在微波与天线研究中寻找幸福的源泉

徐芳芳

电磁技术作为电磁学的重要研究成果，已对人类认识和改造自然、人类活动产生了深刻影响，至今仍处在快速发展和完善的过程中。在上海交通大学电子信息与电气工程学院副教授彭宏利看来，这一专注解决电磁问题的研究领域，连接着理论与实现两端，更需精益求精、不断进取的精神。抱着这种朴素的想法，他在微波理论与技术研究领域耕耘30多年，他想做的，是让微波技术能够触及新的交叉场景、开启更多可能。

有趣是一切的开端

如果问高中时的彭宏利对什么最感兴趣，他一定会回答：“收音机！”这个方方正正的“盒子”对那时的彭宏利来说，是顶顶有趣的物件。这份兴趣，让他报考西安电子科技大学听到“电磁场与微波技术专业就是研究无线电”的说法时，就毫不犹豫地选择了这一专业。因为“有趣”，彭宏利就此踏入这一研究领域，从此，电磁场与微波技术的奇妙世界正式向他敞开了大门，该领域的大师们自然就成了他的学术偶像。从“开宗立派”的M.Faraday（法拉第）、J. Maxwell（麦克斯韦尔），到计算电磁科学家R.F.Harrington、导波理论大师Robert E. Collin、带天线发明者G.A. Deschamps及创立腔模理论的Y. T. Lo（罗远祉），他们的研究工作对彭宏利影响颇深，其“择一事，终一生”的热爱和专注精神，更是极大地鼓舞了当时作为学生的彭宏利。在这样的精神力量推动下，研究生毕业后，抱着“要为这个领域做一些实事”的单纯想法，彭宏利先后就职国家研究所、我国著名通信公司上海研究院并在后者任通信技术标准研究总监，带领研究团队开展3G/B3G移动终端无线传输前瞻性技术及国际标准研究。

据彭宏利介绍，3G/LTE移动终端/基站多天线理论与技术、移动通信信道特性建模方法，是他该阶段的重点研究工作。与当时流行的手机外置天线不同，彭宏利从手机内置天线技術入手，于2000年研制出当时国内最小的高性能双频PIFA天线，其发明专利（高引用率）、天线及SAR值评估模型（进入通信标准）对后来者研究影响深远。以此为开端，2004年，他成功在国际标准化组织3GPP会议上立项手机OTA研究课题，并在MIMO终端天线、MIMO-OTA及MIMO-SAR标准化建模方法研究领域，获得50多个国际、国内发明专利，其中包括近10个基础发明专利（essential patent，即写入标准的专利），并凭借先发优势和技术先进性牵头起草了20多个国内外3G/4G通信行业标准。

在行业内收获广泛认可，并没有让时任标准化技术研究总监的彭宏利兴奋。在研究生阶段起即要求自己每年必须发表一篇学术研究论文的彭宏利看来，不断去做微波与天线技术研究工作，向更先进方向、更深层次进发，才是他最为钟情的事。从这个角度来说，显然高校是更加理想的研究环境。他想，是时候转换一下跑道了。

恰逢此时上海交通大学启动教师招聘计划，凭借扎实的研究成果，彭宏利如愿以偿地以上海交通大学信息与电气工程学院教师的身份，在2008年再次“踏入校园”，在他热爱的领域，以更纯粹的姿态开展工作。

向前是不变的初心

彭宏利入校任教的近十余年，正是全球高速大容量无线通信/传感新业务的快速增长期，电磁领域的涡旋电磁波、电磁超材料研究，正逐渐成为研究热点。深知该热点发展潜力的彭宏利也就此迅速投入相关理论和技术研究中。

