與天線結緣之路

宋潔

當車上播放著實時更新的廣播節目，當電視里出現五彩斑斕的動畫人物，亦或是目前人人都離不開的手機導航，這些看似與天線毫無關聯，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/發射器，在其中就恰恰充當著“橋梁”的關鍵之舉。

“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‘難舍難分的關系。”上海交通大學電子信息與電氣工程學院的副教授梁仙靈說。與天線結緣近15年，他在這條路上也愈發得心應手起來。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，也留下扎實的足印：從“線天線”到“微帶、縫隙、介質等天線”，從“無源天線”到“有源天線”，從“天線理論”到“天線應用”。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這個專業，我其實一無所知，只是在舅舅（西安電子科技大學周良明教授）的指導和建議下選擇了西電這個專業。”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.但我對微帶陣列天線濃厚的興趣使我信心滿滿。剛開始我就從導師鐘順時所著的《微帶天線理論與應用》和大量國外有關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計，然后就是大量的仿真、分析、總結、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，提出了多種創新性單元結構和饋電形式；又針對陣列的高隔離和低交叉極化，提出了多種形式的網絡布局和各種抑制技術，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用于某機載綜合孔徑雷達系統，在汶川、玉樹地震災害災情信息獲取，以及國家西部測圖工程等測繪任務中發揮了重要作用。此外，這些技術成果也是梁仙靈榮獲全國優秀博士論文提名獎的一個主要成果部分。

挑戰工業天線設計

“天線研究是一門更偏向于工程應用的專業。因此，對天線學者來講，天線研究的一個重要價值是解決其在工程應用領域所面臨的實際問題，實現其滿足系統的要求。從工程應用方面考慮，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，這是天線學術界和工業界的一個難題。”梁仙靈說道。

2007年，梁仙靈博士畢業后曾在一家外資企業從事無線終端手機天線和無線網卡天線的產品開發工作。不服輸、不怕挑戰的性格使他在外企短短6個月內就與多家公司共同競爭6款手機/網卡天線產品，并且在6款天線產品性能PK中全部勝出。其中他最引以為豪的是開發的USB無線網卡天線。“跟常規手機天線相比，USB尺寸僅有它的十分之一。當usB無線網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無線網卡天線的性能變化都非常大。”梁仙靈說道。經過多個方案的嘗試和大量實驗數據分析，梁仙靈提出將多層帶線耦合技術和寬帶匹配技術相結合，實現了其工作頻段在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無線網卡天線性能的穩定性問題。到后來，該天線在華為Vodafone移動無線網卡上大展拳腳，成為國內第一款USB移動無線網卡產品。

2008年底，梁仙靈加入上海交通大學電子信息與電氣工程學院電子工程系。“車載數字電視天線項目”是他加入后參與的第一項課題。“許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字電視通信，而要求天線小、效率高且帶寬滿足系統需求正是該項目的難度所在。”梁仙靈說道。基于USB無限網卡天線的開發經驗，他提出融合帶線耦合技術、加載技術和LC電路匹配技術等，實現了數字電視天線的超寬帶、小尺寸和高效率性能的最大化。他開發的車載數字電視天線尺寸僅為0.06λI×0.06λI，在阻抗帶寬（511～930 MHz）內，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，也是中國大陸學者首次榮獲此會議的最佳論文獎。

從汶川地震中獲得啟發

眾所周知，衛星地面站通信系統可通過向衛星發射信號，同時接收由其它地面站經衛星轉發來的信號.具有通信范圍大、不受氣候以及地域環境的影響等多種優勢。“2008年汶川地震時，整個地震災區的基站通信系統全部受損，直接導致災區通訊中斷，與外界徹底失去聯系，為救災增加了難以想象的難度。而當時唯一能夠作為通訊裝備的，就是地面移動衛星通信系統。”梁仙靈舉例道。

“*22星地面移動通信系統研究”是梁仙靈加入上海交大后參與的第二項課題。“強悍”的衛星通信系統，深深吸引了梁仙靈。作為項目技術負責人，梁仙靈在2009年總參預研的項目申請和答辯中拿到了第一名的好成績（9家企業單位參與競爭），尤其是他提出的采用低剖面收發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四位研究生熬了無數個通宵，在9個月內先后完成了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負責人，帶領研究生完成“便攜式的地面衛星通信系統終端”項目的開發。“其實這個系統非常輕便，和我們平時用的筆記本大小差不多。它可以實現與衛星數據、圖像的傳輸，性能也很好，完全可以與海事衛星移動系統媲美，甚至部分性能還優于它，而且采用的是國產化技術，擁有完全自主的知識產權。”梁仙靈說道。

高鐵上的移動通信

“中國高鐵技術發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絡”，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。”梁仙靈說。

