——记上海交通大学电子信息与电气工程学院副教授梁仙灵

本刊记者  宋 洁

当车上播放着实时更新的广播节目，当电视里出现五彩斑斓的动画人物，亦或是目前人人都离不开的手机导航，这些看似与天线毫无关联，却都是利用电磁波来传递信息的；而天线，作为一种无线电波的接收/发射器，在其中就恰恰充当着“桥梁”的关键之举。

“无线通信都是以电磁波作为载体的，那么天线的主要功能就是发射和接收电磁波信号。所以，无线通信与天线是‘难舍难分’的关系。”上海交通大学电子信息与电气工程学院的副教授梁仙灵说。与天线结缘近15年，他在这条路上也愈发得心应手起来。

情系天线

“山不在高，有仙则灵。”

对梁仙灵来说，以勤奋和坚守为“灵”，一路至今，他所攀登过的“山路”上，也留下扎实的足印：从“线天线”到“微带、缝隙、介质等天线”，从“无源天线”到“有源天线”，从“天线理论”到“天线应用”。随着研究的逐渐深入，他与天线之间的“感情”也越来越浓厚。当然，梁仙灵也经历过最初的茫然懵懂。“高考填报志愿时，对电磁场与微波技术这个专业，我其实一无所知，只是在舅舅（西安电子科技大学周良明教授）的指导和建议下选择了西电这个专业。”梁仙灵谈道。

2003年，梁仙灵作为研究生参与了中国电子科技集团公司第三十八研究所的综合孔径雷达X波段微带相控阵列天线的合作项目。“尽管初涉课题，一切都是未知数，但我对微带阵列天线浓厚的兴趣使我信心满满。刚开始我就从导师钟顺时所著的《微带天线理论与应用》和大量国外有关的综合孔径雷达天线资料入手，每天除了睡觉和吃饭，其它时间基本上都在三十八所天馈部里看资料。大概一个月后，就开始综合孔径雷达天线的具体设计，然后就是大量的仿真、分析、总结、实验及验证等。”梁仙灵谈道。功夫不负有心人，在不到一年的时间里，他针对双极化单元的高隔离和低交叉极化，提出了多种创新性单元结构和馈电形式；又针对阵列的高隔离和低交叉极化，提出了多种形式的网络布局和各种抑制技术，最终顺利完成了双极化微带阵列天线的研制，样机测试性能全部满足指标要求，部分性能甚至超出原定指标。研制的阵列天线成功应用于某机载综合孔径雷达系统，在汶川、玉树地震灾害灾情信息获取，以及国家西部测图工程等测绘任务中发挥了重要作用。此外，这些技术成果也是梁仙灵荣获全国优秀博士论文提名奖的一个主要成果部分。

挑战工业天线设计

“天线研究是一门更偏向于工程应用的专业。因此，对天线学者来讲，天线研究的一个重要价值是解决其在工程应用领域所面临的实际问题，实现其满足系统的要求。从工程应用方面考虑，天线尺寸越小越好，这样可以小型化；带宽越宽越好，最好用一个天线把所有工作频段都覆盖；同时还要确保效率，保证通信性能。但天线的尺寸、带宽和效率之间存在矛盾，使三者往往难以同时兼得，这是天线学术界和工业界的一个难题。”梁仙灵说道。

2007年，梁仙灵博士毕业后曾在一家外资企业从事无线终端手机天线和无线网卡天线的产品开发工作。不服输、不怕挑战的性格使他在外企短短6个月内就与多家公司共同竞争6款手机/网卡天线产品，并且在6款天线产品性能PK中全部胜出。其中他最引以为豪的是开发的USB无线网卡天线。“跟常规手机天线相比，USB尺寸仅有它的十分之一。当USB无线网卡连接不同尺寸的笔记本，甚至同一个笔记本不同接口位置时，USB无线网卡天线的性能变化都非常大。”梁仙灵说道。经过多个方案的尝试和大量实验数据分析，梁仙灵提出将多层带线耦合技术和宽带匹配技术相结合，实现了其工作频段在GSM850/900/DCS1800/ PCS1900/WCDMA上的全覆盖，解决了不同型号笔记本以及不同接口的USB无线网卡天线性能的稳定性问题。到后来，该天线在华为 Vodafone移动无线网卡上大展拳脚，成为国内第一款USB移动无线网卡产品。