在国家自然科学基金项目“经颅涡旋微波束强散射的激发机理研究及脑出血成像天线设计”中，彭宏利首次提出利用涡旋微波对人颅内出血进行检测成像，探索研制绿色、低成本和轻便易移动的脑出血微波成像仪原型样机。将其用于脑卒中突发出血的前期诊断，成为他的研究目标。据了解，脑卒中突发症的黄金治疗时间是病发3小时内，目前脑出血检测所依赖的CT等设备性能好但移动性差，不适合突发现场的急救诊断检测且成本较高，在基层医疗场所的拥有率较低，使其在分秒必争的抢救环境中起到的作用受限。经颅微波束（TMB）成像技术另辟蹊径，利用该技术可以制成小型化的设备，“像头盔一样戴在头上就可以使用”。加之成本低廉，如果该仪器研制成功并实现量产，它会像现在的血压计一样，可广泛应用于基层医疗机构乃至家庭环境中，就能够实现对脑出血、脑梗塞的患者的快速诊断，有利于该类疾病的及时诊治。“这对全人类，特别是我们这种人口众多且面临老龄化问题的发展中国家，都将是一个重要的贡献。”彭宏利说，“这项有意义的工作，从前期准备到形成项目研究，我们已经做了7年，已解决了人头-电路电磁模型构建、检测成像算法及其实验验证3方面的核心理论和关键技术问题，目前我们这项成果正在接近临床验证，相信在未来几年可以取得预期的科技创新成果。”

与此同时，彭宏利课题组瞄准工业界的实际需求，致力于微波技术研究成果的“落地生根”，在与上海某汽车集团“用于4D毫米波成像雷达的高性能小型化天线与前端技术”合作项目中，彭宏利团队采用电磁超材料理论和多通道探测方法，研制智能网联汽车4D毫米波成像雷达。鉴于77GHz毫米波汽车雷达的突出优点——全天候波长短、频谱资源丰富;抗干扰能力强、天线口径利用率高;带宽大，测距、成像分辨率高;体积小重量轻、环境适应能力强;可靠性高，易于批量生产;彭宏利团队针对目前77GHz汽车雷达普遍面临的诸如小口径、低成本条件下，探测距离、角度分辨率以及视场角指标互相制约等难题，提出了天线单元/低损耗馈电/布阵设计技术、目标散射场特性提取方法及信号处理算法三者一体化的协同设计方法;打通了毫米波雷达各级实测数据流与仿真数据流的双向协同分享，实现了在现实驾驶场景中雷达目标实测点云数据和模拟场景中仿真数据的一致性验证，为77GHz 4D毫米波成像雷达的低成本原型机设计与验证提供了高效、可信的研究平台;利用该平台，课题组启动了77GHz 4D毫米波成像雷达样机研制。

热爱是不灭的火种

未来几年，彭宏利期待将目前在做的研究成果转化为实际产品并得以应用，使其发挥更大效能。此外，他还期待在微波、天线和传播技术融合理论方面有新的探索。据了解，目前该领域尚存在很多理论缺陷，彭宏利希望通过不断探索研究来验证其中的设想，以便弥补其中的不足，为学界和产业界提供理论支持。

回首从研之路，彭宏利说：“研究工作90%都面临着失败，但这并不可怕。失败本身是在提醒我们仍存在认知上的不足。若能将这些不足视为寻找新突破口的机遇，正视不足并去努力、去探索，不怕冒险，走出一片新天地，这就很快乐。”

在指导研究生过程中，彭宏利也将这番感悟传授给学生。在他看来，能认识到研究问题并能灵活巧妙地把它分解成若干个小问题，是高水平研究者的基本能力，从小处着手，将小问题各个击破，最后就能把大问题解决掉。彭宏利经常说：“我们要感谢专业，它让我们不断地发现新的问题并敦促我们去逐一解决。在解决的过程中感受到其中的酸甜苦辣，都是难得的经历，做研究要学会享受这个过程。”

彭宏利认为，科学研究既是工作也是生活。“我们要把科学研究纳入生活，使之成为生活兴趣的一个来源，或是生活中幸福的一个有利因素。”彭宏利说，“我希望我的学生在求学期间就能够取得阶段性成绩，这些阶段成绩的不断积累，能够形成他们未来人生幸福的大支点，这对于他们一生都大有裨益。对我个人而言，人生意义的重要支点或者说幸福的源泉，就是不断认识和把握研究对象的微波特性和规律，并促进它们造福社会。能有这样的工作机会，我感到十分荣幸。”