與天線(xiàn)結(jié)緣之路

宋潔

當(dāng)車(chē)上播放著實(shí)時(shí)更新的廣播節(jié)目，當(dāng)電視里出現(xiàn)五彩斑斕的動(dòng)畫(huà)人物，亦或是目前人人都離不開(kāi)的手機(jī)導(dǎo)航，這些看似與天線(xiàn)毫無(wú)關(guān)聯(lián)，卻都是利用電磁波來(lái)傳遞信息的；而天線(xiàn)，作為一種無(wú)線(xiàn)電波的接收/發(fā)射器，在其中就恰恰充當(dāng)著“橋梁”的關(guān)鍵之舉。

“無(wú)線(xiàn)通信都是以電磁波作為載體的，那么天線(xiàn)的主要功能就是發(fā)射和接收電磁波信號(hào)。所以.無(wú)線(xiàn)通信與天線(xiàn)是‘難舍難分的關(guān)系?！鄙虾＝煌ù髮W(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院的副教授梁仙靈說(shuō)。與天線(xiàn)結(jié)緣近15年，他在這條路上也愈發(fā)得心應(yīng)手起來(lái)。情系天線(xiàn)

“山不在高，有仙則靈。”

對(duì)梁仙靈來(lái)說(shuō)，以勤奮和堅(jiān)守為“靈”，一路至今，他所攀登過(guò)的“山路”上，也留下扎實(shí)的足?。簭摹熬€(xiàn)天線(xiàn)”到“微帶、縫隙、介質(zhì)等天線(xiàn)”，從“無(wú)源天線(xiàn)”到“有源天線(xiàn)”，從“天線(xiàn)理論”到“天線(xiàn)應(yīng)用”。隨著研究的逐漸深入，他與天線(xiàn)之間的“感情”也越來(lái)越濃厚。當(dāng)然，梁仙靈也經(jīng)歷過(guò)最初的茫然懵懂?！案呖继顖?bào)志愿時(shí)，對(duì)電磁場(chǎng)與微波技術(shù)這個(gè)專(zhuān)業(yè)，我其實(shí)一無(wú)所知，只是在舅舅（西安電子科技大學(xué)周良明教授）的指導(dǎo)和建議下選擇了西電這個(gè)專(zhuān)業(yè)?！绷合伸`談道。

2003年，梁仙靈作為研究生參與了中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所的綜合孔徑雷達(dá)X波段微帶相控陣列天線(xiàn)的合作項(xiàng)目。“盡管初涉課題，一切都是未知數(shù).但我對(duì)微帶陣列天線(xiàn)濃厚的興趣使我信心滿(mǎn)滿(mǎn)。剛開(kāi)始我就從導(dǎo)師鐘順時(shí)所著的《微帶天線(xiàn)理論與應(yīng)用》和大量國(guó)外有關(guān)的綜合孔徑雷達(dá)天線(xiàn)資料入手，每天除了睡覺(jué)和吃飯，其它時(shí)間基本上都在三十八所天饋部里看資料。大概一個(gè)月后，就開(kāi)始綜合孔徑雷達(dá)天線(xiàn)的具體設(shè)計(jì)，然后就是大量的仿真、分析、總結(jié)、實(shí)驗(yàn)及驗(yàn)證等。”梁仙靈談道。功夫不負(fù)有心人.在不到一年的時(shí)間里，他針對(duì)雙極化單元的高隔離和低交叉極化，提出了多種創(chuàng)新性單元結(jié)構(gòu)和饋電形式；又針對(duì)陣列的高隔離和低交叉極化，提出了多種形式的網(wǎng)絡(luò)布局和各種抑制技術(shù)，最終順利完成了雙極化微帶陣列天線(xiàn)的研制，樣機(jī)測(cè)試性能全部滿(mǎn)足指標(biāo)要求，部分性能甚至超出原定指標(biāo)。研制的陣列天線(xiàn)成功應(yīng)用于某機(jī)載綜合孔徑雷達(dá)系統(tǒng)，在汶川、玉樹(shù)地震災(zāi)害災(zāi)情信息獲取，以及國(guó)家西部測(cè)圖工程等測(cè)繪任務(wù)中發(fā)揮了重要作用。此外，這些技術(shù)成果也是梁仙靈榮獲全國(guó)優(yōu)秀博士論文提名獎(jiǎng)的一個(gè)主要成果部分。

