四位Fellow同上一门电磁前沿课 引领学子探秘创新“无人区”

学校首门“博士生前沿课程”圆满结课

文:王晓刚 学生记者团 张还月 研究生院 苟灵 / 来源:电子学院 新闻中心 研究生院 / 2021-02-26 / 点击量:2126

由四位IEEE Fellow同上一门前沿课,介绍电子科学与技术学科电磁场领域的最新研究成果和发展前沿动态,听这样“超强大阵容”和“超高含金量”的课程,是一种什么样的体验?《电子科学与技术学科博士生前沿课程》圆满结课后,30位选课的博士研究生用他们的“作业”给出了“回答”。

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在四位老师的引导启发下,电子科学与工程学院(示范性微电子学院)的博士生们结合自己的研究志趣开展自由探索,围绕前沿问题进行了综述研究。每份综述报告3000余字,内涵丰富、思想新颖、视野开阔,涉及“超材料” “太赫兹成像技术”“新型相控阵设计方法”等诸多前沿领域。

“博士生前沿课程”系列课程是研究生院为了培养具有国际一流水准的高水平博士推出的新举措,其首次课程共20学时,于上学期在电子学院先试先行。课程建设依托“电磁辐射与散射基础理论及关键技术”国家自然科学基金创新研究群体和“电子信息科学工程创新引智基地(111计划)”完成。在各方精心准备和密切配合下,课程圆满结束,取得了良好的预期效果。

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“大咖”开讲:既有理论深度,又有前沿高度

2020年11月16日上午,IEEE Fellow、新加坡国立大学教授陈旭东如期连线,与位于清水河校区立人楼的博士生见面,深入浅出地讲解了“Parameter Extraction Method for Electromagnetic Metamaterials(超材料的电磁参数提取方法)”。

超材料作为一种新型人工复合材料,具有天然材料所不具备的特殊性能。它的性能不是由构成它的基本材料决定,而是取决于特定的结构设计。通过结构单元精确的形状、尺寸、取向和排列设计,可以阻挡、吸收、增强或弯曲电磁波,从而使超材料具有超越传统材料的电磁波智能操控特性。

在介绍了超材料的基本概念和特征后,陈旭东教授逐步深入,讲解了提取“等效电磁参数”对研究超材料的重要意义,这种参数可以很快确定人工设计的超材料是否具有我们想要的电磁特性。他结合自己在MIT读博时期的研究经历,生动分享了作为博士生如何发现问题、分析问题,如何找到现有方法的不足、在问题中创新,最终取得研究成果的全过程。

作为一种特殊材料,超材料的等效参数应该具备一些基本的“材料”属性,如等效参数不随超材料厚度变化、随频率连续变化,且应满足被动材料需要满足的基本物理特性。但是,他在文献调研中发现,现有的提取方法无法同时满足上述要求。通过深入研究,他发现这些问题主要是由于传统方法对超材料的边界界定模糊、对阻抗和折射率的符号判断不准等因素造成的。基于该发现,他进一步开展创新研究,最终提出了一种能同时满足上述要求的新型等效参数提取方法。该方法目前在超材料设计中被广泛采用,单篇论文在谷歌学术引用率也达到了2000多次。

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11月18日上午,陈旭东教授分享了电磁成像技术的背景及发展,介绍了电磁成像在B超、无损检测、测井勘探、自动驾驶等现代社会生产生活中的广泛应用。他把电磁成像分为“仪器成像”和“计算成像”两类,并通过详细案例说明了各种成像方法的优缺点。他预测:“随着算法的不断成熟,计算成像将在未来有更加广阔的前景!”

电子学院博士研究生杨鑫听课后表示,“在这两节课中,我知道了电磁参数提取是超材料特性研究过程中至关重要的一步,也了解到了陈教授团队在超材料等效参数提取方面的最新研究工作,还知道了电磁成像的巨大应用价值,开阔了自己的学术视野!”

