在微波與天線研究中尋找幸福的源泉
——記上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院副教授彭宏利

徐芳芳

電磁技術(shù)作為電磁學(xué)的重要研究成果，已對(duì)人類認(rèn)識(shí)和改造自然、人類活動(dòng)產(chǎn)生了深刻影響，至今仍處在快速發(fā)展和完善的過程中。在上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院副教授彭宏利看來，這一專注解決電磁問題的研究領(lǐng)域，連接著理論與實(shí)現(xiàn)兩端，更需精益求精、不斷進(jìn)取的精神。抱著這種樸素的想法，他在微波理論與技術(shù)研究領(lǐng)域耕耘30多年，他想做的，是讓微波技術(shù)能夠觸及新的交叉場景、開啟更多可能。

彭宏利

有趣是一切的開端

如果問高中時(shí)的彭宏利對(duì)什么最感興趣，他一定會(huì)回答：“收音機(jī)！”這個(gè)方方正正的“盒子”對(duì)那時(shí)的彭宏利來說，是頂頂有趣的物件。這份興趣，讓他報(bào)考西安電子科技大學(xué)聽到“電磁場與微波技術(shù)專業(yè)就是研究無線電”的說法時(shí)，就毫不猶豫地選擇了這一專業(yè)。因?yàn)椤坝腥ぁ保砗昀痛颂と脒@一研究領(lǐng)域，從此，電磁場與微波技術(shù)的奇妙世界正式向他敞開了大門，該領(lǐng)域的大師們自然就成了他的學(xué)術(shù)偶像。從“開宗立派”的M.Faraday（法拉第）、J. Maxwell（麥克斯韋爾），到計(jì)算電磁科學(xué)家R.F.Harrington、導(dǎo)波理論大師Robert E. Collin、帶天線發(fā)明者G.A. Deschamps及創(chuàng)立腔模理論的Y. T. Lo（羅遠(yuǎn)祉），他們的研究工作對(duì)彭宏利影響頗深，其“擇一事，終一生”的熱愛和專注精神，更是極大地鼓舞了當(dāng)時(shí)作為學(xué)生的彭宏利。在這樣的精神力量推動(dòng)下，研究生畢業(yè)后，抱著“要為這個(gè)領(lǐng)域做一些實(shí)事”的單純想法，彭宏利先后就職國家研究所、我國著名通信公司上海研究院并在后者任通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)研究總監(jiān)，帶領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)開展3G/B3G移動(dòng)終端無線傳輸前瞻性技術(shù)及國際標(biāo)準(zhǔn)研究。

據(jù)彭宏利介紹，3G/LTE移動(dòng)終端/基站多天線理論與技術(shù)、移動(dòng)通信信道特性建模方法，是他該階段的重點(diǎn)研究工作。與當(dāng)時(shí)流行的手機(jī)外置天線不同，彭宏利從手機(jī)內(nèi)置天線技術(shù)入手，于2000年研制出當(dāng)時(shí)國內(nèi)最小的高性能雙頻PIFA天線，其發(fā)明專利（高引用率）、天線及SAR值評(píng)估模型（進(jìn)入通信標(biāo)準(zhǔn)）對(duì)后來者研究影響深遠(yuǎn)。以此為開端，2004年，他成功在國際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP會(huì)議上立項(xiàng)手機(jī)OTA研究課題，并在MIMO終端天線、MIMO-OTA及MIMO-SAR標(biāo)準(zhǔn)化建模方法研究領(lǐng)域，獲得50多個(gè)國際、國內(nèi)發(fā)明專利，其中包括近10個(gè)基礎(chǔ)發(fā)明專利（essential patent，即寫入標(biāo)準(zhǔn)的專利），并憑借先發(fā)優(yōu)勢和技術(shù)先進(jìn)性牽頭起草了20多個(gè)國內(nèi)外3G/4G通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