挑戰(zhàn)工業(yè)天線(xiàn)設(shè)計(jì)

“天線(xiàn)研究是一門(mén)更偏向于工程應(yīng)用的專(zhuān)業(yè)。因此，對(duì)天線(xiàn)學(xué)者來(lái)講，天線(xiàn)研究的一個(gè)重要價(jià)值是解決其在工程應(yīng)用領(lǐng)域所面臨的實(shí)際問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)其滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求。從工程應(yīng)用方面考慮，天線(xiàn)尺寸越小越好，這樣可以小型化；帶寬越寬越好，最好用一個(gè)天線(xiàn)把所有工作頻段都覆蓋；同時(shí)還要確保效率，保證通信性能。但天線(xiàn)的尺寸、帶寬和效率之間存在矛盾，使三者往往難以同時(shí)兼得，這是天線(xiàn)學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的一個(gè)難題?！绷合伸`說(shuō)道。

2007年，梁仙靈博士畢業(yè)后曾在一家外資企業(yè)從事無(wú)線(xiàn)終端手機(jī)天線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡天線(xiàn)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。不服輸、不怕挑戰(zhàn)的性格使他在外企短短6個(gè)月內(nèi)就與多家公司共同競(jìng)爭(zhēng)6款手機(jī)/網(wǎng)卡天線(xiàn)產(chǎn)品，并且在6款天線(xiàn)產(chǎn)品性能PK中全部勝出。其中他最引以為豪的是開(kāi)發(fā)的USB無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡天線(xiàn)?！案Ｒ?guī)手機(jī)天線(xiàn)相比，USB尺寸僅有它的十分之一。當(dāng)usB無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡連接不同尺寸的筆記本，甚至同一個(gè)筆記本不同接口位置時(shí)，USB無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡天線(xiàn)的性能變化都非常大?！绷合伸`說(shuō)道。經(jīng)過(guò)多個(gè)方案的嘗試和大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，梁仙靈提出將多層帶線(xiàn)耦合技術(shù)和寬帶匹配技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了其工作頻段在GSM850/900/DCS1800/PCS1900/WCDMA上的全覆蓋，解決了不同型號(hào)筆記本以及不同接口的USB無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡天線(xiàn)性能的穩(wěn)定性問(wèn)題。到后來(lái)，該天線(xiàn)在華為Vodafone移動(dòng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡上大展拳腳，成為國(guó)內(nèi)第一款USB移動(dòng)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡產(chǎn)品。

2008年底，梁仙靈加入上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院電子工程系?！败?chē)載數(shù)字電視天線(xiàn)項(xiàng)目”是他加入后參與的第一項(xiàng)課題?！霸S多轎車(chē)頂部都有一個(gè)像魚(yú)鰭狀的突起，其一功能就是用于數(shù)字電視通信，而要求天線(xiàn)小、效率高且?guī)挐M(mǎn)足系統(tǒng)需求正是該項(xiàng)目的難度所在。”梁仙靈說(shuō)道?；赨SB無(wú)限網(wǎng)卡天線(xiàn)的開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)，他提出融合帶線(xiàn)耦合技術(shù)、加載技術(shù)和LC電路匹配技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字電視天線(xiàn)的超寬帶、小尺寸和高效率性能的最大化。他開(kāi)發(fā)的車(chē)載數(shù)字電視天線(xiàn)尺寸僅為0.06λI×0.06λI，在阻抗帶寬（511～930 MHz）內(nèi)，天線(xiàn)效率達(dá)到20%。該研究成果在2010年葡萄牙里斯本舉辦的國(guó)際電小天線(xiàn)（IEEE iWAT）會(huì)議上獲得了最佳論文獎(jiǎng)，也是中國(guó)大陸學(xué)者首次榮獲此會(huì)議的最佳論文獎(jiǎng)。

