宋潔

當車上播放著實時更新的廣播節(jié)目，當電視里出現(xiàn)五彩斑斕的動畫人物，亦或是目前人人都離不開的手機導(dǎo)航，這些看似與天線毫無關(guān)聯(lián)，卻都是利用電磁波來傳遞信息的；而天線，作為一種無線電波的接收/發(fā)射器，在其中就恰恰充當著“橋梁”的關(guān)鍵之舉。

“無線通信都是以電磁波作為載體的，那么天線的主要功能就是發(fā)射和接收電磁波信號。所以.無線通信與天線是‘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。與天線結(jié)緣近15年，他在這條路上也愈發(fā)得心應(yīng)手起來。情系天線

“山不在高，有仙則靈。”

對梁仙靈來說，以勤奮和堅守為“靈”，一路至今，他所攀登過的“山路”上，也留下扎實的足?。簭摹熬€天線”到“微帶、縫隙、介質(zhì)等天線”，從“無源天線”到“有源天線”，從“天線理論”到“天線應(yīng)用”。隨著研究的逐漸深入，他與天線之間的“感情”也越來越濃厚。當然，梁仙靈也經(jīng)歷過最初的茫然懵懂。“高考填報志愿時，對電磁場與微波技術(shù)這個專業(yè)，我其實一無所知，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專業(yè)。”梁仙靈談道。

2003年，梁仙靈作為研究生參與了中國電子科技集團公司第三十八研究所的綜合孔徑雷達X波段微帶相控陣列天線的合作項目。“盡管初涉課題，一切都是未知數(shù).但我對微帶陣列天線濃厚的興趣使我信心滿滿。剛開始我就從導(dǎo)師鐘順時所著的《微帶天線理論與應(yīng)用》和大量國外有關(guān)的綜合孔徑雷達天線資料入手，每天除了睡覺和吃飯，其它時間基本上都在三十八所天饋部里看資料。大概一個月后，就開始綜合孔徑雷達天線的具體設(shè)計，然后就是大量的仿真、分析、總結(jié)、實驗及驗證等。”梁仙靈談道。功夫不負有心人.在不到一年的時間里，他針對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的研制，樣機測試性能全部滿足指標要求，部分性能甚至超出原定指標。研制的陣列天線成功應(yīng)用于某機載綜合孔徑雷達系統(tǒng)，在汶川、玉樹地震災(zāi)害災(zāi)情信息獲取，以及國家西部測圖工程等測繪任務(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優(yōu)秀博士論文提名獎的一個主要成果部分。

挑戰(zhàn)工業(yè)天線設(shè)計

“天線研究是一門更偏向于工程應(yīng)用的專業(yè)。因此，對天線學(xué)者來講，天線研究的一個重要價值是解決其在工程應(yīng)用領(lǐng)域所面臨的實際問題，實現(xiàn)其滿足系統(tǒng)的要求。從工程應(yīng)用方面考慮，天線尺寸越小越好，這樣可以小型化；帶寬越寬越好，最好用一個天線把所有工作頻段都覆蓋；同時還要確保效率，保證通信性能。但天線的尺寸、帶寬和效率之間存在矛盾，使三者往往難以同時兼得，這是天線學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的一個難題?！绷合伸`說道。

