無線通信系統電磁與微波技術教學的分層設計

全紹輝

【摘要】針對無線通信系統中的電磁與微波技術，提出將教學和實驗實踐劃分為從內到外五個層次，包括：電磁傳播層、電磁散射層、天線層、射頻電路層、系統級參數層。對這些分層所包含的電磁與微波技術的基本概念、理論、實驗實踐進行了總結，給出了分層課程設計和內容規劃。提出按年級進行分層培養的方案，并設計了包含基礎課程類、仿真實踐類、測量實踐類各欄目的微波學堂網（wbxt.buaa.edu.en）。

【關鍵詞】無線通信系統；電磁與微波技術教學；分層設計；微波學堂

【中圖分類號】G40-057【文獻標識碼】A【論文編號】1009－8097（2012）12－0115－04

引言

隨著無線通信技術的迅速發展和普及，其教學研究也越來越受到重視。電磁與微波技術是無線通信系統的重要組成部分，無線通信行業的射頻工程師、微波工程師、天線工程師等崗位，通常都要依托工科“電磁場與微波技術”專業培養。

“電磁場與微波技術”是一級學科“電子科學與技術”下的二級學科，也是電子信息類、通信工程類的一個重要專業和研究方向，“電磁場理論”和“微波技術”等課程是該專業的基礎課，也是無線通信從業人員的必修課。

然而，在“電磁場理論”和“微波技術”等課程的實際教學中，卻經常有學生困惑于這些課程和無線通信究竟有什么關系。之所以出現這種現象，一方面是這些課程理論抽象，實驗實踐難度大，初學者不容易消化理解；另一方面，是這些課程的設計和安排通常自成體系，教學內容與無線通信系統的聯系不夠直觀明顯。這使得一些初學者對課程不感興趣，影響其學習效果。

為此，我們提出，可在一個完整的無線通信系統中，將涉及的電磁與微波技術從內到外劃分為五個層次，分層進行教學和實驗實踐訓練。這種安排可以使學生更清晰地了解自己所學課程的定位，提高學習興趣和主動性，為將來針對無線通信系統的課題研究和工作選擇做好準備。

一、無線通信系統分層

圖1所示為通用無線通信系統基本構成示意圖，主體部分通常包括：發射機、接收機、發射和接收天線等。其中發射機和接收機部分又可根據工作頻率的不同分為射頻單元和中頻單元。射頻單元和天線通過射頻傳輸線連接，射頻單元和中頻單元之間通過中頻電纜連接。發射天線輻射的無線信號在空間傳輸時，遇到障礙物可能產生散射。無線信號可以通過收發天線之間的視距（LineofSight，LOS）信道或者通過經由障礙物散射的非視距（Non-LOS，NLOS）信道傳播。

如圖2所示，可將圖1所示無線通信系統涉及的電磁與微波技術從內到外分為五層。最里面為并列的電磁傳播層和電磁散射層，再往外依次為：天線層、射頻電路層、系統級參數層。這些分層涉及的電磁與微波技術各有側重，通過分層之后，可以開展有針對性的教學。

二、分層課程設計和內容規劃

以北航電子信息工程學院所開設課程為例，表1給出與無線通信系統中電磁與微波技術分層相關的電磁與微波類的主要課程列表。在本科階段開設的必修課程一般有“電磁場理論”和“微波技術”兩門，其他為選修課。電磁與微波技術大部分課程的系統學習通常在碩士研究生階段進行。

1、電磁傳播層

如表1所示，關于電磁傳播層內容的學習通常在本科階段的“電磁場理論”和研究生階段的“高等電磁理論”中進行。

電磁傳播層所涉及的與無線通信相關的主要基本概念和理論一般包括：（1）平面波和均勻平面波：（2）媒質中的波：（3）波的合成：行波、駐波、行駐波；（4）波的合成：線極化、圓極化、橢圓極化；（5）柱面波：（6）球面波；（7）遠場條件和緊縮場。

電磁傳播層可以考慮安排的實驗實踐為：（1）線極化波、圓極化波、橢圓極化波的產生；（2）線極化波、圓極化波、橢圓極化波的檢測。

2、射頻電路層

如表1所示，射頻電路層中的無源電路知識通常在本科階段的“微波技術”課和研究生階段的“微波工程基礎”課中學習，而有源電路知識通常在本科或研究生的“微波電路與器件”、“微波電子線路”等課程中學習。

射頻電路層所涉及的與無線通信有關的主要基本概念和理論一般包括：（1）傳輸線；（2）長線和短線；（3）集總參數和分布參數；（4）長線的分布參數電路模型及解；（5）傳播常數和特性阻抗；（6）匹配和失配：（7）傳輸線工作狀態參量：（8）史密斯圓圖；（9）微波網絡和網絡參量；（10）網絡外特性參量；（11）同軸線、波導、微帶線；（12）傳輸線轉換接頭。

