在微波與天線研究中尋找幸福的源泉

徐芳芳

電磁技術作為電磁學的重要研究成果，已對人類認識和改造自然、人類活動產生了深刻影響，至今仍處在快速發(fā)展和完善的過程中。在上海交通大學電子信息與電氣工程學院副教授彭宏利看來，這一專注解決電磁問題的研究領域，連接著理論與實現(xiàn)兩端，更需精益求精、不斷進取的精神。抱著這種樸素的想法，他在微波理論與技術研究領域耕耘30多年，他想做的，是讓微波技術能夠觸及新的交叉場景、開啟更多可能。

有趣是一切的開端

如果問高中時的彭宏利對什么最感興趣，他一定會回答：“收音機！”這個方方正正的“盒子”對那時的彭宏利來說，是頂頂有趣的物件。這份興趣，讓他報考西安電子科技大學聽到“電磁場與微波技術專業(yè)就是研究無線電”的說法時，就毫不猶豫地選擇了這一專業(yè)。因為“有趣”，彭宏利就此踏入這一研究領域，從此，電磁場與微波技術的奇妙世界正式向他敞開了大門，該領域的大師們自然就成了他的學術偶像。從“開宗立派”的M.Faraday（法拉第）、J. Maxwell（麥克斯韋爾），到計算電磁科學家R.F.Harrington、導波理論大師Robert E. Collin、帶天線發(fā)明者G.A. Deschamps及創(chuàng)立腔模理論的Y. T. Lo（羅遠祉），他們的研究工作對彭宏利影響頗深，其“擇一事，終一生”的熱愛和專注精神，更是極大地鼓舞了當時作為學生的彭宏利。在這樣的精神力量推動下，研究生畢業(yè)后，抱著“要為這個領域做一些實事”的單純想法，彭宏利先后就職國家研究所、我國著名通信公司上海研究院并在后者任通信技術標準研究總監(jiān)，帶領研究團隊開展3G/B3G移動終端無線傳輸前瞻性技術及國際標準研究。

據(jù)彭宏利介紹，3G/LTE移動終端/基站多天線理論與技術、移動通信信道特性建模方法，是他該階段的重點研究工作。與當時流行的手機外置天線不同，彭宏利從手機內置天線技術入手，于2000年研制出當時國內最小的高性能雙頻PIFA天線，其發(fā)明專利（高引用率）、天線及SAR值評估模型（進入通信標準）對后來者研究影響深遠。以此為開端，2004年，他成功在國際標準化組織3GPP會議上立項手機OTA研究課題，并在MIMO終端天線、MIMO-OTA及MIMO-SAR標準化建模方法研究領域，獲得50多個國際、國內發(fā)明專利，其中包括近10個基礎發(fā)明專利（essential patent，即寫入標準的專利），并憑借先發(fā)優(yōu)勢和技術先進性牽頭起草了20多個國內外3G/4G通信行業(yè)標準。

在行業(yè)內收獲廣泛認可，并沒有讓時任標準化技術研究總監(jiān)的彭宏利興奮。在研究生階段起即要求自己每年必須發(fā)表一篇學術研究論文的彭宏利看來，不斷去做微波與天線技術研究工作，向更先進方向、更深層次進發(fā)，才是他最為鐘情的事。從這個角度來說，顯然高校是更加理想的研究環(huán)境。他想，是時候轉換一下跑道了。

恰逢此時上海交通大學啟動教師招聘計劃，憑借扎實的研究成果，彭宏利如愿以償?shù)匾陨虾＝煌ù髮W信息與電氣工程學院教師的身份，在2008年再次“踏入校園”，在他熱愛的領域，以更純粹的姿態(tài)開展工作。

向前是不變的初心

彭宏利入校任教的近十余年，正是全球高速大容量無線通信/傳感新業(yè)務的快速增長期，電磁領域的渦旋電磁波、電磁超材料研究，正逐漸成為研究熱點。深知該熱點發(fā)展?jié)摿Φ呐砗昀簿痛搜杆偻度胂嚓P理論和技術研究中。

