|
2021年11月3日， “高密度柔性天线机电耦合技术与综合设计平台及应用”项目出现在全国科学技术表彰大会一等奖的获奖名单中，该项目的第一完成人，西安电子科技大学段宝岩教授，用了15年的时间带领一支队伍，穿过学科交叉的无人区，蹊径独辟，走出了一条属于中国人自己的技术登峰之路。
天线、高密度、柔性、机电耦合，这一个个专业词汇组合在一起，打开了今日中国高端电子装备领域信号收发的崭新蓝图。从首部静电成形薄膜天线，到广为人知的FAST“中国天眼”，以及探月工程、火星探测等重大工程，段宝岩团队的科研成果发挥了不可替代的作用。
段宝岩，我国电子机械工程领域走出的第一位院士，用40多年的努力将“机电耦合”这个在学科交叉地带不断成长的词汇带到了公众视野。
段宝岩
“机”“电”为什么要耦合？
说到机电耦合，先要认识一个词：机电一体化。
英文译为Mechatronics，由Mechanical与Electronics掐头去尾组合而成，刚好体现了机械与电磁（气）技术的结合。机电结合，恰是电子装备最显著的特点。
在很长一段时间内，“机”“电”在设计层面上是分离的。电磁设计人员对机械结构设计与制造精度的要求往往太高，时常超出机械的制造加工能力，而机械结构技术人员因缺乏对电磁知识的深入了解，只能千方百计地设法去满足。
这种情况下，工程实际中有时就会出现奇怪的现象：机械结构技术人员费了九牛二虎之力制造出的产品，电性能又时常出现不满足的情况。相反，机械制造精度未达要求的产品，电性能又是满足的。
矛盾现象多了，原因又找不到。久而久之，就导致电子装备研制出现了性能低、周期长、成本高、结构笨重的问题。
段宝岩
时间来到21世纪，现代电子装备呈现出高频段、高增益，高密度、小型化，快响应、高精度的发展趋势。这与早期电子装备相比，复杂度提高了很多。
早期的电子装备，要么工作频段较低，要么对“体型”要求没那么苛刻……总之，因为当时的要求没有如今这么严苛，机电分离所造成的影响尚且有限。但随着电子装备的飞速发展，机电分离已经成为制约电子装备性能提升、成为影响下一代装备研制推进的瓶颈问题。
尤其是现代电子装备的复杂性，使其对机械结构部件的设计与制造提出了更高的要求，有些要求甚至超出了机械加工能力。这时，就不得不考虑将电磁部分和机械结构部分放到一起综合考量了，也就是所谓的“机电耦合”。
耦合之后会怎样？
机电耦合并不是简单的“1+1”。
它不仅要实现机械、电磁、热之间的自动数值分析与仿真，还得保证不同学科间信息传递的完备性、准确性与可靠性。
更重要的是，需从数学上导出基于物理量耦合的多物理系统的耦合理论模型，探明非线性机械结构因素对电性能的影响机理。目标非常明确，就是要为高端装备设计与制造提供理论与关键技术支撑。
对段宝岩团队来说，机电耦合理论与技术是他们做出的一个重要探索。
这个研究团队系统地建立了高密度柔性天线电磁场、结构位移场、温度场间的场耦合理论模型，揭示了非线性结构因素对电性能的影响机理，为高密度柔性天线机电耦合设计的工程实现，奠定了坚实的理论基础。
他们提出了基于场耦合理论模型与影响机理的机电耦合设计理论与方法，可实现电性能意义下的最佳结构刚度分布设计、热控策略与途径的最佳拓扑设计。他们还自主研发了我国首个集电磁、结构、热于一体的高密度柔性天线综合设计平台。
世界上型面精度最高的5米口径静电成型薄膜天线样机的成功研制，也是依靠机电耦合技术，才破解了静电场与位移场耦合、静电力与裙边索力耦合的难题。同时，突破了高精度、大口径、大曲率薄膜型面的成型技术。
中国“天眼”FAST射电望远镜
还有全球瞩目的“中国天眼”，其馈源舱及大跨度柔索支撑系统的光机电一体化创新设计，不仅将重量由万吨降至30吨，且实现了毫米级的动态定位精度。这其中，机电耦合技术发挥了极其重要的作用。
在场耦合理论模型、非线性结构因素对电性能影响机理方面，他们的研究被认为达到了国际领先水平。此次奖励大会之后，随着获奖消息共同扩散的，还有“机电耦合”在公众间的影响力。
未来电子装备必然会向着极端频率、极端环境，精密化、智能化的方向发展。无疑将对机电耦合技术提出新的、更大的挑战。段宝岩对于学科的前景有着清晰而准确的判断。不仅如此，他还打造了一支特别能战斗的队伍。这支老中青搭配合理的团队，让我们对其在我国未来科技攻坚战中的表现不由地生出新的期待。如今，八零后已经成为团队的中坚力量，九零后也已开始崭露头角。
段宝岩院士带领的这支研究团队，西电梦之队，红专并进，执梦而行，科技报国，从未止步。
| 