2007年，梁仙靈博士畢業(yè)后曾在一家外資企業(yè)從事無線終端手機天線和無線網(wǎng)卡天線的產(chǎn)品開發(fā)工作。不服輸、不怕挑戰(zhàn)的性格使他在外企短短6個月內(nèi)就與多家公司共同競爭6款手機/網(wǎng)卡天線產(chǎn)品，并且在6款天線產(chǎn)品性能PK中全部勝出。其中他最引以為豪的是開發(fā)的USB無線網(wǎng)卡天線?！案Ｒ?guī)手機天線相比，USB尺寸僅有它的十分之一。當usB無線網(wǎng)卡連接不同尺寸的筆記本，甚至同一個筆記本不同接口位置時，USB無線網(wǎng)卡天線的性能變化都非常大?！绷合伸`說道。經(jīng)過多個方案的嘗試和大量實驗數(shù)據(jù)分析，梁仙靈提出將多層帶線耦合技術(shù)和寬帶匹配技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了其工作頻段在GSM850/900/DCS1800/PCS1900/WCDMA上的全覆蓋，解決了不同型號筆記本以及不同接口的USB無線網(wǎng)卡天線性能的穩(wěn)定性問題。到后來，該天線在華為Vodafone移動無線網(wǎng)卡上大展拳腳，成為國內(nèi)第一款USB移動無線網(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。“車載數(shù)字電視天線項目”是他加入后參與的第一項課題?！霸S多轎車頂部都有一個像魚鰭狀的突起，其一功能就是用于數(shù)字電視通信，而要求天線小、效率高且?guī)挐M足系統(tǒng)需求正是該項目的難度所在?！绷合伸`說道?；赨SB無限網(wǎng)卡天線的開發(fā)經(jīng)驗，他提出融合帶線耦合技術(shù)、加載技術(shù)和LC電路匹配技術(shù)等，實現(xiàn)了數(shù)字電視天線的超寬帶、小尺寸和高效率性能的最大化。他開發(fā)的車載數(shù)字電視天線尺寸僅為0.06λI×0.06λI，在阻抗帶寬（511～930 MHz）內(nèi)，天線效率達到20%。該研究成果在2010年葡萄牙里斯本舉辦的國際電小天線（IEEE iWAT）會議上獲得了最佳論文獎，也是中國大陸學(xué)者首次榮獲此會議的最佳論文獎。

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)可通過向衛(wèi)星發(fā)射信號，同時接收由其它地面站經(jīng)衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)來的信號.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。“2008年汶川地震時，整個地震災(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。而當時唯一能夠作為通訊裝備的，就是地面移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)?！绷合伸`舉例道。

“*22星地面移動通信系統(tǒng)研究”是梁仙靈加入上海交大后參與的第二項課題?！皬姾贰钡男l(wèi)星通信系統(tǒng)，深深吸引了梁仙靈。作為項目技術(shù)負責人，梁仙靈在2009年總參預(yù)研的項目申請和答辯中拿到了第一名的好成績（9家企業(yè)單位參與競爭），尤其是他提出的采用低剖面收發(fā)雙平板陣列方案后來被各家單位廣泛采用。項目后期他更是帶領(lǐng)四位研究生熬了無數(shù)個通宵，在9個月內(nèi)先后完成了3套原型天線樣機的研制。2010年，他再次作為項目的天線技術(shù)負責人，帶領(lǐng)研究生完成“便攜式的地面衛(wèi)星通信系統(tǒng)終端”項目的開發(fā)。“其實這個系統(tǒng)非常輕便，和我們平時用的筆記本大小差不多。它可以實現(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)星移動系統(tǒng)媲美，甚至部分性能還優(yōu)于它，而且采用的是國產(chǎn)化技術(shù)，擁有完全自主的知識產(chǎn)權(quán)?！绷合伸`說道。

高鐵上的移動通信

“中國高鐵技術(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自己的不足。就目前來說，高鐵上的通信中斷問題還未得到很好的解決。2012年我們有幸參與了一項國家重大專項——“新一代寬帶無線移動通信網(wǎng)絡(luò)”，當時我們提出通過列車車載天線來克服高速對通信造成的問題，這是一個全新的思路?！绷合伸`說。

“當然，高速鐵路的信道環(huán)境較為特殊，多數(shù)城際列車行駛距離較長，通過的地形較為多變復(fù)雜。由于多徑傳播而造成信號衰落的不穩(wěn)定性以及車載天線的全向工作模式.導(dǎo)致相鄰基站的快速切換存在乒乓效應(yīng)和前向干擾，同時列車高速運動（比如380公里/小時及以上）時，列車與基站之間的多普勒效應(yīng)就非常明顯。這些因素影響了車載無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性、實時性和所提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)的能力?！绷合伸`繼續(xù)談道。

