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西电刘英教授:天线引方向,隐身藏梦想
来源:高速射频百花潭 | 作者:网络 | 发布时间: 2021-06-15 | 286 次浏览 | 分享到:
2016年11月1日,在轰鸣声和欢呼声中,两架我国先进的第四代重型隐身战斗机现身珠海上空,将当天的航展氛围推向高潮。作为我国自主研制的新一代隐身战机,这次不到两分钟的亮相堪称惊鸿一瞥,极大振奋了现场民众的精神和全国人民的国防信心。
《科学中国人》封面人物——刘英


       2016年11月1日,在轰鸣声和欢呼声中,两架我国先进的第四代重型隐身战斗机现身珠海上空,将当天的航展氛围推向高潮。作为我国自主研制的新一代隐身战机,这次不到两分钟的亮相堪称惊鸿一瞥,极大振奋了现场民众的精神和全国人民的国防信心。


       现代战争中,一个国家的空中力量是否强大,很大程度上取决于战机的整体隐身性能是否强大。1991年海湾战争中,美国F-117A隐形战斗轰炸机首次参战即取得重大战果,靠的就是最尖端的整体隐身水平。毫不夸张地说,飞机隐身性能的优劣甚至能决定一场现代化战争的胜负。


       鲜为人知的是,飞机整体隐身性能与飞机天线隐身性能息息相关。一般来说,在外形隐身技术和涂覆型雷达吸波材料的帮助下,隐身飞机能将自身的散射特性降到很低的水平。然而,飞机一旦加载上未经隐身设计的天线系统,其整体隐身性能就会大大恶化,从而严重降低战场突防能力和生存能力。因此,在现代战争中,天线隐身性能的优劣已经成为决定武器平台生死存亡的关键因素之一。


       由于大多数传统天线隐身手段会带来天线辐射特性的损失,制约了武器平台作战能力的提升。因此,如何发展新的天线散射理论,采取新方法实现散射控制,满足各领域对高性能隐身天线的需求,就成为雷达天线隐身领域的重中之重。


       中国电子学会会士、IET Fellow(英国工程技术学会会员)、西安电子科技大学教授、天线与微波技术重点实验室主任刘英,就是这一科研领域里的佼佼者。多年来,刘英及其团队为满足我国军事技术发展的迫切需求,在天线隐身领域做了大量研究并取得了重要成果,为国防事业做出了突出贡献。


       国产重型隐形战斗机的不断发展,离不开天线隐身领域科研工作者的默默奉献。作为我国天线隐身事业的后起之秀,刘英的成长历程呈现了一幅中国女性科技工作者科研报国的精彩侧写。



2019未来天线国际研讨会成员合影


梦想折翼

收获意外的热爱


       刘英小时候的梦想是当一名翻译官。一次偶然的机会,小刘英被电视上风度翩翩的翻译官吸引,从此暗下决心将来要为国家领导人当翻译。为此,她中学时刻苦学习英语,只为圆一个翻译官的梦。1994年夏天填报高考志愿时,她填的第一志愿便是西安电子科技大学外语专业。可是天不遂人愿。等通知书下来,她发现自己被调剂到了同一所学校的电磁场与微波技术专业。当时刘英对这个专业一无所知,心里一百个不情愿。梦想从出入外交场合的翻译官,变成埋头实验室里的科研人员,差异不可谓不大,刘英心中的挫败感可想而知。不过,刘英这个人骨子里就是有一种不服输的劲头。当她了解到电磁波是唯一能够不依赖任何介质进行传播的“神秘力量”,它无声无形、无色无味,即使在真空中也能来去自如,且转瞬即逝时,很快就被神奇的电磁世界所吸引。刘英很快就调整了心态,全身心地投入到这个陌生的研究领域里。


