微波器件與電路實驗課程設計

洪韜　趙京城　刁為民

摘要：隨著近年來4G、5G等通信系統的興起，精通微波電路、系統設計以及微波儀器的熟練使用已經成為對所有電子和通信專業人才的基本要求。微波專業課程內容理論性強、新概念多且抽象，學生不易理解，而實驗課就是學生將理論和實際直接聯系起來的重要手段，但是以往實驗課程受限于儀器設備往往流于形式，本文結合教學實踐和工程經驗，從實驗內容設置、實驗手段等方面提出建議，力爭設計出符合社會需求的實驗課程體系。

關鍵詞：微波器件；實驗教學；課程設計

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）14-0242-02

前言：

現代社會，微波技術已經蔓延到我們生活的各個方面。一大批商業應用，包括蜂窩電話、無線局域數據網、車載毫米波防撞雷達、通信衛星、全球定位系統（GPS）、射頻識別技術、超寬頻帶無線通信和雷達系統等均與微波技術的發展和研究密不可分。隨著微波器件的飛速發展，無線通信頻段逐漸提高，技術快速更新，可以預見，將來具有豐富實踐經驗的微波技術人才將越來越搶手。

國內外理工院校一般都開設有電磁場、微波技術、微波電路等專業課程，但是學生在學完課程后，往往學到和記憶的只是一堆公式，理解專業知識仍舊停留于抽象層面，不能較快將理論知識應用于實踐，體現在具體工作中表現為專業思維不夠、實踐創新能力不足。比如在2011年全國大學生電子設計競賽中，北京航空航天大學共31支隊伍參賽有21隊獲獎，其中選擇高頻類題目共有6支參賽隊，僅有1組獲得北京市三等獎，在未獲獎的10支隊伍中占據高頻類題目占據50%。另外根據微波專業的特點，從業者需要具備較強的數學和電磁基礎，而且很多能力必須要在實踐中體會、鍛煉和提高。就業市場的要求反過來對教學中的實驗實踐環節提出了更高要求。

一、國內外現狀

國內外諸多大學針對微波專業教學實驗環節展開了研究。比如美國馬薩諸塞大學、佐治亞理工學院等學校上世紀80年代末期就開展了教學改革，研究主要集中在：電磁和微波類課程設置、實驗改革等方面[1-2]。國內北京航空航天大學、清華大學、浙江大學、北京理工大學、哈工大等知名高校近年也開展了一系列電磁場與微波教學及實驗實踐方面的改革，涉及到課程體系設計、實驗手段改進、采用網絡虛擬教學等[3-8]。北京航空航天大學的全紹輝副教授在微波專業核心課程“微波技術”教學中設計并構建了“微波學堂”網，將課程教學、實驗實踐環節通過網上交流互動的形式體現出來，大大提高了學生的學習興趣和課程教學效果[3]。但是由于微波儀器價格昂貴，組建大規模多臺套的微波實驗裝置，對于高校來說是不現實的，所以高校實驗課程往往一般是采用軟件仿真，或者是頻段集中在低頻，而且大多是針對無源電路，缺少微波有源電路的實驗課程。本文作者長期擔任微波電路、電子實驗任課教師，承擔多項微波測量系統研制任務，結合作者多年工程經驗和教學經歷，力爭設計符合當今社會研究熱點的微波電路實驗課程。

二、設計原則

1.設置合理的實驗內容，提高學生的學習興趣和思維能力。微波器件課程涉及的經典器件理論知識都是上個世紀誕生的，幾十年來基本沒有大的改變，而且涉及到物理、材料、數學等領域，學習起來比較枯燥，容易喪失興趣。在課程設計中應該有意識地引入一些背景知識的介紹，通過介紹社會熱點問題可以提高學生的直觀理解能力和學習興趣，同時使教學內容與時俱進，有效地將微波技術的最新發展和成果介紹給學生，比如超材料、量子力學在微波器件制造領域的應用。進一步引導、激發學生對當前熱門技術領域的相關系統組成的探究興趣，比如無線傳感網絡、智能家居、室內定位、NFC等熱門技術，引導學生自發地去探究各種專業技術的理論原理，配以綜合性、系統化的多種類的實驗、實訓模塊。使學生帶著問題，更高效、主動地進行學習與實踐。

