《射頻電路基礎》課程的實驗教學設計

舒若　蔡麗萍

摘要：針對《射頻電路基礎》課程的課堂教學內容，設計了16個學時的基于ADS軟件的實驗教學內容。相關實驗與課堂教學結合緊密、實踐性強，實施后提高了教學效果。

關鍵詞：射頻電路設計；實驗教學；先進設計系統

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）52-0273-02

一、引言

近年來，隨著通信技術和計算機技術的迅猛發展，電子系統的工作頻率越來越高，射頻電路應用廣泛，國內外都嚴重缺乏從事射頻電路設計的專業人才，目前相關課程已經廣泛在國內外高校開設[1]。

《射頻電路基礎》是我校在2014年通信工程專業本科培養方案中新開設的針對大三學生的限選課程，開設目的是希望通過傳授射頻電路基礎知識，為學生就業和升學提供一個“新”的方向，同時將本專業的與電路設計相關的教學內容，從《電路分析》關注的低頻領域和《高頻電子線路》關注的高頻領域，擴展到射頻領域的電路設計。本門課程的學時情況是：課堂教學32個學時，實驗教學16個學時。

二、《射頻電路基礎》的課堂教學內容

課堂教學內容分為6章：第1章講主要講述射頻電路設計的背景、射頻頻譜范圍、基本量綱和單位、無源元件的射頻特性。第2章主要講述傳輸線理論，包括等效電路模型、傳輸線方程、特性阻抗和反射系數、典型終端條件等。第3章講述史密斯圓圖，包括阻抗圓圖和導納圓圖、圓圖上的串并聯頻率響應等。第4章講授匹配網絡設計，包括各種匹配方案和匹配網絡中的帶寬問題。第5章講授多端口網絡和散射參量。第6章講授射頻放大器設計，包括射頻放大器的分類、特性指標、直流偏置電路設計、功率關系、匹配電路設計、穩定性判別等內容。

可以看出，本門課程涵蓋了射頻電路設計領域的基礎概念和理論、基本設計原則和方法，課堂教學之外必須設計對應的實驗教學內容以加深學生對課程知識點的掌握，同時實驗教學中需要傳授射頻電路設計工具的使用。

三、《射頻電路基礎》的實驗教學設計

ADS（Advanced Design System）是美國安捷倫公司所生產的電子設計自動化軟件，也是當今國內各大學和研究所使用最多的射頻電路和通信系統仿真軟件[2]。我們設計的實驗內容基于ADS軟件進行電路設計和仿真，共8個實驗，每個實驗2個學時，共16個學時。實驗教學根據課堂教學進度進行同步安排，單次實驗的人數為1個班級30人，3個班級輪流進行實驗教學。我們設計的具體每個實驗的名稱見圖1。

實驗一主要學習ADS軟件的使用，包括ADS軟件基礎操作講解、電路原理圖建立、仿真，以及Murata公司的元件庫安裝。實驗二依據傳輸線理論和射頻工程師法則進行電路分析和典型終端條件的設計。實驗三要求學生依據給出的負載阻抗和波源阻抗，使用史密斯圓圖應用工具，分別采用分立元件和微帶線進行匹配網絡設計。實驗四采用具體電路板進行微帶線電路設計，包括微帶線的基片參數設置和ADS微帶線計算器的使用。實驗五進行晶體管偏置電路設計，包括晶體管直流特性分析、直流偏置電路設計、晶體管散射參數掃描、穩定性因子和最大增益測量。實驗六基于負反饋電路進行射頻放大器的穩定性設計。實驗七主要根據相關設計指標和噪聲系數圓與等功率增益圓設計輸入端匹配電路和輸出匹配電路，測量噪聲系數和功率增益。實驗八根據實驗七的電路原理圖進行版圖設計。

四、《射頻電路基礎》實驗教學的特點

通過上述實驗內容的安排和組織，本課程實驗教學具有了以下特點：

1.與課堂教學知識點結合緊密。實驗完全覆蓋了課程的課堂教學內容，針對教學重點和難點進行了實驗內容設計，既注重射頻電路基礎知識的理解又注重ADS軟件設計技能的訓練。比如實驗二的內容完全依據傳輸線理論進行設計，要求學生自行設計電路驗證射頻工程師法則，驗證終端短路和開路的阻抗公式。課程所有實驗實施后，學生使用到了ADS軟件的多個元件庫和智能控件，掌握了基礎的基于射頻無源元件、微帶線和射頻放大器的電路設計技巧。

2.工程實踐性強，大幅度使用半導體公司的射頻元件。多個實驗中用到了Murata公司的元件庫，實驗四以FR4為電路板材料進行微帶線參數計算和設計，實驗五、六、七對安捷倫公司的ATF54143射頻放大器進行低噪聲功率放大器設計。上述一些元件的使用需要下載和安裝相應公司的元件模型，需要閱讀產品說明和分析典型電路，在此基礎上再進行電路設計。

3.組織方式合理，設計型實驗和綜合型實驗比例高。我們將每次實驗課堂內容分為教師講解部分和學生操作部分，教師先講解本次實驗中ADS相關控件的使用方法，并且演示如何進行電路設計和仿真。學生在后續操作中，針對具體任務進行電路設計。實驗內容有一定難度，多數是設計型實驗或綜合型實驗。

4.實驗前后關聯性強，設置合理。8個實驗前后聯系緊密，比如實驗二的傳輸線電路設計是實驗六中射頻放大器負反饋電路設計的基礎，實驗三的匹配網絡設計是實驗七中射頻放大器前后端匹配網絡設計的應用基礎。課堂教學的第6章射頻放大器設計是課程的難點，學生較難掌握，我們將其主要知識點進行分解，在實驗五、六、七中分別設計實驗內容，讓學生在同一個ADS工程中進行電路的逐次設計，最后完成了射頻放大器電路的全部設計工作。

5.使用了小班授課和云課堂教學。我校通信工程專業每屆學生為3個班90人，本門課程連續3年選課人數在80人左右。每次實驗人數約為1個班30人的規模，實驗指導教師有2人，可以充分保證在現場及時地對學生進行答疑和輔導，并且我們在本校云課堂上進行了該課程的建設，上傳了實驗教學的教師講解部分的視頻，學生可以控制視頻的觀看速度和復習回顧。

五、結論

《射頻電路基礎》是我校通信工程專業的一門新開課，課程內容定位為傳授射頻電路設計領域的基礎理論和基本電路設計方法。相對于32個學時的課堂教學，16個學時的實驗教學學時量比較大，這樣設置的根本原因是為了充分保障學生學習更多的具有實際應用價值的設計實例，培養學生電路設計軟件的操作能力。本門課程內容較多而且很抽象，理論知識和工程應用結合緊密，學生學習起來比較困難，因此實驗教學內容的設計非常關鍵。

我們的實驗教學設計充分考慮了相關理論知識在電路設計中的體現和ADS設計軟件的訓練，并且采用實際半導體公司產品進行電路設計，實驗內容安排合理，組織得當，工程實踐性較好。實驗實施后，學生評價較高，取得了極好的教學效果。

參考文獻：

[1]Reinhold Ludwig，Gene Bogdanov.射頻電路設計——理論與應用[M].第2版.北京：電子工業出版社，2013.

[2]徐興福.ADS2011射頻電路設計與仿真實例[M].北京：電子工業出版社，2014.