四位Fellow :欣然接受邀请,乐于倾囊相授

陈旭东教授长期从事电磁波理论与应用研究,在电磁逆散射与计算成像技术方面有深厚的造诣,曾先后担任电磁成像相关的大会主席、副主席、分会主席等数十余次,获国际无线电科学联盟大会青年科学家奖和IEEE ICCEM会议Ulrich L. Rohde创新论文奖等奖励,目前担任IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing (IEEE T-GRS)等权威刊物的副主编。

像陈旭东教授这样的“大咖”还有三位,分别是:新加坡工程院院士陈志宁教授,意大利特伦托大学电磁检测研究中心主任Andrea Massa教授,新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院沈忠祥教授。这四位“大咖”都有一个共同的身份——IEEE Fellow。

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陈志宁教授主要研究微波、毫米波、亚毫米波及太赫兹通信、雷达及成像系统中的天线与传播。1999年,他加入新加坡科技与研究局通信资讯研究院,曾任射频与光研究部主任及科技顾问和首席科学家,2012年加入新加坡国立大学电子与计算机工程系任终身正教授,2018年当选为新加坡工程院院士。

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Andrea Massa教授是IEEE AP-S Distinguished Lecturer(IEEE 天线与电波传播协会杰出演讲者)(2016-2018)、天线领域权威刊物IEEE Transactions on Antennas Propagation(IEEE T-AP)副主编以及多个国际期刊编委会成员,意大利特伦托大学电磁检测研究中心主任。

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沈忠祥教授是电子科技大学1983级校友,1999年加入新加坡南洋理工大学电气与电子工程学院并任教至今。他曾担任IEEE天线与电波传播/微波理论与技术新加坡分会主席、IEEE天线与电波传播协会分会活动委员会主席及IEEE天线与传播执行委员会(AdCom)成员。他研究的领域包括各种无线通信系统中的小型天线、平面天线、频率选择表面设计等。

这四位教授与电子科技大学有着长期的学术联系。收到电子学院的邀请后,他们欣然受邀,在百忙之中抽时间,帮助成电学子成长成才。

授人以渔:引领探索前沿,鼓励原始创新

11月16日、18日陈旭东教授分享结束后,11月23日、25日沈忠祥教授接着介绍了天线的发展历史、类型,进而介绍了各种类型天线之间的关联,对比分析了各种类型天线的优缺点。他还分享了频率选择表面的特点及其设计难点,以及天线罩设计时需要重点关注的点和未来天线罩一体化设计的发展趋势。

11月30日、12月3日和12月7日,Andrea Massa教授不仅介绍了低成本相控阵天线的三种形式,还分享了压缩处理理论在稀疏阵列天线当中的巧妙应用。对于低成本相控阵天线,Massa教授详细讲述了其中的“Clusterd array(簇状阵列)”的来龙去脉及其形式,并讲解了算法的实现和改进,最后介绍了“簇状阵列”的各种应用实例以及目前仍然存在的研究难点。

12月21日,陈志宁教授在课程开头也介绍了天线的发展历史,但和沈忠祥教授不同的是,他主要结合天线性能的发展历程来讲解,并介绍了天线的两个特点,即性能“受电尺寸制约”和“受周围环境影响”。他强调“设计天线一定要从其应用背景出发”,并讲述了天线发展与加工工艺、射频电路、材料以及信号处理等其它技术发展之间的紧密关系。

12月23日、25日,陈志宁教授介绍了泛(超)天线的前沿研究成果,包括电磁泛材料、电磁泛表面以及微波泛天线,并讲解了光学透镜在天线领域的重要研究价值。他还以5G基站面临的最大问题(即功耗问题)为出发点,提出了如何为基站设计新型透镜的问题,介绍了团队在“利用泛表面设计透镜”等方面的研究进展。

在讲课过程中,各位老师在传授知识的同时,结合科技的发展脉络,揭示背后的思想变化、理念创新,以及科学家的问题意识和科学精神。他们还结合自己的研究过程和学术经历,分享自己做学问的方法和感悟,让正处在学术成长期的博士生们受益匪浅。

陈旭东教授在讲解超材料的“等效电磁参数”提取时,讲了一个故事。在他的一项研究成果中,有一幅提取“等效电磁参数”的曲线图,其中有一段曲线无论如何都无法通过所提方法计算出来。这段缺失的曲线是要如实反映,还是适当进行“平滑处理”呢?在和其他学者交流并确定该现象确实存在之后,他的选择是:计算结果是什么就是什么!最终,他在论文投稿时用了这副“残缺”的曲线图。后来,这项成果得到了同行的充分肯定,他严谨治学的态度更是赢得了同行的尊重与赞赏。

结合这个故事,陈旭东教授鼓励同学们在博士科研期间读一些行业先驱的文章。如果同学们有能力去重复这些先驱的研究结果,相信同学们在重复过程中能学会许多东西。如果重复不了,也不要怀疑自己,要多讨论、多分析,说不定也能发现一些被大家所忽略的结论。

听课的同学们对此都深有感触。同学们表示,从进入电子科技大学的第一天起,就一直牢记“求实求真,大气大为”的校训,工科博士的科研工作更应如此,要尊重每一次实验测试、重视每一次数据分析,才能把研究做得更扎实,在科研道路上走得更自信。