從汶川地震中獲得啟發(fā)

眾所周知，衛(wèi)星地面站通信系統(tǒng)可通過(guò)向衛(wèi)星發(fā)射信號(hào)，同時(shí)接收由其它地面站經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的信號(hào).具有通信范圍大、不受氣候以及地域環(huán)境的影響等多種優(yōu)勢(shì)?！?008年汶川地震時(shí)，整個(gè)地震災(zāi)區(qū)的基站通信系統(tǒng)全部受損，直接導(dǎo)致災(zāi)區(qū)通訊中斷，與外界徹底失去聯(lián)系，為救災(zāi)增加了難以想象的難度。而當(dāng)時(shí)唯一能夠作為通訊裝備的，就是地面移動(dòng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)?！绷合伸`舉例道。

“*22星地面移動(dòng)通信系統(tǒng)研究”是梁仙靈加入上海交大后參與的第二項(xiàng)課題?！皬?qiáng)悍”的衛(wèi)星通信系統(tǒng)，深深吸引了梁仙靈。作為項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人，梁仙靈在2009年總參預(yù)研的項(xiàng)目申請(qǐng)和答辯中拿到了第一名的好成績(jī)（9家企業(yè)單位參與競(jìng)爭(zhēng)），尤其是他提出的采用低剖面收發(fā)雙平板陣列方案后來(lái)被各家單位廣泛采用。項(xiàng)目后期他更是帶領(lǐng)四位研究生熬了無(wú)數(shù)個(gè)通宵，在9個(gè)月內(nèi)先后完成了3套原型天線(xiàn)樣機(jī)的研制。2010年，他再次作為項(xiàng)目的天線(xiàn)技術(shù)負(fù)責(zé)人，帶領(lǐng)研究生完成“便攜式的地面衛(wèi)星通信系統(tǒng)終端”項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)?！捌鋵?shí)這個(gè)系統(tǒng)非常輕便，和我們平時(shí)用的筆記本大小差不多。它可以實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)、圖像的傳輸，性能也很好，完全可以與海事衛(wèi)星移動(dòng)系統(tǒng)媲美，甚至部分性能還優(yōu)于它，而且采用的是國(guó)產(chǎn)化技術(shù)，擁有完全自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)?！绷合伸`說(shuō)道。

高鐵上的移動(dòng)通信

“中國(guó)高鐵技術(shù)發(fā)展得如此之快令世人為之驚嘆，但我們也要敢于面對(duì)自己的不足。就目前來(lái)說(shuō)，高鐵上的通信中斷問(wèn)題還未得到很好的解決。2012年我們有幸參與了一項(xiàng)國(guó)家重大專(zhuān)項(xiàng)——“新一代寬帶無(wú)線(xiàn)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)”，當(dāng)時(shí)我們提出通過(guò)列車(chē)車(chē)載天線(xiàn)來(lái)克服高速對(duì)通信造成的問(wèn)題，這是一個(gè)全新的思路?！绷合伸`說(shuō)。

“當(dāng)然，高速鐵路的信道環(huán)境較為特殊，多數(shù)城際列車(chē)行駛距離較長(zhǎng)，通過(guò)的地形較為多變復(fù)雜。由于多徑傳播而造成信號(hào)衰落的不穩(wěn)定性以及車(chē)載天線(xiàn)的全向工作模式.導(dǎo)致相鄰基站的快速切換存在乒乓效應(yīng)和前向干擾，同時(shí)列車(chē)高速運(yùn)動(dòng)（比如380公里/小時(shí)及以上）時(shí)，列車(chē)與基站之間的多普勒效應(yīng)就非常明顯。這些因素影響了車(chē)載無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性和所提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)的能力。”梁仙靈繼續(xù)談道。