“當然，高速鐵路的信道環境較為特殊，多數城際列車行駛距離較長，通過的地形較為多變復雜。由于多徑傳播而造成信號衰落的不穩定性以及車載天線的全向工作模式.導致相鄰基站的快速切換存在乒乓效應和前向干擾，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就非常明顯。這些因素影響了車載無線通信系統的穩定性、實時性和所提供數據業務服務的能力。”梁仙靈繼續談道。

面對這些問題，梁仙靈帶領研究生在近兩年里開發了一套高速列車車載天線系統樣機。在“基于TD-LTE的高速鐵路關鍵技術研究”的科技報告中，他對車載天線系統的設想、架構、理論與技術，以及實驗測試都進行了詳細說明。“比如：車載天線采用時間調制陣列形式實現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；同時利用時間調制陣列方式實現天線對接收/發射載波頻率的調制和對基站信號的測向功能，可用于降低多普勒影響。此外，車載天線系統中還配備了GPS和慣性導航測速模塊，可應對各種環境下的速度測試。由于高速列車外形是經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，以及在高速動態下的實驗可靠性驗證。”梁仙靈補充。

新型天線探索之路

“當前無線通信業務應用需求呈現爆炸式增長，下一代網絡將會面對1000倍的數據容量增長和100倍的用戶速率需求。如何在擁擠的頻譜資源中尋求技術突破和實現網絡性能的大幅度提升，是第五代移動通信系統面臨的難題。認知無線電、大規模MIMO等新概念的提出雖然在理論上驗證了未來網絡發展的潛力，但其應用實施面臨著眾多技術挑戰，尤其是來自無線終端。因此，終端天線的研究與設計也需要創新，以符合未來應用的發展需求，尤其在新概念、新理論、新設計理念等層面上的探索需要格外注意。”梁仙靈談道。

現有陣列天線均基于一種固定射頻網絡，功能單一。如果射頻網絡能夠實現可重構，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基金面上項目的支持，啟動“多路可重構射頻網絡的關鍵技術及其在天線中新應用研究”。為此，他帶領研究生在射頻開關的匹配和阻抗的可重構匹配上下了大功夫，提出了“匹配式射頻開關”和“匹配式可重構阻抗”的設計，提高了射頻開關和可重構匹配網絡的效率、功率容量和切換速度，使之適合更高頻段的應用。“將其應用到一些經典射頻網絡中，如Wilkinson/Luzzato/Gysel等功分網絡，Butler矩陣、Rotman透鏡等移相網絡。實現這些經典射頻網絡性能的提升和功能的可重構，是我們的目標。”對科研，梁仙靈一直都充滿希冀。“與此同時，我們正在將可重構射頻網絡應用到我們所研究的時間維調制陣列天線中，這將有效克服傳統固定射頻網絡由于通道的周期性調制帶來的效率損失。”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。“長期以來，無線領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、雷達等領域實現應用。從渦旋電磁波源的分析到具體天線設計，我們已完成了一系列的初步研究，包括渦旋電磁波模態理論分析，雙模/多模/混合模等渦旋電磁波天線的設計與實驗等，其部分成果已發表在Nature子刊和IEEE等國際刊物上。”梁仙靈談道。

科研為本，教學為基

科研的道路上有無數鮮花掌聲，也有荊棘坎坷，梁仙靈有收獲亦有感恩。自從畢業到工作以來，他相繼跟隨多位國內外著名天線專家學習各種天線技術，至今還堅守在在微波領域從事天線等相關研究，同多位國內外專家學者也保持著密切合作。“合作是科研路上必不可少的一步。”梁仙靈說道。

而如今，擁有上海交通大學電子信息與電氣工程學院副教授、加拿大國家科學研究院博士后研究員、上海交通大學電子科學與技術學科秘書、SMC-晨星學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生們。在他眼中，科研固然重要，但教學也是他身為高校師者的本分。怎么帶好學生？面對這樣的問題，他做的更多的是尊重。

有些學生資質很好，但自制力較差，此時，如何經得起來自外界的各種誘惑就成了一個大問題。“我們可以和這種學生進行定期的交流，按時布置任務，還需要經常主動和他們談心。”梁仙靈認為，一定要多和學生交流，多傾聽學生的聲音。“每個學生都有自己的想法，甚至有時面對同一個問題時，想法卻截然不同。”一直以來，他都堅持尊重學生的想法，通過交流了解來幫助學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。”梁仙靈說。在學生眼中，梁仙靈是一個好老師。但他自己卻深知，能把教學和科研都“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。“我們下一步的研究計劃，是以未來無線通信技術的發展為應用平臺，以當前研究的新概念、新技術如渦旋電磁波、時間維調制陣列天線、可重構射頻網絡等為基礎，實現技術和應用相結合的再度創新。”