       西安电子科技大学(简称西电)的前身是中央军委无线电学校,诞生于血与火的革命战争年代,有着纯正的红色血统。在20世纪90年代,西电仍保留着军事化管理的优良传统,校园学习氛围十分浓厚。那时,西电校园的早晨经常出现令人震撼的一幕。因为学生们早上起得太早,教学楼还不到开放的时间,于是大家纷纷坐在楼下的石凳上读书、背诵。同学们戏称之“石凳文化”。在刘英的记忆里,那时班里的同学从来不攀比物质条件,只比谁早晨起得早、谁学习最用功。从来没有睡懒觉习惯的她,有时早晨一睁眼,却发现早有同学已经把床铺整理好了。


       西电新生一直都有军训传统。训练间隙休息时,别人往往闲坐聊天,刘英却从口袋里掏出一个小笔记本,开始背单词。正是得益于这种善于利用碎片化时间的好习惯,刘英早早通过了大学四六级,并且顺利通过了托福考试。这在当时是一件很不容易的事。学习上的刻苦精神贯穿了刘英从本科到博士的整个求学生涯,并且对她之后的科研工作也有巨大的影响。


       怀着对电磁波的“偏爱”和对西电的浓厚感情,刘英本科毕业后毫不犹豫地选择了西电天线与微波技术重点实验室,开始了自己的研究生学习。也许就在那时,刘英暗下决心,要在电磁与天线领域干出一番不平凡的事业。



刘英


稳健成长

学术上一贯出色


       硕博阶段,刘英先后跟随我国天线领域知名学者龚书喜教授、傅德民教授从事天线与电磁散射基本理论与设计方面的研究工作。凭借出色的学术表现,在老师们的支持下,刘英得以深入参与多项国家重大科研项目。傅老师和龚老师一直教导刘英:在科研的道路上,要善于解决问题,但更要善于发现问题。只有这样,科研工作才能更具持续性、系统性。老师们在学术上的严谨性和在思想上的前瞻性,对刘英影响至深。在老师们的指导和鼓励下,刘英养成了不断思考、学以致用的好习惯,学术能力得到很大提升。


       在多项重大科研项目中,让刘英感到难度最大、印象最深的是天线近场测量系统的研制。当时,我国天线最早是在室外远场测量。由于室外测量环境差,测量精度相对较低,随着微波暗室技术的出现和发展,天线测量从室外转移到室内。这一措施虽然解决了室外远场测量精度低、不支持全天候测试等问题,但却带来了室内空间有限,无法满足大口径天线测试所需要的远场距离的新难题。业界的共识是:要想解决这一难题,就必须发展室内近场测量技术。


       在这一背景下,刘英加入由我国著名天线测量专家、西安电子科技大学教授毛乃宏带领的科研团队,在国内率先开展了天线近场测量技术研究。经过多年攻关,团队成功研制了国内首套自主可控的天线近场测量系统,实现了从零到一的突破,打破了国外技术封锁,填补了我国在天线近场测量领域的空白。


       当时国外严密封锁天线近场测量技术。刘英所在的科研团队在建设天线近场测量暗室时,从设备搭建到软件编写,几乎都是独立自主完成的,从而解决了被外国“卡脖子”的问题。实验室始终紧密围绕国家需求,在先进天线微波测量技术、天线与电磁散射理论、高性能星载复杂天线优化设计技术、高频信道测量系统等研究上形成了鲜明特色,承担了一大批国家重大重点项目,近十年来已荣获省部级及以上奖励十余项,发表学术论文上千篇,授权国家发明专利近300项,出版教材、学术专著20余部,为我国科技信息化、国产化和人才培养做出了重要贡献。


       出于对天线隐身研究的热爱,刘英2004年博士毕业后,选择留校从事研究工作。谈到留校的原因,她说道:“十年的西电求学经历,让我对西电有着深厚的感情,加之求学期间很多优秀的老师对我有着重要影响,因此我也希望能从事教师这一高尚的职业。更重要的是,西电在解决国家重大技术问题上有着许多重要的科技成果,也有着重要的影响力,在西电求学期间,耳濡目染之下,我立志通过自己的努力解决国家发展需要的技术问题,这将非常有意义。”
2006年,刘英前往韩国汉阳大学深造;2007年,回国晋升副教授;2010年,破格晋升教授。一路走来,看似顺利,实则背后也有着不为人知的坎坷和辛苦。天线研究是一条不平坦的长路,但刘英却一直保持着踏实而又从容的步伐。在这条并不平坦的科研道路上,她善学精思,埋头苦干,一干就是20年。