面對(duì)這些問(wèn)題，梁仙靈帶領(lǐng)研究生在近兩年里開(kāi)發(fā)了一套高速列車(chē)車(chē)載天線(xiàn)系統(tǒng)樣機(jī)。在“基于TD-LTE的高速鐵路關(guān)鍵技術(shù)研究”的科技報(bào)告中，他對(duì)車(chē)載天線(xiàn)系統(tǒng)的設(shè)想、架構(gòu)、理論與技術(shù)，以及實(shí)驗(yàn)測(cè)試都進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。“比如：車(chē)載天線(xiàn)采用時(shí)間調(diào)制陣列形式實(shí)現(xiàn)了車(chē)載天線(xiàn)的定向可掃描波束，既提高了車(chē)載天線(xiàn)的增益，又避免硬切換帶來(lái)的通信信號(hào)大起伏和前向干擾；同時(shí)利用時(shí)間調(diào)制陣列方式實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)對(duì)接收/發(fā)射載波頻率的調(diào)制和對(duì)基站信號(hào)的測(cè)向功能，可用于降低多普勒影響。此外，車(chē)載天線(xiàn)系統(tǒng)中還配備了GPS和慣性導(dǎo)航測(cè)速模塊，可應(yīng)對(duì)各種環(huán)境下的速度測(cè)試。由于高速列車(chē)外形是經(jīng)過(guò)大量氣動(dòng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的，不允許有任何的改變。目前這套樣機(jī)系統(tǒng)由于尺寸問(wèn)題還無(wú)法直接安裝到列車(chē)上，所以還需要進(jìn)一步開(kāi)展小型化研究，以及在高速動(dòng)態(tài)下的實(shí)驗(yàn)可靠性驗(yàn)證?！绷合伸`補(bǔ)充。

新型天線(xiàn)探索之路

“當(dāng)前無(wú)線(xiàn)通信業(yè)務(wù)應(yīng)用需求呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，下一代網(wǎng)絡(luò)將會(huì)面對(duì)1000倍的數(shù)據(jù)容量增長(zhǎng)和100倍的用戶(hù)速率需求。如何在擁擠的頻譜資源中尋求技術(shù)突破和實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的大幅度提升，是第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)面臨的難題。認(rèn)知無(wú)線(xiàn)電、大規(guī)模MIMO等新概念的提出雖然在理論上驗(yàn)證了未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的潛力，但其應(yīng)用實(shí)施面臨著眾多技術(shù)挑戰(zhàn)，尤其是來(lái)自無(wú)線(xiàn)終端。因此，終端天線(xiàn)的研究與設(shè)計(jì)也需要?jiǎng)?chuàng)新，以符合未來(lái)應(yīng)用的發(fā)展需求，尤其在新概念、新理論、新設(shè)計(jì)理念等層面上的探索需要格外注意?！绷合伸`談道。

現(xiàn)有陣列天線(xiàn)均基于一種固定射頻網(wǎng)絡(luò)，功能單一。如果射頻網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)可重構(gòu)，將有助于陣列天線(xiàn)功能和性能的提升。2015年，梁仙靈就此申請(qǐng)到國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目的支持，啟動(dòng)“多路可重構(gòu)射頻網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)及其在天線(xiàn)中新應(yīng)用研究”。為此，他帶領(lǐng)研究生在射頻開(kāi)關(guān)的匹配和阻抗的可重構(gòu)匹配上下了大功夫，提出了“匹配式射頻開(kāi)關(guān)”和“匹配式可重構(gòu)阻抗”的設(shè)計(jì)，提高了射頻開(kāi)關(guān)和可重構(gòu)匹配網(wǎng)絡(luò)的效率、功率容量和切換速度，使之適合更高頻段的應(yīng)用?！皩⑵鋺?yīng)用到一些經(jīng)典射頻網(wǎng)絡(luò)中，如Wilkinson/Luzzato/Gysel等功分網(wǎng)絡(luò)，Butler矩陣、Rotman透鏡等移相網(wǎng)絡(luò)。實(shí)現(xiàn)這些經(jīng)典射頻網(wǎng)絡(luò)性能的提升和功能的可重構(gòu)，是我們的目標(biāo)。”對(duì)科研，梁仙靈一直都充滿(mǎn)希冀?！芭c此同時(shí)，我們正在將可重構(gòu)射頻網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到我們所研究的時(shí)間維調(diào)制陣列天線(xiàn)中，這將有效克服傳統(tǒng)固定射頻網(wǎng)絡(luò)由于通道的周期性調(diào)制帶來(lái)的效率損失?！绷合伸`補(bǔ)充道。