2.采用靈活實驗模式，培養學生創新能力。現在很多高校設置了開放實驗室，目的就是充分利用實驗資源，發揮實驗室的潛力與效益。其開放包括時間開放和內容開放，實驗課程內容包括必修內容和選修內容，學生可以根據實際情況自由選擇時間和內容來完成實驗課程。并且結合各級別的電子競賽，實驗室教師和學生都可以擬定題目，由實驗室提供實驗條件，由學生選擇時間完成。這樣做有利于分層次教學，培養出具有較強實驗能力的尖子學生。總之，多模式、多內容和多目標的開放實驗室，會徹底改變教學實驗模式，使單一的“填鴨式”教學向分層次、多元化教學發展，達到素質教育培養目的。

3.更新完善實驗手段，加強互動。微波實驗不同于低頻、高頻實驗，它使用的儀器造價是一般儀器的幾十倍甚至上百倍，而且對實驗環境要求也高于普通實驗。因此，搭建大規模、多臺套的微波實驗環境，對于大多數高校來說難度較大，為了開展好微波實驗的教學，必須走物理實驗與虛擬實驗相結合的新路子。傳統的物理實驗就是利用有限的實驗經費購置一些必要的實驗儀器和器件，學生在授課老師的帶領下搭設實驗裝置并操作儀器來完成實驗。基本上通過物理實驗，學生可以直觀了解微波測量的特點，從而掌握微波測量的原理和常用微波儀器的使用方法。圖1就是我們設計的混頻器實驗示意圖，通過實驗學生可以掌握微波信號源和頻譜儀的使用，了解混頻器的工作原理和關鍵參數。

虛擬實驗就是利用計算機多媒體技術和EDA技術模擬真實的實驗環境，學生可以通過軟件，在計算機上的虛擬實驗裝置中，選擇不同的參數，來完成整個實驗過程。虛擬實驗優點在于形象生動地增強學生感性認識，而且可以多人同時進行，時間更加靈活，并且可以實現網絡實驗教學。但現有的實驗軟件成本也不便宜，而且功能過于復雜，不太適合教學。還需要專業人士投入更多精力開發研制出更加專業規范的實驗教學多媒體軟件。我校全紹輝老師組織學生開發了一套Smith圓圖模擬軟件[9]，通過這一軟件能夠幫助學生迅速地掌握圓圖基本規律。學生開發此類軟件的過程，也是對長線理論復習、整理、歸納的過程。endprint

三、教學實踐

在2014年秋季學期作者承擔的本科課程《微波器件與電路》授課過程中，采用開放式實驗教學，第一批實驗題目提前給學生公布，涉及到常用的微波無源器件和有源器件：功分器、耦合器、混頻器、VCO、放大器等等，由學生自由選擇時間，提前和作者所在的微波實驗室助教約定實驗時間，由助教協助學生獨立完成實驗任務，并撰寫實驗報告。選取成績良好的學生進行第二批實驗，第二批實驗涉及常用的微波電路，如圖2，學生利用實驗室提供的微波器件就搭建了一套簡單的線性掃頻測量雷達，可以實現測量運動速度、測量雷達目標隱身特性等功能。

一學期的教學實踐表明這種實驗教學模式效果良好，大大提高了學生的學習興趣，鍛煉了學生的動手能力，培養了學生的獨立科研能力。

四、結論

本文在以往國內外微波專業實驗課程教學改革的基礎上，結合工程經驗需求，設計了適合專業需求的微波器件與電路實驗課程，可以滿足培養微波電路和系統設計專業人才的需求，在以后的教學過程中，會進一步完善課程設置。

參考文獻：

[1]Pozar D M，A modern course in microwave engineering，Education[J].IEEE Transactions on Education，1990，33（1）：129-134.

[2]Hertling DR，Feeney RK，RF and micriwave design courses at Georgia Tech[J].IEEE Transactions on Education，1989，32（4）：430-435.

[3]全紹輝.構建“微波技術”課網上教學和實驗實踐學堂[J].實驗技術與管理，2012，29（12）：159-164.

[4]徐興，俞龍，王衛星.微波技術課程實驗建設探索[J].中國科教創新導刊，2010，（07）：167.

[5]凌丹，王薔.電磁場與微波技術實驗教學的改革[J].實驗技術與管理，2010，27（9）：115-126.

[6]孔德昭，卞長弘.微波專業實驗教學的新舉措[J].實驗技術與管理，2007，24（10）：131-133.

[7]謝澤明.網絡教學在“微波技術與天線”課程的應用[J].電氣電子教學學報，2008，30（3）：113-115.

[8]趙春暉，張朝柱，趙旦峰.微波工程系列課程的體系改革與教學內容優化[J].電氣電子教學學報，2008，30（2）：15-18.

[9]全紹輝.微波虛擬實驗在教學中的應用[J].電氣電子教學學報，2005，27（3）：96-98.endprint