2008年底，梁仙灵加入上海交通大学电子信息与电气工程学院电子工程系。“车载数字电视天线项目”是他加入后参与的第一项课题。“许多轿车顶部都有一个像鱼鳍状的突起，其一功能就是用于数字电视通信，而要求天线小、效率高且带宽满足系统需求正是该项目的难度所在。”梁仙灵说道。基于USB无限网卡天线的开发经验，他提出融合带线耦合技术、加载技术和LC电路匹配技术等，实现了数字电视天线的超宽带、小尺寸和高效率性能的最大化。他开发的车载数字电视天线尺寸仅为0.06λl×0.06λl，在阻抗带宽(511～930 MHz)内，天线效率达到20%。该研究成果在2010年葡萄牙里斯本举办的国际电小天线（IEEE iWAT）会议上获得了最佳论文奖，也是中国大陆学者首次荣获此会议的最佳论文奖。

从汶川地震中获得启发

众所周知，卫星地面站通信系统可通过向卫星发射信号，同时接收由其它地面站经卫星转发来的信号，具有通信范围大、不受气候以及地域环境的影响等多种优势。“2008年汶川地震时，整个地震灾区的基站通信系统全部受损，直接导致灾区通讯中断，与外界彻底失去联系，为救灾增加了难以想象的难度。而当时唯一能够作为通讯装备的，就是地面移动卫星通信系统。”梁仙灵举例道。

“*卫星地面移动通信系统研究”是梁仙灵加入上海交大后参与的第二项课题。“强悍”的卫星通信系统，深深吸引了梁仙灵。作为项目技术负责人，梁仙灵在2009年总参预研的项目申请和答辩中拿到了第一名的好成绩（9家企业单位参与竞争），尤其是他提出的采用低剖面收发双平板阵列方案后来被各家单位广泛采用。项目后期他更是带领四位研究生熬了无数个通宵，在9个月内先后完成了3套原型天线样机的研制。2010年，他再次作为项目的天线技术负责人，带领研究生完成“便携式的地面卫星通信系统终端”项目的开发。“其实这个系统非常轻便，和我们平时用的笔记本大小差不多。它可以实现与卫星数据、图像的传输，性能也很好，完全可以与海事卫星移动系统媲美，甚至部分性能还优于它，而且采用的是国产化技术，拥有完全自主的知识产权。”梁仙灵说道。

高铁上的移动通信

“中国高铁技术发展得如此之快，令世人为之惊叹，但我们也要敢于面对自己的不足。就目前来说，高铁上的通信中断问题还未得到很好的解决。2012年我们有幸参与了一项国家重大专项——“新一代宽带无线移动通信网络”，当时我们提出通过列车车载天线来克服高速对通信造成的问题，这是一个全新的思路。”梁仙灵说。

“当然，高速铁路的信道环境较为特殊，多数城际列车行驶距离较长，通过的地形较为多变复杂。由于多径传播而造成信号衰落的不稳定性以及车载天线的全向工作模式，导致相邻基站的快速切换存在乒乓效应和前向干扰，同时列车高速运动（比如380公里/小时及以上）时，列车与基站之间的多普勒效应就非常明显。这些因素影响了车载无线通信系统的稳定性、实时性和所提供数据业务服务的能力。”梁仙灵继续谈道。

面对这些问题，梁仙灵带领研究生在近两年里开发了一套高速列车车载天线系统样机。在“基于TD-LTE的高速铁路关键技术研究”的科技报告中，他对车载天线系统的设想、架构、理论与技术，以及实验测试都进行了详细说明。“比如：车载天线采用时间调制阵列形式实现了车载天线的定向可扫描波束，既提高了车载天线的增益，又避免硬切换带来的通信信号大起伏和前向干扰；同时利用时间调制阵列方式实现天线对接收/发射载波频率的调制和对基站信号的测向功能，可用于降低多普勒影响。此外，车载天线系统中还配备了GPS和惯性导航测速模块，可应对各种环境下的速度测试。由于高速列车外形是经过大量气动实验验证的，不允许有任何的改变。目前这套样机系统由于尺寸问题还无法直接安装到列车上，所以还需要进一步开展小型化研究，以及在高速动态下的实验可靠性验证。”梁仙灵补充。