梁仙靈正在探索的另一個(gè)新天線(xiàn)研究方向是渦旋電磁波天線(xiàn)，這是他負(fù)責(zé)的一項(xiàng)國(guó)家“863”計(jì)劃課題?！伴L(zhǎng)期以來(lái)，無(wú)線(xiàn)領(lǐng)域的信息傳輸載體主要采用平面電磁波，渦旋電磁波作為一種新的信息傳輸載體，憑借其渦旋狀的相位波前傳播的特征，有望在短距離通信、雷達(dá)等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。從渦旋電磁波源的分析到具體天線(xiàn)設(shè)計(jì)，我們已完成了一系列的初步研究，包括渦旋電磁波模態(tài)理論分析，雙模/多模/混合模等渦旋電磁波天線(xiàn)的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)等，其部分成果已發(fā)表在Nature子刊和IEEE等國(guó)際刊物上?！绷合伸`談道。

科研為本，教學(xué)為基

科研的道路上有無(wú)數(shù)鮮花掌聲，也有荊棘坎坷，梁仙靈有收獲亦有感恩。自從畢業(yè)到工作以來(lái)，他相繼跟隨多位國(guó)內(nèi)外著名天線(xiàn)專(zhuān)家學(xué)習(xí)各種天線(xiàn)技術(shù)，至今還堅(jiān)守在在微波領(lǐng)域從事天線(xiàn)等相關(guān)研究，同多位國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者也保持著密切合作?！昂献魇强蒲新飞媳夭豢缮俚囊徊??！绷合伸`說(shuō)道。

而如今，擁有上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院副教授、加拿大國(guó)家科學(xué)研究院博士后研究員、上海交通大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)學(xué)科秘書(shū)、SMC-晨星學(xué)者等多重身份的梁仙靈，回首過(guò)往，還是充滿(mǎn)無(wú)限感慨。

每一段經(jīng)歷都是一筆財(cái)富，作為一名教師，梁仙靈也希望把科研途中的所感所知傳遞給學(xué)生們。在他眼中，科研固然重要，但教學(xué)也是他身為高校師者的本分。怎么帶好學(xué)生？面對(duì)這樣的問(wèn)題，他做的更多的是尊重。

有些學(xué)生資質(zhì)很好，但自制力較差，此時(shí)，如何經(jīng)得起來(lái)自外界的各種誘惑就成了一個(gè)大問(wèn)題?！拔覀兛梢院瓦@種學(xué)生進(jìn)行定期的交流，按時(shí)布置任務(wù)，還需要經(jīng)常主動(dòng)和他們談心?！绷合伸`認(rèn)為，一定要多和學(xué)生交流，多傾聽(tīng)學(xué)生的聲音?！懊總€(gè)學(xué)生都有自己的想法，甚至有時(shí)面對(duì)同一個(gè)問(wèn)題時(shí)，想法卻截然不同?！币恢币詠?lái)，他都堅(jiān)持尊重學(xué)生的想法，通過(guò)交流了解來(lái)幫助學(xué)生確定他們喜歡的研究方向。

“很多研究生選擇課題的研究方向往往基于兩個(gè)想法：一是有利于工作需求；二是希望拿學(xué)位證的過(guò)程輕松一點(diǎn)。所以老師在其中的重要性就可想而知了?！绷合伸`說(shuō)。在學(xué)生眼中，梁仙靈是一個(gè)好老師。但他自己卻深知，能把教學(xué)和科研都“抓”好，離不開(kāi)家人的支持，這也是他未來(lái)前進(jìn)路上的重要?jiǎng)恿?。“我們下一步的研究?jì)劃，是以未來(lái)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展為應(yīng)用平臺(tái)，以當(dāng)前研究的新概念、新技術(shù)如渦旋電磁波、時(shí)間維調(diào)制陣列天線(xiàn)、可重構(gòu)射頻網(wǎng)絡(luò)等為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)和應(yīng)用相結(jié)合的再度創(chuàng)新?！?