西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室老中青三代合影


静水流深

踏歌前行二十载


       1991年海湾战争爆发,美国研制的F-117轰炸机群在短短几分钟内就摧毁了伊拉克空防行动中心、总统官邸和萨尔曼帕克截击行动中心等重要目标。攻击期间,伊拉克军队对F-117轰炸机的到来“毫无察觉”,甚至就在轰炸时,都一直无法确定F-117轰炸机的位置。一时间,举世骇然。

在研究这些军事信息时,刘英震惊之余陷入深思:原来“隐身飞机”对现代化战争如此重要!正因如此,早在读博期间,她就开始了隐身天线方面的研究。

       什么是“隐身飞机”?刘英向记者科普了“隐身飞机”的概念。她说:“天线是电子设备的‘眼睛’和‘耳朵’。飞机上的很多天线、雷达需要不停地向外界发射电磁波来保证通信和探测功能。隐身飞机并不是我们想象中的肉眼看不见、消失了,而是通过多种综合设计手段,降低飞机的可探测性。即我方隐身飞机作战时不易被敌方的雷达、红外、射频等探测设备发现,从而提升我方隐身飞机的生存能力和综合作战效能。”

“天线隐身”这个目标听着本就不容易,做起来更是远比想象中难得多。作为收发电磁波的装置,天线要正常地发射接收电磁波,同时还不能被敌方探测到,这显然是一对矛盾。

“确实是矛盾的”,刘英说,“从发射信号的角度来说,发射的电磁波越强,电磁波探测的范围越广,探测的信息越多,但随之电磁波被探测发现的概率也越高”。

       既要高效辐射电磁波,又要抑制对雷达入射电磁波的散射,这就导致天线的隐身设计比普通散射体更为复杂。因此,天线隐身技术既是天线散射领域亟须解决的科学问题,又是实现作战武器平台极致隐身的工程难题。

       刘英和她的团队从天线散射基础理论研究做起,先做了5年的理论研究。在傅德民教授等老一辈科学家的指导和帮助下,她针对天线隐身分析理论缺乏的问题,提出了一套系统的天线散射公式,通过构造S参数矩阵,将天线所有工作状态的辐射散射机理用一套公式描述,统一了美国R.B. Green、R.E. Collin和R.C. Hansen这3位教授的公式,结束了国际上对天线散射定义长达37年不统一的混乱状态,为隐身天线的设计提供了坚实的理论基础。

       紧接着,刘英又对如何实现隐身天线散射精准计算问题发起攻关。只用1年时间,她就在国际上首次提出了天线散射分析模型,实现了天线不同散射模式间的精准分离及计算。这一模型设置简单且具有通用性,突破了国际上只能通过工程预估求解的瓶颈问题。

       “虽比高飞雁,犹未及青云”,在提及自己的科研成就时,刘英十分谦虚。她说,研究隐身天线的征程永无止境。针对实际工程需要,刘英对天线隐身设计方法开展了系统性研究。天线频段从窄带到宽带、天线规模从单元级到阵列级继而到平台级。在整个研究过程中,刘英循序渐进,不断创新,最终实现了从天线隐身设计牺牲天线增益,到天线隐身设计保持天线增益,再到天线隐身设计的同时提高天线增益,突破了天线增益与隐身性能相互制约的瓶颈问题。

       一分耕耘,一分收获。刘英的相关成果在我国多个重大工程中的关键设备研制中发挥了巨大作用,并获得国防科学技术进步奖1项。为了进一步推进国内天线隐身领域的发展和相关人才的培养,刘英科研之余还将部分基础研究成果编著成书,出版了国内第一部针对天线散射技术的专著——《天线雷达截面预估与减缩》。

