天線球面近場測試系統的專管共用機制研究

程勇　呂文俊

【摘 要】本文闡述了南京郵電大學天線球面近場測試系統專管共用的運行機制。通過不同學科之間的協作，提高先進實驗平臺的利用率，形成設備的有效管理制度和高效運行模式，既為其他大型科研平臺的建設提供支持，又為后續建設的專業實驗室提供有益的管理經驗。通過探索“共有平臺、不同學科”之間的設備管理機制，不僅提高了管理水平和設備的使用效率，有效維護設備的正常運轉，而且為學生培養和教師的科研工作提供了有力的支撐。

【關鍵詞】專管共用；天線球面近場；儀器共享

【Abstract】This article presents the Nanjing University of Posts and Telecommunications spherical near-field antenna measurement system management and sharing mechanism. By the collaboration between different disciplines， the utilization of the advanced experimental platform is improved and the effective management system and efficient operation mode are formed. The research supports the construction of other large scientific research platform and provides beneficial management experience for the construction of specialized laboratory. Through exploring the equipment management mechanism， the efficiency of the management level and equipment usage not only is improved， but also the normal operation can be maintained effectively. The students and teachers' scientific research work can get strong support.

【Key words】Personal responsibility and sharing usage； Spherical Near-field Antenna Measurements system； Instrument sharing

0 前言

先進的大型科研儀器設備是高校的重要資源，在高層次人才培養、高水平品科研工作的開展過程中發揮著重要作用[1-6]。如何管理并使用好大型科研儀器，使得其不僅在科研方面同時在日常教學中發揮更大的作用，是衡量高校實驗室建設與管理水平的重要標志[7-8]。天線球面近場測量實驗室是我校第一個全自動的專業天線測量平臺，為通信與信息系統、電磁場與微波技術等多個專業的師生提供了優良的工作條件，它能天線和天線陣列進行精確測量，快速獲取方向圖、增益、效率、極化等關鍵輻射性能指標參數，而且界面友好、操作簡單，徹底改變了過去相關專業師生采用人工或半自動方法測量天線輻射特性參數、效率很低、測量精度有限且工作量巨大的艱苦局面，數十倍地提高了工作效率，使相關專業師生從持續時間長、強度高、體力消耗大的重復測試工作中完全解放出來，集中精力提高教學和科研水平。

1 天線球面近場專管共用機制作用

1.1 研究型教學模式的建立、實踐和優化

依托天線球面近場測試系統，管理人員編撰了相應的操作手冊，為通信與信息系統、電磁場與微波技術專業跨學院的碩士研究生開設了“無線通信中的天線測量技術”實驗課程，進一步優化了天線專業課程的結構，讓學生既能驗證經典天線的輻射特性，又能自行研制新型天線并進行快速測量和優化設計，還能支持他們參加射頻電路設計競賽。上述舉措，對內促進不同學科研究水平的提高、充分發揮設備共享效果， 對外展示相關專業的研究生教學水平，充分激發學生的學習興趣，提高學生的動手能力，進而促進高水平研究論文、教材和專著的發表。在實施過程中，管理人員和主要參加者還以新一代寬帶移動通信、無線傳感器網絡、射頻識別、穿戴式系統為應用背景，結合自身承擔的國家自然科學基金、國家科技重大專項等國家級科研項目，指導通信學科和電磁場學科的博士、碩士研究生在0.8-6GHz頻段上研制各種新型天線單元和陣列，研制了1.7-2.7GHz/5-5.9GHz頻段的雙頻雙極化寬帶定向天線、小型雙頻段WLAN寬帶定向天線、TD-LTE頻段全向雙極化天線、5.8GHz頻段平面端射特性圓極化天線、多模寬帶手持機天線、雙輻射模開槽天線等多種新型天線單元，提出了多種新型天線設計方法，獲得了豐富的原創科研成果。在該機制的實施和實踐過程中，項目負責人始終立足于課程教學、人才培養和團隊磨合的目標，依托國家科研項目和先進實驗平臺的支持，實現了理論教學過程、實驗操作環節與科學研究、工程實踐之間的良性互動、彼此促進和補充完善，逐步形成了“課堂教學與理論分析-工程設計與實驗驗證” 相結合、教學科研相長的研究型教學模式。教師通過直接指導學生設計天線和實際操作測試平臺，一方面強化學生對課程基礎理論知識的掌握，另一方面又能增進教師、師生、學生之間的溝通和交流，充分實現教師、師生、學生之間在科研過程中的逐步磨合，不斷發現研究探索過程中的疑難問題并及時解決之，同時提高師生雙方的工作效率，促使師生相互配合、相互促進，從而不斷優化教學方法和科研模式，達到既能全面提高教學質量、又能提升科研業務水平的良好效果。

