天线球面近场测试系统的专管共用机制研究

程勇　吕文俊

【摘 要】本文阐述了南京邮电大学天线球面近场测试系统专管共用的运行机制。通过不同学科之间的协作，提高先进实验平台的利用率，形成设备的有效管理制度和高效运行模式，既为其他大型科研平台的建设提供支持，又为后续建设的专业实验室提供有益的管理经验。通过探索“共有平台、不同学科”之间的设备管理机制，不仅提高了管理水平和设备的使用效率，有效维护设备的正常运转，而且为学生培养和教师的科研工作提供了有力的支撑。

【关键词】专管共用；天线球面近场；仪器共享

【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

先进的大型科研仪器设备是高校的重要资源，在高层次人才培养、高水平品科研工作的开展过程中发挥着重要作用[1-6]。如何管理并使用好大型科研仪器，使得其不仅在科研方面同时在日常教学中发挥更大的作用，是衡量高校实验室建设与管理水平的重要标志[7-8]。天线球面近场测量实验室是我校第一个全自动的专业天线测量平台，为通信与信息系统、电磁场与微波技术等多个专业的师生提供了优良的工作条件，它能天线和天线阵列进行精确测量，快速获取方向图、增益、效率、极化等关键辐射性能指标参数，而且界面友好、操作简单，彻底改变了过去相关专业师生采用人工或半自动方法测量天线辐射特性参数、效率很低、测量精度有限且工作量巨大的艰苦局面，数十倍地提高了工作效率，使相关专业师生从持续时间长、强度高、体力消耗大的重复测试工作中完全解放出来，集中精力提高教学和科研水平。

1 天线球面近场专管共用机制作用

1.1 研究型教学模式的建立、实践和优化

依托天线球面近场测试系统，管理人员编撰了相应的操作手册，为通信与信息系统、电磁场与微波技术专业跨学院的硕士研究生开设了“无线通信中的天线测量技术”实验课程，进一步优化了天线专业课程的结构，让学生既能验证经典天线的辐射特性，又能自行研制新型天线并进行快速测量和优化设计，还能支持他们参加射频电路设计竞赛。上述举措，对内促进不同学科研究水平的提高、充分发挥设备共享效果， 对外展示相关专业的研究生教学水平，充分激发学生的学习兴趣，提高学生的动手能力，进而促进高水平研究论文、教材和专著的发表。在实施过程中，管理人员和主要参加者还以新一代宽带移动通信、无线传感器网络、射频识别、穿戴式系统为应用背景，结合自身承担的国家自然科学基金、国家科技重大专项等国家级科研项目，指导通信学科和电磁场学科的博士、硕士研究生在0.8-6GHz频段上研制各种新型天线单元和阵列，研制了1.7-2.7GHz/5-5.9GHz频段的双频双极化宽带定向天线、小型双频段WLAN宽带定向天线、TD-LTE频段全向双极化天线、5.8GHz频段平面端射特性圆极化天线、多模宽带手持机天线、双辐射模开槽天线等多种新型天线单元，提出了多种新型天线设计方法，获得了丰富的原创科研成果。在该机制的实施和实践过程中，项目负责人始终立足于课程教学、人才培养和团队磨合的目标，依托国家科研项目和先进实验平台的支持，实现了理论教学过程、实验操作环节与科学研究、工程实践之间的良性互动、彼此促进和补充完善，逐步形成了“课堂教学与理论分析-工程设计与实验验证” 相结合、教学科研相长的研究型教学模式。教师通过直接指导学生设计天线和实际操作测试平台，一方面强化学生对课程基础理论知识的掌握，另一方面又能增进教师、师生、学生之间的沟通和交流，充分实现教师、师生、学生之间在科研过程中的逐步磨合，不断发现研究探索过程中的疑难问题并及时解决之，同时提高师生双方的工作效率，促使师生相互配合、相互促进，从而不断优化教学方法和科研模式，达到既能全面提高教学质量、又能提升科研业务水平的良好效果。

1.2 支持不同学校学科的平台建设

天线球面近场测试实验室是江苏省无线通信实验室（归属于“信息与通信工程”一级学科）的重要组成部分。通过探索“共有平台、不同学科”之间的设备管理机制，不仅提高了管理水平和设备的使用效率，有效维护设备的正常运转、充分发挥其效能，而且还为我校省级射频与微纳电子学科综合训练中心（归属于“电子科学与技术”一级学科）的建设提供了有力支持。在学生培养方面，电子科学工程学院、与通信工程学院、教务处三方协调，通过预约、课程设置等方式安排该试验系统的使用。在完善的设备管理基础之上，该实验设备对校内外师生、科研与生产单位开放，满足科研与教学活动需要，最大限度提高设备的利用率，充分发挥该平台的功能辐射作用。使该平台成为我校射频与微纳电子学科综合训练中的子平台之一。通过利用该平台针对电磁场与无线技术、电磁场与微波技术等本科和研究生专业的学生，开设相应的微波与天线测量、电磁兼容、等课程和多门实验课程，同时开展课程设计、生产实习和毕业设计等综合实践教学工作，进而鼓励学生在这个平台上完成创新研究和科学研究项目。借助于该平台，学生可以在两个学院的教师的共同指导下完成射频微波电路设计、射频器件测量、天线设计与测试流程，掌握射频与天线技术的一般设计方法、仿真与优化手段、现代微波测量技术，经过训练学生可以具备一名射频微波与天线工程师的基本素养。2014年在我校成功申请电子科学与技术国家级实验教学示范中心的过程中，基于该测试系统的教学成果作为天线与电波实验平台成果的重要组成部分。