20多年的时光匆匆而过,一路走来,刘英觉得很充实,因为每一寸光阴里都洒满了辛勤的汗水。除了隐身天线方面的研究外,她在民用天线领域也取得了丰硕的研究成果。

       移动通信系统中的天线是民用天线最重要的应用之一,推动着国民经济的发展。从3G、4G到5G,我国的移动通信技术经历了从跟随到参与再到主导的崛起历程。5G是一个真正意义上的融合网络,将会对人们生活的方方面面产生深层次的改变,完成人与人、人与物,以及物与物之间高速、安全和自由的联通,最终实现“万物互联”的愿景,而5G高速率、大带宽、低延迟的目标对天线也提出了全新的、更高的要求。

       面对国家在新时代对技术的重大需求,刘英开展了5G终端及基站天线的研究。针对手机终端对高性能天线的迫切需求,她创新性提出了基于同相异相模式的手机天线设计理论,解决了小间距下5G MIMO天线隔离度关键问题;在移动通信基站方面,针对基站高低频较为接近的双频天线互耦问题,她综合利用阵列布局优化和宽带阻抗匹配等技术,解决了基站同频及异频等多频天线阵列间耦合难题,使指标达到了国内领先水平。这些技术极好地服务于华为4G/5G终端和基站多款天线产品,对推动我国移动通信技术发展起到了重要作用。

       在与京信通信的合作中,刘英解决了基站天线小型化、超宽带、多系统共用等核心关键技术难题。在“新型小型化多系统共用基站电调天线系统产品及关键技术”项目中,相关研究成果的应用,使京信通信的主流产品性能反超西方厂家,打破了国外行业巨头的垄断。该项目成果获得了广东省科学技术奖一等奖。相关研究收录在刘英编著的《移动通信系统中的天线》一书中。

       刘英和她的团队近年来取得了多项荣誉。她本人先后获得“长江学者”特聘教授、第十七届中国青年女科学家奖等荣誉。她的科研团队也获得科技部重点领域创新团队称号。众多荣誉的取得,是这个青年科学家团队沉潜多年厚积薄发的结果。每一项荣誉的背后,都有无数的汗水、心血和外人难以想象的压力。

       比如在提出隐身天线理论时,刘英和她的团队,首先遭受到来自国际上的质疑。出于对中国科学家的成见,国际上很多人对刘英提出的成果保持着不太认可的态度。但是,真金不怕火炼。随着该理论被更多学者成功应用,种种质疑才烟消云散。

       作为一名女科学家,要兼顾工作和家庭,压力不是一般的大。由于常年扑在科研上,生活中的刘英几乎完全放弃了闲适的生活追求。在学校里,常有人问她为什么从来不穿高跟鞋?其实哪有什么为什么,太多时候刘英都不知道今天自己穿的是哪双鞋。从来都是行色匆匆的她,只要觉得方便,穿哪双鞋都无所谓。“事情太多啦,很多事你都要跑着去做,我真的觉得每天的时间都不够用。”刘英接受采访时对记者如是说。

       对刘英而言,不分昼夜地埋头苦研是工作的常态;在恶劣的环境中做试验是家常便饭;临时受命,来一场说走就走的出差,也稀松平常。这些压力对一位已经成家的女性科研工作者来说其实很大。不过,刘英平淡地说:“虽然在这个领域,女性科研工作者面临的挑战更多一些,但是我们有信心也有能力把工作做好,甚至做得更好。”

       精益求精,永不言败,是刘英的座右铭。20年的科研工作并不是一帆风顺的,期间也经历一次次的失败。其中,在经历了最惨痛的一次失败后,刘英晚上回家抱头痛哭了一场。虽然满肚子委屈,但她调整心情,第二天一大早还是带着略微红肿的眼睛正常参加学术交流活动。同事看到刘英都很吃惊,以为她受了这么大的打击,至少要消沉一段时间。看到刘英不惧挫折,同事纷纷对她竖起了大拇指。



指导学生


以人为本

管理岗位展长才


2017年,刘英在事业上跨上了一个新台阶。她主动应聘西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室主任,成为重点实验室的第三代领头人。

