在浙江千岛湖，西安交通大学研究团队将一台小型低频发射机置于约30米深的水下，115米外的岸上接收设备成功接收到信号。这台发射机尺寸约6厘米×6.5厘米×7厘米，整机功耗仅10.4毫瓦。

近日，西安交通大学联合国内外研究团队，以“压电驱动磁偶极扭转谐振器实现低频天线小型化”（Piezoelectrically actuated magnetic dipole twisting resonators enable miniaturized low-frequency antennas）为题在国际学术期刊《科学进展》（Science Advances）发表相关成果。该研究提出了一种压电驱动磁偶极扭转谐振器（PMTR），利用压电材料驱动永磁体周期性扭转，产生低频交变磁场，为低频天线的小型化设计提供了新的技术方案。

图1 压电驱磁谐振器结构设计及小型化低频发射系统实物

海底监测设备、水下机器人和潜水作业都需要与岸上保持通信。声波可在水中传播较远距离，却难以直接跨越水—气界面；光通信受水体浑浊度与对准条件限制；高频无线电在海水中衰减较快。低频电磁信号虽然具有较好的跨介质传播能力，但是传统低频天线体积较大，效率随着尺寸的缩小显著下降，难以兼顾小型化与低功耗。

西安交大团队将压电驱动与磁偶极扭转谐振相结合，利用压电单晶的微小形变，带动永磁体绕轴往复扭转，使磁偶极矩方向周期性变化，产生低频交变磁场。团队通过高性能压电单晶、仿生对称结构和刚度优化降低机械损耗，并利用谐振放大扭转幅度，提高磁场调制效率。

谐振器的工作频率为15.4赫兹，器件体积约6.3立方厘米，机械品质因数达到620。在仅1.6毫瓦的器件输入功率下，100米处的交变磁场约为0.62皮特斯拉（pT）。与相似尺寸的传统环形线圈相比，其辐射效率提高约4.9万倍。

团队将谐振器、驱动与调制电路、电源和防水结构集成为完整发射系统，并在千岛湖开展跨域通信实验。发射机部署于约30米水深处，115米外的岸上接收端仍测得约0.5皮特斯拉的磁场信号，整套发射系统功耗仅10.4毫瓦。因此，如果采用2600毫安时锂电池供电，系统有望连续运行一个月以上，有利于减轻长期水下监测设备的供电和维护负担。

图2 浙江千岛湖水—气跨介质通信实地实验

研究团队还将上述设计思路推进至毫米尺度，设计出了毫米级低频磁天线，其工作频率为668赫兹，体积仅0.023立方厘米，质量约178毫克。在离体生物组织实验中，器件以375微瓦的输入功率实现了0.6米距离的编码信号传输。

图3 PMTR2微型器件及离体组织通信实验

未来，这类微型低频天线有望应用于海底监测、水下机器人和应急搜救等场景，并进一步连接水下、水面、岸基与空中平台，拓展天—海—地跨域通信的应用空间。同时，其小型化、低功耗及无线能量收集能力，也为植入式医疗设备的无线通信与供能提供了新的技术途径。

西安交通大学为论文的第一完成单位，西安交通大学电信学部常江磊助理教授为论文第一作者，李飞和高翔宇教授以及南京理工大学汪尧进教授为论文通讯作者。中国科学院上海硅酸盐研究所、香港城市大学等单位参与合作研究。研究工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aek2097