2 天线球面近场专管共用机制作用解决的主要问题

2.1 解决了相关专业研究生教学中只有理论授课、缺少实践环节的问题

纵观国内研究生天线类专业课程的教学现状，一直是以理论授课为主，过去只有少数重点院校有能力开设配套的实验操作课程。特别是天线辐射特性测量实验，通常只对电子、雷达、无线电物理等专业而设定，在通信类专业中尚未见有报道。为了提高教学水平，增强学生的科研实践能力，特别是充分发挥先进科研平台在研究生教学中的作用，必须开设相应的实验课程。利用天线球面近场测量系统，为通信与信息系统、电磁场与微波技术两个专业的硕士研究生开设了“无线通信中的天线测量技术”课程，改变了我校在以往相关课程教学中，只有理论授课而缺少动手操作环节或实践环节少且操作复杂度过高的情况。通过操作天线球面近场测量系统，学生可以地直观验证教材中各种经典天线的辐射特性，加深对天线基本参数、基础天线理论知识的感性认识，从而逐步从理性上定量了解天线的工作机理，走出过去对天线专业课程“全是抽象数学符号和公式推导”的认识误区，产生和增加学习兴趣。在此基础上，还可以吸引有潜力的学生参加教师的科学研究，帮助解决科研项目中的天线分析和设计问题。利用天线球面近场测量系统，能够快速验证研究过程随时出现中的各种新点子、新想法，逐步培养学生独立从事天线领域科学研究和工程设计的能力。

2.2 解决了相关专业学生和教师的科研工作平台条件问题，为科研项目的顺利开展提供有力支持

天线球面近场测量实验室是我校第一个全自动的专业天线测量平台，为通信与信息系统、电磁场与微波技术两个专业的师生提供了优良的工作条件，它能对0.8-6GHz频段、尺寸不大于45厘米的天线和天线阵列进行精确测量，快速获取方向图、增益、效率、极化等关键辐射性能指标参数，而且界面友好、操作简单，彻底改变了过去相关专业师生采用人工或半自动方法测量天线辐射特性参数、效率很低、测量精度有限且工作量巨大的艰苦局面，数十倍地提高了工作效率，使相关专业师生从持续时间长、强度高、体力消耗大的重复测试工作中完全解放出来，集中精力提高教学和科研水平。在先进天线测量平台的支持下，负责人于2013年获得了江苏省高校自然科学重大研究A类资助项目，2014年又获得了国家自然科学基金面上项目。目前，课题负责人正在围绕新一代移动通信、无线传感器网络、射频识别和穿戴式系统等不同应用，与不同学科的师生合作，开展更深层次、更高水平的应用基础研究。

2.3 解决了提高相关专业师生教学科研水平的问题

通过该平台的共管与共享，不仅显著地提高了相关专业师生研究工作的速度、效率和质量，还极大地提高了学生对天线专业课程的学习兴趣，吸引更多有潜力、有志于从事天线理论与技术研究的学生主动参加到教师的科研实践中，形成了浓厚的学术研究氛围，显著提升了研究生的教学质量和教师的科研水平，为我国通信行业培养了理论水平高、动手能力强、工程经验丰富、满足不同层次需求的天线专业人才。得益于先进工作平台的支撑，相关专业师生在天线方面的科研实践持续不断，一系列全新的研究思想、设计方法与工程设计方案得以快速验证和优化实现，从而催生出一系列高水平的原创性研究成果。实验室建成后，相关专业师生已出版专著1部，申请了十余项国家发明专利（其中5项已获得授权），而且还在天线与传播领域的国际权威学术刊物与会议上发表或录用了近30篇研究论文（其中近一半被SCI收录），7篇发表在IEEE Trans. Antennas & Propagation，IEEE Antennas & Wireless Propagation Letters等顶级刊物上，得到了国内外同行的多次引用和关注。

3 天线球面近场专管共用机制实践过程及推广应用价值

在专管共用的实践过程中，负责人首先为通信与信息系统、电磁场与微波技术专业的硕士研究生讲授了“移动通信中的天馈技术与应用”理论课程，然后依托天线球面近场测量系统，开设了配套的“无线通信中的天线测量技术”实验课程，通过48学时的课堂教学和实践环节，对相关专业研究生进行了完整的科研训练，为学生从事天线专业方向的科学研究奠定基础。在此基础上，系统管理人员一方面指导自己的硕士研究生展开科学研究，另一方面积极配合电磁场学科的教师，协同指导从事相关专业方向工作的硕士研究生，依托天线球面近场测量系统，围绕新一代移动通信、无线传感器网络、射频识别、穿戴式系统等应用背景，在国家自然科学基金、国家科技重大专项等国家级科研项目的资助下，研究新型天线的设计理论和方法，在小型天线、宽带天线、多频段天线、圆极化天线等不同领域内展开全面探索。本课题发表的3篇研究论文均发表在国际和国内重要学术刊物上，其中2篇被SCI收录（源）的研究论文，主要作者均为课题负责人指导的硕士研究生；课题负责人和主要成员还出版了专著1部、获授权了3项国家发明专利，说明通过对先进天线测量平台的有效管理和使用，不仅对提高我校相关专业硕士研究生的教学水平、科研能力有显著促进作用，而且取得了具有自主知识产权的系列成果，获得了国际和国内同行的充分认可，达到国内领先、国际同等先进水平。另一方面，通过探索本实验室的共管使用机制，为不同学科、从事相似研究方向的教师提供了充分磨合、相互配合的良机，为我校省级射频与微纳电子学科综合训练中心的建设提供了有力支撑，产生了“1+1>2”的效果，说明通过对先进天线测量平台的有效管理和使用，已经为今后课程与平台建设、科研成果转化等后续工作奠定了良好的工作基础。

【参考文献】

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[8]孙林超.专管共用提高大型仪器使用率[J].分析仪器，2008（3）：34-35.

[责任编辑：杨玉洁]