面對這些問題，梁仙靈帶領(lǐng)研究生在近兩年里開發(fā)了一套高速列車車載天線系統(tǒng)樣機。在“基于TD-LTE的高速鐵路關(guān)鍵技術(shù)研究”的科技報告中，他對車載天線系統(tǒng)的設(shè)想、架構(gòu)、理論與技術(shù)，以及實驗測試都進行了詳細說明?！氨热纾很囕d天線采用時間調(diào)制陣列形式實現(xiàn)了車載天線的定向可掃描波束，既提高了車載天線的增益，又避免硬切換帶來的通信信號大起伏和前向干擾；同時利用時間調(diào)制陣列方式實現(xiàn)天線對接收/發(fā)射載波頻率的調(diào)制和對基站信號的測向功能，可用于降低多普勒影響。此外，車載天線系統(tǒng)中還配備了GPS和慣性導(dǎo)航測速模塊，可應(yīng)對各種環(huán)境下的速度測試。由于高速列車外形是經(jīng)過大量氣動實驗驗證的，不允許有任何的改變。目前這套樣機系統(tǒng)由于尺寸問題還無法直接安裝到列車上，所以還需要進一步開展小型化研究，以及在高速動態(tài)下的實驗可靠性驗證?！绷合伸`補充。

新型天線探索之路

“當前無線通信業(yè)務(wù)應(yīng)用需求呈現(xiàn)爆炸式增長，下一代網(wǎng)絡(luò)將會面對1000倍的數(shù)據(jù)容量增長和100倍的用戶速率需求。如何在擁擠的頻譜資源中尋求技術(shù)突破和實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的大幅度提升，是第五代移動通信系統(tǒng)面臨的難題。認知無線電、大規(guī)模MIMO等新概念的提出雖然在理論上驗證了未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的潛力，但其應(yīng)用實施面臨著眾多技術(shù)挑戰(zhàn)，尤其是來自無線終端。因此，終端天線的研究與設(shè)計也需要創(chuàng)新，以符合未來應(yīng)用的發(fā)展需求，尤其在新概念、新理論、新設(shè)計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)，將有助于陣列天線功能和性能的提升。2015年，梁仙靈就此申請到國家自然科學(xué)基金面上項目的支持，啟動“多路可重構(gòu)射頻網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)及其在天線中新應(yīng)用研究”。為此，他帶領(lǐng)研究生在射頻開關(guān)的匹配和阻抗的可重構(gòu)匹配上下了大功夫，提出了“匹配式射頻開關(guān)”和“匹配式可重構(gòu)阻抗”的設(shè)計，提高了射頻開關(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?！睂蒲?，梁仙靈一直都充滿希冀。“與此同時，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間維調(diào)制陣列天線中，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)制帶來的效率損失。”梁仙靈補充道。

梁仙靈正在探索的另一個新天線研究方向是渦旋電磁波天線，這是他負責的一項國家“863”計劃課題?！伴L期以來，無線領(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設(shè)計，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的設(shè)計與實驗等，其部分成果已發(fā)表在Nature子刊和IEEE等國際刊物上?！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，他相繼跟隨多位國內(nèi)外著名天線專家學(xué)習(xí)各種天線技術(shù)，至今還堅守在在微波領(lǐng)域從事天線等相關(guān)研究，同多位國內(nèi)外專家學(xué)者也保持著密切合作。“合作是科研路上必不可少的一步?！绷合伸`說道。

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、SMC-晨星學(xué)者等多重身份的梁仙靈，回首過往，還是充滿無限感慨。

每一段經(jīng)歷都是一筆財富，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？面對這樣的問題，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，如何經(jīng)得起來自外界的各種誘惑就成了一個大問題?！拔覀兛梢院瓦@種學(xué)生進行定期的交流，按時布置任務(wù)，還需要經(jīng)常主動和他們談心?！绷合伸`認為，一定要多和學(xué)生交流，多傾聽學(xué)生的聲音?！懊總€學(xué)生都有自己的想法，甚至有時面對同一個問題時，想法卻截然不同?！币恢币詠恚紙猿肿鹬貙W(xué)生的想法，通過交流了解來幫助學(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想法：一是有利于工作需求；二是希望拿學(xué)位證的過程輕松一點。所以老師在其中的重要性就可想而知了?！绷合伸`說。在學(xué)生眼中，梁仙靈是一個好老師。但他自己卻深知，能把教學(xué)和科研都“抓”好，離不開家人的支持，這也是他未來前進路上的重要動力?！拔覀兿乱徊降难芯坑媱潱且晕磥頍o線通信技術(shù)的發(fā)展為應(yīng)用平臺，以當前研究的新概念、新技術(shù)如渦旋電磁波、時間維調(diào)制陣列天線、可重構(gòu)射頻網(wǎng)絡(luò)等為基礎(chǔ)，實現(xiàn)技術(shù)和應(yīng)用相結(jié)合的再度創(chuàng)新。”