陈志宁教授在讲课中,多次告诫同学们研究不要仅仅停留在问题的表面,而要深入其本质,挖掘其蕴含的根本科学问题,从源头驱动开展创新研究。这些中肯建议给电子学院博士研究生郭俊雷留下了深刻印象,她说,“学校强调要做真科研,就是要让我们沉下心来、打好基础,否则,毕业以后走上工作岗位,真正到了面临‘卡脖子’问题的时候,就会发现肚里没货、后劲不足。”

隔屏互动:即便远隔千里,也能热烈讨论

由于疫情原因,四位专家都无法亲临学校授课。因此,学院在清水河校区立人楼的教室里搭建起了在线上课的平台。四位专家采用中英文双语讲授,并结合PPT、手绘、动画等多种形式,使课堂内容精彩纷呈。课堂设置了师生互动等环节,鼓励学生提问和讨论。课后如果学生有疑问、建议、设想等,还可以通过助教反馈给授课专家,并得到专家的课后解答,这种咨询、问答与解惑模式将在课后长期存在。

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据介绍,这门课程的目的,就是要通过介绍电子科学与技术学科的最新研究成果和发展前沿,使学生可以跟进本领域最新的发展动态,把握最新的研究方向,汲取最新的研究成果,学习最新的研究方法,从而开拓学术视野,激发创新精神,提高博士生的科研能力,培养具有国际水准的高水平博士毕业生。

课程要求学生在阅读本学科经典著作的基础上,定期阅读本学科国内外重要期刊论文,及时跟进各研究方向的最新发展动态。课程的研究专题在学期之初就已经公布,要求学生根据研究主题做相应的文献研读,在课程开始前做好知识储备,在上课期间积极参与问答,与老师深度研讨。

在线上课,讨论的气氛能够热起来吗?本次博士前沿课程的课程建设组成员介绍,在观摩教学和考察教学效果时,发现同学们能够很快适应并进入状态,与专家积极探讨问题。由于电子摄像头和话筒是放在教室前面的,为了使专家听得更清楚,后排的同学常跑到前排去提问和交流,气氛比较热烈。

据介绍,电子学院在设计这门课程时就考虑到,作为电子科学与技术专业博士研究生的前沿课程,这门课要面向电磁场与微波技术、电路与系统、物理电子学等不同方向的博士生开设。因此,课程内容就必须保持“大口径”,兼顾基础性和前沿性。

课程建设组也和受邀专家进行了充分的沟通,要求专家在讲授内容安排上把高度、广度和厚度结合起来。因此,学生在听课时,即便所讲的内容不是自己所专长的领域,也能够听得懂,并带来交叉融合的启发。

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初见成效:不断总结经验,面向全校推广

作为考核方式,该课程要求学生结合课堂上讲授的前沿课题,选择感兴趣的方向,进一步调研,并最终完成一份高质量的综述总结报告。成绩评定将根据在相关专题学习和报告中反映的学生在电磁感知、成像、天线设计、超材料等方面获得的知识及对未来应用的设想情况而定。其中,平时成绩占30%(出勤占40%,课堂讨论占60%),总结报告占70%。

结课一周后,30位学生都完成了前沿综述报告,总结了自己的丰硕收获。每个人都对自己感兴趣的前沿问题进行了梳理归纳,研究的前沿问题包括“新型透镜天线”“电磁超材料及其等效参数提取方法”“宽带扫描相控阵天线”“基于超材料的宽带吸波材料”“太赫兹成像技术”“有关左手传输线的相关理论”等丰富内容。

据介绍,针对本学科领域的前沿热点和重点难点问题,电子学院将在每学年秋季学期邀请2-3位具有一定国际声誉并在电磁场、无线电物理、集成电路等研究领域长期从事科学研究的国内外院士、IEEE Fellow等通过线上或线下方式授课。课程的具体内容将随着本领域各研究方向的发展动态而不断调整,并根据内容邀请不同的专家授课。

电子学院开设《电子科学与技术学科博士生前沿课程》,对我校“博士生前沿课程”建设来说,是一次宝贵的实践探索。研究生院表示,学校研究生教育紧紧围绕立德树人根本任务,将持续深化研究生教育综合改革,推进“博士生前沿课程”在更多学院开展,使更多学生拓宽国际学术视野,努力培养具有家国情怀、全球素养、扎实基础、知识综合与集成创新能力,未来能引领学术前沿、科技与社会经济发展,堪当民族复兴大任的创新引领性人才。


编辑:王晓刚  / 审核:王晓刚  / 发布者:陈伟