新型天线探索之路

“当前无线通信业务应用需求呈现爆炸式增长，下一代网络将会面对1000倍的数据容量增长和100倍的用户速率需求。如何在拥挤的频谱资源中寻求技术突破和实现网络性能的大幅度提升，是第五代移动通信系统面临的难题。认知无线电、大规模MIMO等新概念的提出虽然在理论上验证了未来网络发展的潜力，但其应用实施面临着众多技术挑战，尤其是来自无线终端。因此，终端天线的研究与设计也需要创新，以符合未来应用的发展需求，尤其在新概念、新理论、新设计理念等层面上的探索需要格外注意。” 梁仙灵谈道。

现有阵列天线均基于一种固定射频网络，功能单一。如果射频网络能够实现可重构，将有助于阵列天线功能和性能的提升。2015年，梁仙灵就此申请到国家自然科学基金面上项目的支持，启动“多路可重构射频网络的关键技术及其在天线中新应用研究”。为此，他带领研究生在射频开关的匹配和阻抗的可重构匹配上下了大功夫，提出了“匹配式射频开关”和“匹配式可重构阻抗”的设计，提高了射频开关和可重构匹配网络的效率、功率容量和切换速度，使之适合更高频段的应用。“将其应用到一些经典射频网络中，如Wilkinson/Luzzato/Gysel等功分网络，Butler矩阵、Rotman透镜等移相网络。实现这些经典射频网络性能的提升和功能的可重构，是我们的目标。”对科研，梁仙灵一直都充满希冀。“与此同时，我们正在将可重构射频网络应用到我们所研究的时间维调制阵列天线中，这将有效克服传统固定射频网络由于通道的周期性调制带来的效率损失。” 梁仙灵补充道。

梁仙灵正在探索的另一个新天线研究方向是涡旋电磁波天线，这是他负责的一项国家“863”计划课题。“长期以来，无线领域的信息传输载体主要采用平面电磁波，涡旋电磁波作为一种新的信息传输载体，凭借其涡旋状的相位波前传播的特征，有望在短距离通信、雷达等领域实现应用。从涡旋电磁波源的分析到具体天线设计，我们已完成了一系列的初步研究，包括涡旋电磁波模态理论分析，双模/多模/混合模等涡旋电磁波天线的设计与实验等，其部分成果已发表在Nature子刊和IEEE等国际刊物上。”梁仙灵谈道。

科研为本，教学为基

科研的道路上有无数鲜花掌声，也有荆棘坎坷，梁仙灵有收获亦有感恩。自从毕业到工作以来，他相继跟随多位国内外著名天线专家学习各种天线技术，至今还坚守在在微波领域从事天线等相关研究，同多位国内外专家学者也保持着密切合作。“合作是科研路上必不可少的一步。”梁仙灵说道。

而如今，拥有上海交通大学电子信息与电气工程学院副教授、加拿大国家科学研究院博士后研究员、上海交通大学电子科学与技术学科秘书、SMC-晨星学者等多重身份的梁仙灵，回首过往，还是充满无限感慨。

每一段经历都是一笔财富，作为一名教师，梁仙灵也希望把科研途中的所感所知传递给学生们。在他眼中，科研固然重要，但教学也是他身为高校师者的本分。怎么带好学生？面对这样的问题，他做的更多的是尊重。

有些学生资质很好，但自制力较差，此时，如何经得起来自外界的各种诱惑就成了一个大问题。“我们可以和这种学生进行定期的交流，按时布置任务，还需要经常主动和他们谈心。”梁仙灵认为，一定要多和学生交流，多倾听学生的声音。“每个学生都有自己的想法，甚至有时面对同一个问题时，想法却截然不同。”一直以来，他都坚持尊重学生的想法，通过交流了解来帮助学生确定他们喜欢的研究方向。

“很多研究生选择课题的研究方向往往基于两个想法：一是有利于工作需求；二是希望拿学位证的过程轻松一点。所以老师在其中的重要性就可想而知了。”梁仙灵说。在学生眼中，梁仙灵是一个好老师。但他自己却深知，能把教学和科研都“抓”好，离不开家人的支持，这也是他未来前进路上的重要动力。“我们下一步的研究计划，是以未来无线通信技术的发展为应用平台，以当前研究的新概念、新技术如涡旋电磁波、时间维调制阵列天线、可重构射频网络等为基础，实现技术和应用相结合的再度创新。”