在行業(yè)內(nèi)收獲廣泛認(rèn)可，并沒有讓時(shí)任標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)研究總監(jiān)的彭宏利興奮。在研究生階段起即要求自己每年必須發(fā)表一篇學(xué)術(shù)研究論文的彭宏利看來，不斷去做微波與天線技術(shù)研究工作，向更先進(jìn)方向、更深層次進(jìn)發(fā)，才是他最為鐘情的事。從這個(gè)角度來說，顯然高校是更加理想的研究環(huán)境。他想，是時(shí)候轉(zhuǎn)換一下跑道了。

恰逢此時(shí)上海交通大學(xué)啟動(dòng)教師招聘計(jì)劃，憑借扎實(shí)的研究成果，彭宏利如愿以償?shù)匾陨虾＝煌ù髮W(xué)信息與電氣工程學(xué)院教師的身份，在2008年再次“踏入校園”，在他熱愛的領(lǐng)域，以更純粹的姿態(tài)開展工作。

向前是不變的初心

彭宏利入校任教的近十余年，正是全球高速大容量無線通信/傳感新業(yè)務(wù)的快速增長期，電磁領(lǐng)域的渦旋電磁波、電磁超材料研究，正逐漸成為研究熱點(diǎn)。深知該熱點(diǎn)發(fā)展?jié)摿Φ呐砗昀簿痛搜杆偻度胂嚓P(guān)理論和技術(shù)研究中。

在國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“經(jīng)顱渦旋微波束強(qiáng)散射的激發(fā)機(jī)理研究及腦出血成像天線設(shè)計(jì)”中，彭宏利首次提出利用渦旋微波對(duì)人顱內(nèi)出血進(jìn)行檢測成像，探索研制綠色、低成本和輕便易移動(dòng)的腦出血微波成像儀原型樣機(jī)。將其用于腦卒中突發(fā)出血的前期診斷，成為他的研究目標(biāo)。據(jù)了解，腦卒中突發(fā)癥的黃金治療時(shí)間是病發(fā)3小時(shí)內(nèi)，目前腦出血檢測所依賴的CT等設(shè)備性能好但移動(dòng)性差，不適合突發(fā)現(xiàn)場的急救診斷檢測且成本較高，在基層醫(yī)療場所的擁有率較低，使其在分秒必爭的搶救環(huán)境中起到的作用受限。經(jīng)顱微波束（TMB）成像技術(shù)另辟蹊徑，利用該技術(shù)可以制成小型化的設(shè)備，“像頭盔一樣戴在頭上就可以使用”。加之成本低廉，如果該儀器研制成功并實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，它會(huì)像現(xiàn)在的血壓計(jì)一樣，可廣泛應(yīng)用于基層醫(yī)療機(jī)構(gòu)乃至家庭環(huán)境中，就能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)腦出血、腦梗塞的患者的快速診斷，有利于該類疾病的及時(shí)診治。“這對(duì)全人類，特別是我們這種人口眾多且面臨老齡化問題的發(fā)展中國家，都將是一個(gè)重要的貢獻(xiàn)。”彭宏利說，“這項(xiàng)有意義的工作，從前期準(zhǔn)備到形成項(xiàng)目研究，我們已經(jīng)做了7年，已解決了人頭-電路電磁模型構(gòu)建、檢測成像算法及其實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證3方面的核心理論和關(guān)鍵技術(shù)問題，目前我們這項(xiàng)成果正在接近臨床驗(yàn)證，相信在未來幾年可以取得預(yù)期的科技創(chuàng)新成果。”