       始建于1992年的天线与微波技术重点实验室,是我国专门从事天线与微波技术领域研究的国家级研究机构,是“电磁场与微波技术”国家重点学科、原“211工程”重点建设学科的主要依托单位。21世纪初,实验室经历了天线近场测量的辉煌时期后,开始进入稳定发展期。

       接手天线与微波技术重点实验室后,刘英全面负责起重点实验室的管理工作和规划发展工作,并带领实验室进入一个新的发展阶段。近三年来,实验室的人均经费大幅度提升,各项业务指标稳步提升。这一成绩的取得,是与刘英“以人为本,人尽其才”的管理理念分不开的。

       刘英领导的实验室参照西安电子科技大学的科研管理体系,进行了奖惩考核管理制度改革,施行以课题组为单元,由课题组负责人独立进行人员、经费分配,实验室最后进行综合考评的办法,形成了团结协作、追求卓越的团队文化和民主决策、资源共享的运行模式。这一模式有力地提高了全体人员地工作积极性和工作效率。

       刘英常说:“一个人可以走得很快,但一群人能走得更远。一个团队想要走得远,成员之间必须是凝聚的。如果人心不齐,那这个团队是没有战斗力的。”为此,她首先致力于打造一个团结高效的工作团队,着重打造团队精神,注重发挥集体智慧,使整个实验室形成了“心往一处想,劲往一处使”的良好氛围。

       其次,刘英格外重视青年科学家的培养和创新团队的培养。她说:“对于年轻人,一是要多给他们锻炼的机会,让他们在施展拳脚中不断挖掘自我潜力;二是一定要多激励他们,形成一个良性的竞争氛围,不但让他们有归属感,还要让他们有战斗力,大家一起向前走。”依据已有的学科布局和研究方向,刘英有针对性地、多渠道地培养和引进青年人才,致力于打造更加合理的研究人员年龄梯队。目前,实验室40岁以下的研究人员已占55.7%。

此外,刘英还非常注重学科交叉,积极整合资源,搭建共享平台,定期组织内部学术交流,营造宽松的学术氛围,积极鼓励协同创新,形成了有竞争力的研究团队。

       特别值得一提的是,天线与微波技术重点实验室始终重视学术交流的重要性,注重加强与国际学术界的学术交流。在刘英的推动下,实验室打造了两个具有“西电特色”的国际会议:IWFA(International Workshop on Future Antennas)和EM-MTF (Electromagnetic Materials and Technologies for the Future)。多年来,实验室已在国内外多次组织会议,吸引了一大批国内外知名学者参会,极大推动了电磁领域的学术交流。同时,刘英还积极鼓励实验室成员与研究所、优秀企业开展一系列的实质性合作,建立相关的合作机制,通过产学研深度融合,积极将高校科研成果转化为具有经济效益的生产力,促进科研成果真正实现产业化。

       作为重点实验室的负责人,刘英表示科技工作者最忌“小富即安”。她说,自己之所以主动应聘实验室主任一职,就是为了不断接受挑战,为本学科的发展和国家的需求贡献力量。她本人就是伴随着天线与微波技术重点实验室的发展成长起来的,如今站在“十四五”的新历史起点上,必将带领实验室同仁再接再厉,力争取得更大的成绩。


与毕业生合影


春风化雨

甘为国家育英才


       立德树人是现代高校教师最根本的任务,而本科教育是一所大学的灵魂。作为西安电子科技大学的一名教育工作者,刘英自2004年参加工作以来,时刻铭记着“传道、授业、解惑”的使命,坚守教学第一线。在日常的课堂授课教学中,一直坚持课前备课。她在课上通过板书、多媒体及样品实物等多样化教学手段,帮助学生对电磁理论知识有本质上的理解。她的课堂教学既深入浅出,又风趣幽默,总能及时地将电磁场与微波技术新理念和方法扩充进来。她擅长将各类教学内容融会贯通,很符合学生的认知特点。例如,根据无线通信原理与应用教学内容,刘英把具有代表性的无线移动终端天线带进课堂,使学生从实物上理解无线通信的工作原理,不但开阔了学生视野,还极大提高了学生对理论知识的理解。她还结合专业课及学生的特点,开展研究性教学,通过案例教学、讨论课、让学生撰写文献综述或小论文等形式,培养学生的自主学习和表达能力及研究思路。

