù)泊松比材料（Auxetic Material）具有負(fù)泊松比特性，即拉伸時(shí)變厚、壓縮時(shí)變薄，與大多數(shù)常規(guī)材料的變形行為相反。這種獨(dú)特的力學(xué)響應(yīng)源于其特殊的內(nèi)部微觀或宏觀結(jié)構(gòu)，使其具備抗沖擊性增強(qiáng)、受力時(shí)密度升高、阻尼性能改善等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于跑鞋、生物醫(yī)學(xué)設(shè)備及防護(hù)裝甲等領(lǐng)域。

該天線被稱為“超材料天線（Meta-antenna）”，其結(jié)構(gòu)為三明治夾層設(shè)計(jì)：中間是介質(zhì)層，兩側(cè)為導(dǎo)電層。制造過程中，研究人員通過激光切割橡膠片制備介質(zhì)層，再采用物理掩膜法，在介質(zhì)層表面噴涂導(dǎo)電漆形成貼片，最終制成諧振貼片天線。

研究團(tuán)隊(duì)還深入探討了實(shí)際生產(chǎn)中的問題，以及學(xué)術(shù)研究與工程實(shí)踐的差距。他們發(fā)現(xiàn)，即便是柔韌性最佳的導(dǎo)電材料，也難以承受天線所需的變形量。

為解決這一關(guān)鍵缺陷，團(tuán)隊(duì)經(jīng)過多次 “反復(fù)試驗(yàn)”，最終發(fā)現(xiàn)通過柔性丙烯酸涂料涂覆結(jié)構(gòu)，可有效保護(hù)鉸鏈部位，避免其過早斷裂。

超材料天線的仿真驗(yàn)證

傳統(tǒng)固定天線可通過各類軟件工具進(jìn)行建模與仿真，但對(duì)于這款分層結(jié)構(gòu)的超材料天線，僅對(duì)特定構(gòu)型建模遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，還需結(jié)合制造工藝參數(shù)進(jìn)行分析。為此，團(tuán)隊(duì)基于Ansys HFSS（高頻仿真軟件），通過 Ansys App Builder 和 ACT 工具包開發(fā)了超材料天線設(shè)計(jì)套件編輯器（Meta-antenna Design Suite）（見圖 3）。

圖 3 該套件可幫助用戶生成并仿真超材料天線的幾何結(jié)構(gòu)。

用戶可通過該工具定義天線貼片尺寸、介質(zhì)層厚度及超材料單元胞的長(zhǎng)寬比，系統(tǒng)將自動(dòng)仿真天線的諧振頻率范圍。

應(yīng)用場(chǎng)景拓展

超材料天線的部分應(yīng)用場(chǎng)景已較為明確，而其他場(chǎng)景則具有創(chuàng)新性。例如，研究團(tuán)隊(duì)將一款天線模型集成到頭戴式設(shè)備中，研發(fā)出智能耳機(jī)原型（見圖 4）。

圖 4 在智能耳機(jī)原型中，超材料天線展開并彎曲約 67% 時(shí)，諧振頻率偏移 0.12 GHz（2.6%），實(shí)現(xiàn)耳機(jī)模式切換。

這款耳機(jī)可在主動(dòng)降噪模式與環(huán)境音通透模式之間無(wú)縫切換，同時(shí)通過天線的展開與彎曲（約 67% 變形量）提供直觀的物理狀態(tài)指示。變形過程中，天線諧振頻率偏移 0.12 GHz（2.6%），從而觸發(fā)模式切換。測(cè)試結(jié)果顯示，超材料天線結(jié)構(gòu)的耐用性可支持超過 10,000 次壓縮循環(huán)。

該項(xiàng)目尚未發(fā)表傳統(tǒng)學(xué)術(shù)期刊論文（通常限制 4-5 幅圖表，內(nèi)容高度濃縮）。感興趣的讀者可在 MIT 研究網(wǎng)站查閱一份詳細(xì)、易讀的長(zhǎng)篇項(xiàng)目報(bào)告（包含 20 幅圖表），標(biāo)題為《超材料天線：機(jī)械頻率可重構(gòu)超材料天線（Meta-antenna: Mechanically Frequency Reconfigurable Metamaterial Antennas）》。

報(bào)告涵蓋了從概念設(shè)計(jì)、分析、制造工藝、測(cè)試結(jié)果到應(yīng)用展望的全部?jī)?nèi)容。此外，YouTube 平臺(tái)上還有一段 5 分鐘的項(xiàng)目演示視頻，內(nèi)容詳實(shí)，值得觀看。