1.2 支持不同學校學科的平臺建設

天線球面近場測試實驗室是江蘇省無線通信實驗室（歸屬于“信息與通信工程”一級學科）的重要組成部分。通過探索“共有平臺、不同學科”之間的設備管理機制，不僅提高了管理水平和設備的使用效率，有效維護設備的正常運轉、充分發揮其效能，而且還為我校省級射頻與微納電子學科綜合訓練中心（歸屬于“電子科學與技術”一級學科）的建設提供了有力支持。在學生培養方面，電子科學工程學院、與通信工程學院、教務處三方協調，通過預約、課程設置等方式安排該試驗系統的使用。在完善的設備管理基礎之上，該實驗設備對校內外師生、科研與生產單位開放，滿足科研與教學活動需要，最大限度提高設備的利用率，充分發揮該平臺的功能輻射作用。使該平臺成為我校射頻與微納電子學科綜合訓練中的子平臺之一。通過利用該平臺針對電磁場與無線技術、電磁場與微波技術等本科和研究生專業的學生，開設相應的微波與天線測量、電磁兼容、等課程和多門實驗課程，同時開展課程設計、生產實習和畢業設計等綜合實踐教學工作，進而鼓勵學生在這個平臺上完成創新研究和科學研究項目。借助于該平臺，學生可以在兩個學院的教師的共同指導下完成射頻微波電路設計、射頻器件測量、天線設計與測試流程，掌握射頻與天線技術的一般設計方法、仿真與優化手段、現代微波測量技術，經過訓練學生可以具備一名射頻微波與天線工程師的基本素養。2014年在我校成功申請電子科學與技術國家級實驗教學示范中心的過程中，基于該測試系統的教學成果作為天線與電波實驗平臺成果的重要組成部分。

2 天線球面近場專管共用機制作用解決的主要問題

2.1 解決了相關專業研究生教學中只有理論授課、缺少實踐環節的問題

縱觀國內研究生天線類專業課程的教學現狀，一直是以理論授課為主，過去只有少數重點院校有能力開設配套的實驗操作課程。特別是天線輻射特性測量實驗，通常只對電子、雷達、無線電物理等專業而設定，在通信類專業中尚未見有報道。為了提高教學水平，增強學生的科研實踐能力，特別是充分發揮先進科研平臺在研究生教學中的作用，必須開設相應的實驗課程。利用天線球面近場測量系統，為通信與信息系統、電磁場與微波技術兩個專業的碩士研究生開設了“無線通信中的天線測量技術”課程，改變了我校在以往相關課程教學中，只有理論授課而缺少動手操作環節或實踐環節少且操作復雜度過高的情況。通過操作天線球面近場測量系統，學生可以地直觀驗證教材中各種經典天線的輻射特性，加深對天線基本參數、基礎天線理論知識的感性認識，從而逐步從理性上定量了解天線的工作機理，走出過去對天線專業課程“全是抽象數學符號和公式推導”的認識誤區，產生和增加學習興趣。在此基礎上，還可以吸引有潛力的學生參加教師的科學研究，幫助解決科研項目中的天線分析和設計問題。利用天線球面近場測量系統，能夠快速驗證研究過程隨時出現中的各種新點子、新想法，逐步培養學生獨立從事天線領域科學研究和工程設計的能力。