射頻電路層可以考慮安排的實驗實踐為：（1）網絡分析儀的學習與使用，包括傳輸線基本概念和圓圖實驗：（2）用網絡分析儀進行典型二端口、三端口、四端口射頻元件的測試；（3）一些微波傳輸線和元件的仿真實驗。

3、天線層

如表1所示，天線層所涉及的基本內容在本科階段的“電磁場理論”、“通信天線與饋電系統”等課中均有所涉及，更多內容的學習則一般要到研究生階段的“天線理論與工程”課中進行。也有一些院校將天線課和“微波技術”課的內容合并整合為“微波技術與天線”課進行教學。

天線層需要了解和學習的主要基本概念和理論一般包括：（1）電流元、磁流元、惠更斯元；（2）輸入阻抗和駐波比；（3）極化和交叉極化；（4）方向性和增益；（5）增益方向圖；（6）軸比方向圖；（7）無線通信系統天線類型；（8）天線參數測量原理。

天線層可以考慮安排的實驗實踐為：（1）天線的極化；（2）圓極化天線的原理和實現；（3）天線駐波比測量；（4）天線方向圖測量：（5）一些典型類型天線的仿真。

4、電磁散射層

如表1，電磁散射層的內容通常需要在研究生階段的“電磁散射理論及工程”、“幾何繞射理論”等課程中學習…]。

電磁散射層需要掌握的主要基本概念和理論一般包括：（1）反射、衍射、干涉；（2）繞射；（3）雷達散射截面（RCS）；（4）一維成像；（5）二維成像；（6）RCS測量原理。

電磁散射層可以考慮安排的實驗實踐包括：（1）波的衍射和干涉；（2）一些典型目標RCS測量實驗，如金屬球的諧振RCS測量和二維成像，典型低剖面低RCS飛行器模擬目標測量等；（3）典型目標的RCS仿真。

5、系統級參數層

如表1所示，在研究生“微波通信系統”課程中，會對無線通信系統電磁與微波技術的系統級參數層內容有所涉及，還有一些內容分布在其他課程及一些工程科研文獻中。

系統級參數層需要掌握的主要基本概念和理論一般包括：（1）等效全向輻射功率（EIRP）和靈敏度；（2）弗西斯公式和雷達方程；（3）菲涅爾橢圓和菲涅爾區：（4）視距通信；（5）非視距通信；（6）信道模擬和測量。

對于實驗實踐，可考慮安排一些無線通信區的軟件模擬，具有下列功能：（1）無線通信發射單元模擬；（2）無線通信接收單元模擬；（3）收發單元處于任意姿態和位置時，水平、豎直、軸線方向的視距有效通信區；（4）存在典型障礙物且收發單元處于任意姿態和位置時，水平、豎直、軸線方向的非視距有效通信區；（5）單雙站雷達探測區模擬。

如果具備條件，也可以安排一些信道測量的演示性或驗證性實驗。

三、按年級分層培養方案設計

對電子信息類、通信工程類專業的學生，盡管大多數電磁與微波類課程的系統學習需要到研究生階段進行，但對部分感興趣、有余力的本科生，仍可以在本科階段按照年級逐漸實行電磁與微波技術分層培養的方案，表2給出具體方案設計。按此方案，從大二開始，到大四結束，可以初步完成一個完整輪次的分層培養和訓練。如果具備條件，在研究生階段還可進一步深入學習和實踐。四輔助教學網站設計

分層培養是一個系統的工程。為擴展學生眼界，增強實驗實踐訓練，促進各級同學之間交流、各門課程之間交流，我們設計了輔助教學網站：微波學堂網（wbxt.buaa.edu.cn）。

考慮到無線通信系統分層的每一層的教學內容都涉及基礎理論、仿真方法、測量方法等三大類，我們將微波學堂網的前幾個主要版塊分為三類：基礎課程類、仿真實踐類、測量實踐類。其名稱、定位、內容簡介如表3所示。

五、結論

本文提出將無線通信系統中的電磁與微波技術劃分為電磁傳播層、電磁散射層、天線層、射頻電路層、系統級參數層，分層進行課程設計、內容規劃和學習實踐，設計了按年級分層培養的方案，構建了輔助教學的微波學堂網站。這種方法的特點和優點是：

（1）可以解決傳統教學中通信系統的電磁與微波技術定位不清晰的問題。通過設計完整、完備的電磁與微波技術的分層學習和實驗實踐方案，可以使電磁與微波類課程學習與無線通信系統及實際科研工程緊密結合，提高了學習的針對性和效率。

（2）在分層學習和實驗實踐中，學習者既可掌握無線通信系統中的關鍵電磁與微波技術，又能充分了解系統整體構成，從而為整個系統的設計和管理打下基礎，這更有利于培養無線通信領域的復合型人才和領導人才。