與此同時(shí)，彭宏利課題組瞄準(zhǔn)工業(yè)界的實(shí)際需求，致力于微波技術(shù)研究成果的“落地生根”，在與上海某汽車集團(tuán)“用于4D毫米波成像雷達(dá)的高性能小型化天線與前端技術(shù)”合作項(xiàng)目中，彭宏利團(tuán)隊(duì)采用電磁超材料理論和多通道探測方法，研制智能網(wǎng)聯(lián)汽車4D毫米波成像雷達(dá)。鑒于77GHz毫米波汽車?yán)走_(dá)的突出優(yōu)點(diǎn)——全天候波長短、頻譜資源豐富；抗干擾能力強(qiáng)、天線口徑利用率高；帶寬大，測距、成像分辨率高；體積小重量輕、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)；可靠性高，易于批量生產(chǎn)；彭宏利團(tuán)隊(duì)針對(duì)目前77GHz汽車?yán)走_(dá)普遍面臨的諸如小口徑、低成本條件下，探測距離、角度分辨率以及視場角指標(biāo)互相制約等難題，提出了天線單元/低損耗饋電/布陣設(shè)計(jì)技術(shù)、目標(biāo)散射場特性提取方法及信號(hào)處理算法三者一體化的協(xié)同設(shè)計(jì)方法；打通了毫米波雷達(dá)各級(jí)實(shí)測數(shù)據(jù)流與仿真數(shù)據(jù)流的雙向協(xié)同分享，實(shí)現(xiàn)了在現(xiàn)實(shí)駕駛場景中雷達(dá)目標(biāo)實(shí)測點(diǎn)云數(shù)據(jù)和模擬場景中仿真數(shù)據(jù)的一致性驗(yàn)證，為77GHz 4D毫米波成像雷達(dá)的低成本原型機(jī)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證提供了高效、可信的研究平臺(tái)；利用該平臺(tái)，課題組啟動(dòng)了77GHz 4D毫米波成像雷達(dá)樣機(jī)研制。

獲2018年日本大川研究助成獎(jiǎng)

熱愛是不滅的火種

未來幾年，彭宏利期待將目前在做的研究成果轉(zhuǎn)化為實(shí)際產(chǎn)品并得以應(yīng)用，使其發(fā)揮更大效能。此外，他還期待在微波、天線和傳播技術(shù)融合理論方面有新的探索。據(jù)了解，目前該領(lǐng)域尚存在很多理論缺陷，彭宏利希望通過不斷探索研究來驗(yàn)證其中的設(shè)想，以便彌補(bǔ)其中的不足，為學(xué)界和產(chǎn)業(yè)界提供理論支持。

回首從研之路，彭宏利說：“研究工作90%都面臨著失敗，但這并不可怕。失敗本身是在提醒我們?nèi)源嬖谡J(rèn)知上的不足。若能將這些不足視為尋找新突破口的機(jī)遇，正視不足并去努力、去探索，不怕冒險(xiǎn)，走出一片新天地，這就很快樂。”

在指導(dǎo)研究生過程中，彭宏利也將這番感悟傳授給學(xué)生。在他看來，能認(rèn)識(shí)到研究問題并能靈活巧妙地把它分解成若干個(gè)小問題，是高水平研究者的基本能力，從小處著手，將小問題各個(gè)擊破，最后就能把大問題解決掉。彭宏利經(jīng)常說：“我們要感謝專業(yè)，它讓我們不斷地發(fā)現(xiàn)新的問題并敦促我們?nèi)ブ鹨唤鉀Q。在解決的過程中感受到其中的酸甜苦辣，都是難得的經(jīng)歷，做研究要學(xué)會(huì)享受這個(gè)過程。”

彭宏利認(rèn)為，科學(xué)研究既是工作也是生活。“我們要把科學(xué)研究納入生活，使之成為生活興趣的一個(gè)來源，或是生活中幸福的一個(gè)有利因素。”彭宏利說，“我希望我的學(xué)生在求學(xué)期間就能夠取得階段性成績，這些階段成績的不斷積累，能夠形成他們未來人生幸福的大支點(diǎn)，這對(duì)于他們一生都大有裨益。對(duì)我個(gè)人而言，人生意義的重要支點(diǎn)或者說幸福的源泉，就是不斷認(rèn)識(shí)和把握研究對(duì)象的微波特性和規(guī)律，并促進(jìn)它們?cè)旄Ｉ鐣?huì)。能有這樣的工作機(jī)會(huì)，我感到十分榮幸。”