2.2 解決了相關專業學生和教師的科研工作平臺條件問題，為科研項目的順利開展提供有力支持

天線球面近場測量實驗室是我校第一個全自動的專業天線測量平臺，為通信與信息系統、電磁場與微波技術兩個專業的師生提供了優良的工作條件，它能對0.8-6GHz頻段、尺寸不大于45厘米的天線和天線陣列進行精確測量，快速獲取方向圖、增益、效率、極化等關鍵輻射性能指標參數，而且界面友好、操作簡單，徹底改變了過去相關專業師生采用人工或半自動方法測量天線輻射特性參數、效率很低、測量精度有限且工作量巨大的艱苦局面，數十倍地提高了工作效率，使相關專業師生從持續時間長、強度高、體力消耗大的重復測試工作中完全解放出來，集中精力提高教學和科研水平。在先進天線測量平臺的支持下，負責人于2013年獲得了江蘇省高校自然科學重大研究A類資助項目，2014年又獲得了國家自然科學基金面上項目。目前，課題負責人正在圍繞新一代移動通信、無線傳感器網絡、射頻識別和穿戴式系統等不同應用，與不同學科的師生合作，開展更深層次、更高水平的應用基礎研究。

2.3 解決了提高相關專業師生教學科研水平的問題

通過該平臺的共管與共享，不僅顯著地提高了相關專業師生研究工作的速度、效率和質量，還極大地提高了學生對天線專業課程的學習興趣，吸引更多有潛力、有志于從事天線理論與技術研究的學生主動參加到教師的科研實踐中，形成了濃厚的學術研究氛圍，顯著提升了研究生的教學質量和教師的科研水平，為我國通信行業培養了理論水平高、動手能力強、工程經驗豐富、滿足不同層次需求的天線專業人才。得益于先進工作平臺的支撐，相關專業師生在天線方面的科研實踐持續不斷，一系列全新的研究思想、設計方法與工程設計方案得以快速驗證和優化實現，從而催生出一系列高水平的原創性研究成果。實驗室建成后，相關專業師生已出版專著1部，申請了十余項國家發明專利（其中5項已獲得授權），而且還在天線與傳播領域的國際權威學術刊物與會議上發表或錄用了近30篇研究論文（其中近一半被SCI收錄），7篇發表在IEEE Trans. Antennas & Propagation，IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters等頂級刊物上，得到了國內外同行的多次引用和關注。

3 天線球面近場專管共用機制實踐過程及推廣應用價值

在專管共用的實踐過程中，負責人首先為通信與信息系統、電磁場與微波技術專業的碩士研究生講授了“移動通信中的天饋技術與應用”理論課程，然后依托天線球面近場測量系統，開設了配套的“無線通信中的天線測量技術”實驗課程，通過48學時的課堂教學和實踐環節，對相關專業研究生進行了完整的科研訓練，為學生從事天線專業方向的科學研究奠定基礎。在此基礎上，系統管理人員一方面指導自己的碩士研究生展開科學研究，另一方面積極配合電磁場學科的教師，協同指導從事相關專業方向工作的碩士研究生，依托天線球面近場測量系統，圍繞新一代移動通信、無線傳感器網絡、射頻識別、穿戴式系統等應用背景，在國家自然科學基金、國家科技重大專項等國家級科研項目的資助下，研究新型天線的設計理論和方法，在小型天線、寬帶天線、多頻段天線、圓極化天線等不同領域內展開全面探索。本課題發表的3篇研究論文均發表在國際和國內重要學術刊物上，其中2篇被SCI收錄（源）的研究論文，主要作者均為課題負責人指導的碩士研究生；課題負責人和主要成員還出版了專著1部、獲授權了3項國家發明專利，說明通過對先進天線測量平臺的有效管理和使用，不僅對提高我校相關專業碩士研究生的教學水平、科研能力有顯著促進作用，而且取得了具有自主知識產權的系列成果，獲得了國際和國內同行的充分認可，達到國內領先、國際同等先進水平。另一方面，通過探索本實驗室的共管使用機制，為不同學科、從事相似研究方向的教師提供了充分磨合、相互配合的良機，為我校省級射頻與微納電子學科綜合訓練中心的建設提供了有力支撐，產生了“1+1>2”的效果，說明通過對先進天線測量平臺的有效管理和使用，已經為今后課程與平臺建設、科研成果轉化等后續工作奠定了良好的工作基礎。

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[責任編輯：楊玉潔]