在國家自然科學基金項目“經顱渦旋微波束強散射的激發(fā)機理研究及腦出血成像天線設計”中，彭宏利首次提出利用渦旋微波對人顱內出血進行檢測成像，探索研制綠色、低成本和輕便易移動的腦出血微波成像儀原型樣機。將其用于腦卒中突發(fā)出血的前期診斷，成為他的研究目標。據(jù)了解，腦卒中突發(fā)癥的黃金治療時間是病發(fā)3小時內，目前腦出血檢測所依賴的CT等設備性能好但移動性差，不適合突發(fā)現(xiàn)場的急救診斷檢測且成本較高，在基層醫(yī)療場所的擁有率較低，使其在分秒必爭的搶救環(huán)境中起到的作用受限。經顱微波束（TMB）成像技術另辟蹊徑，利用該技術可以制成小型化的設備，“像頭盔一樣戴在頭上就可以使用”。加之成本低廉，如果該儀器研制成功并實現(xiàn)量產，它會像現(xiàn)在的血壓計一樣，可廣泛應用于基層醫(yī)療機構乃至家庭環(huán)境中，就能夠實現(xiàn)對腦出血、腦梗塞的患者的快速診斷，有利于該類疾病的及時診治。“這對全人類，特別是我們這種人口眾多且面臨老齡化問題的發(fā)展中國家，都將是一個重要的貢獻?！迸砗昀f，“這項有意義的工作，從前期準備到形成項目研究，我們已經做了7年，已解決了人頭-電路電磁模型構建、檢測成像算法及其實驗驗證3方面的核心理論和關鍵技術問題，目前我們這項成果正在接近臨床驗證，相信在未來幾年可以取得預期的科技創(chuàng)新成果?！?/p>

與此同時，彭宏利課題組瞄準工業(yè)界的實際需求，致力于微波技術研究成果的“落地生根”，在與上海某汽車集團“用于4D毫米波成像雷達的高性能小型化天線與前端技術”合作項目中，彭宏利團隊采用電磁超材料理論和多通道探測方法，研制智能網聯(lián)汽車4D毫米波成像雷達。鑒于77GHz毫米波汽車雷達的突出優(yōu)點——全天候波長短、頻譜資源豐富;抗干擾能力強、天線口徑利用率高;帶寬大，測距、成像分辨率高;體積小重量輕、環(huán)境適應能力強;可靠性高，易于批量生產;彭宏利團隊針對目前77GHz汽車雷達普遍面臨的諸如小口徑、低成本條件下，探測距離、角度分辨率以及視場角指標互相制約等難題，提出了天線單元/低損耗饋電/布陣設計技術、目標散射場特性提取方法及信號處理算法三者一體化的協(xié)同設計方法;打通了毫米波雷達各級實測數(shù)據(jù)流與仿真數(shù)據(jù)流的雙向協(xié)同分享，實現(xiàn)了在現(xiàn)實駕駛場景中雷達目標實測點云數(shù)據(jù)和模擬場景中仿真數(shù)據(jù)的一致性驗證，為77GHz 4D毫米波成像雷達的低成本原型機設計與驗證提供了高效、可信的研究平臺;利用該平臺，課題組啟動了77GHz 4D毫米波成像雷達樣機研制。

熱愛是不滅的火種

未來幾年，彭宏利期待將目前在做的研究成果轉化為實際產品并得以應用，使其發(fā)揮更大效能。此外，他還期待在微波、天線和傳播技術融合理論方面有新的探索。據(jù)了解，目前該領域尚存在很多理論缺陷，彭宏利希望通過不斷探索研究來驗證其中的設想，以便彌補其中的不足，為學界和產業(yè)界提供理論支持。

回首從研之路，彭宏利說：“研究工作90%都面臨著失敗，但這并不可怕。失敗本身是在提醒我們仍存在認知上的不足。若能將這些不足視為尋找新突破口的機遇，正視不足并去努力、去探索，不怕冒險，走出一片新天地，這就很快樂?！?/p>

在指導研究生過程中，彭宏利也將這番感悟傳授給學生。在他看來，能認識到研究問題并能靈活巧妙地把它分解成若干個小問題，是高水平研究者的基本能力，從小處著手，將小問題各個擊破，最后就能把大問題解決掉。彭宏利經常說：“我們要感謝專業(yè)，它讓我們不斷地發(fā)現(xiàn)新的問題并敦促我們去逐一解決。在解決的過程中感受到其中的酸甜苦辣，都是難得的經歷，做研究要學會享受這個過程?！?/p>

彭宏利認為，科學研究既是工作也是生活。“我們要把科學研究納入生活，使之成為生活興趣的一個來源，或是生活中幸福的一個有利因素。”彭宏利說，“我希望我的學生在求學期間就能夠取得階段性成績，這些階段成績的不斷積累，能夠形成他們未來人生幸福的大支點，這對于他們一生都大有裨益。對我個人而言，人生意義的重要支點或者說幸福的源泉，就是不斷認識和把握研究對象的微波特性和規(guī)律，并促進它們造福社會。能有這樣的工作機會，我感到十分榮幸?！?/p>