       科研育人是在新时代新形势下响应党和国家号召,将科研与教学相融合,使人才培养紧跟国家创新发展主题,发展出的更具时代意义的新型育人理念与育人模式。接手实验室以来,刘英以西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室为平台,依托“电子科学与技术”国家重点学科,积极开展了电磁场与微波技术领域的高质量人才培养工作。她始终围绕提升人的价值来开展科研育人,以突破以往教学和科研分离的范畴,通过对知识传授、知识创造进行有机融合,使得人才培养与科学研究实现良性循环。

       天线与微波技术重点实验室采取矩阵式管理,以课题研究方向为组,对不同年级研究生采取不同层次的培养模式,博士、硕士层层带动,共同进步。刘英作为实验室的负责人,负责把握整体科研进度。为了进一步启发学生的学术思维,开阔学生的学术视野,实验室还定期进行学术讨论,邀请国内外知名学者来校作学术报告,让学生有机会与电磁领域知名学者面对面进行学术交流。除此之外,刘英还定期安排优秀研究生参加ISAP、APCAP、全国天线年会等高水平学术会议,以此来开拓学生的国际视野,提升学生的沟通交流能力和团队的国际知名度。

       刘英十分注重培养研究生的实战能力和实战经验。她说:“我认为在研究生阶段,重要的不是你今天学了什么,学了多少,而是综合素质上的提高。你发现了什么问题,怎样解决问题,解决问题后你怎样向别人阐述清楚,这些都是研究生一定要具备的能力。”在她的实验室里,每位研究生都承担着与研究方向类似的科研项目,在科研项目的攻关过程中,可以使学生反复加深对研究方向领域的理解,从理论到实际,从科研到工程,不断提高研究生发现问题和解决问题的能力。

“百年大计,教育为本。教育大计,教师为本。”从事教育工作这些年来,刘英不只是在做传授书本知识的教书匠,还致力于成为塑造学生品格、品行、品味的“大先生”。

       西安电子科技大学是中国高校中少数几所红色血脉延伸最长的重点大学之一。作为一名共产党员,刘英尤其注重发挥西安电子科技大学红色文化的育人功能,善于将红色资源转化为立德树人的教育资源,使其真正成为涵养学生理想信念、实现价值引领的重要源泉。她注重利用各个教学环节,结合专业内容加强对学生的思想引领,通过介绍我国电磁领域发展形势及面临的挑战,引导学生以国家电子信息发展为指引,以国家电子信息安全为己任,学好专业,报效祖国;激励学生做“有理想、有道德、有文化、有纪律”的四有青年,树立“大家”思想,要有民族感、责任感和建设国家的使命感。
在学生眼中,刘英是一个既温和又严格的人,什么时候都能跟学生打成一片。很多学生无论是在工作上,还是在生活中,有什么苦恼总爱跟刘英唠一唠。不过,生活上特别随和的刘英在科研工作上却十分严格。她对学生的要求极高,考核标准甚至远高于学校的标准。多年来,刘英坚持引导学生树立正确的人生观、价值观和世界观,不但要具备超强的科研能力,更要树立高尚的人生追求和奉献精神,真正成长为合格的社会主义建设者和接班人。

       当今世界科技发展日新月异,时代巨轮滚滚向前。当万物互联时代扑面而来时,我国在天线领域必将面临更多的挑战和机遇。在习近平新时代中国特色社会主义思想的指引下,为了更好地守护国防安全和民众利益,刘英和她的团队决心在天线领域继续奋勇前进,再攀高峰。

刘英


       刘英,西安电子科技大学天线与微波技术重点实验室主任。现为教育部“长江学者”特聘教授、科技部“天线与微波技术”重点领域创新团队负责人,获第十七届中国青年女科学家奖。目前主要研究方向为天线辐射与散射机理研究、新一代移动通信天线设计、电磁超材料设计及应用等。研究成果共获5项省部级/全国学会级奖励。


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