射頻電路理論與實驗課程建設(shè)

基金項目：重慶郵電大學(xué)校級教改項目（XJG20220）。

張波（1982-），男，漢族，四川成都，教授，研究方向：太赫茲技術(shù)；

聶偉（1987-），男，漢族，重慶，講師，研究方向：射頻電路、天線技術(shù)。

摘要：射頻電路理論與實驗課程是通信與信息領(lǐng)域中一門重要的學(xué)科基礎(chǔ)課程，也是一門工程實踐性較強的課程。通過本門課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握射頻電路、天線的分析設(shè)計方法。在實驗室仿真設(shè)計分析平臺與測試平臺環(huán)境下，學(xué)生將獨立完成射頻電路和天線實驗項目的設(shè)計與制作，深入了解射頻電路和天線的原理、參數(shù)、設(shè)計和測試，并運用這些知識解決實際問題，提高學(xué)生分析、解決通信與電子信息實際領(lǐng)域中開發(fā)設(shè)計的能力，培養(yǎng)學(xué)生思考問題的邏輯性、靈活性與廣闊性。

關(guān)鍵詞：射頻電路與天線；理論課程；實驗課程

一、射頻電路理論與實驗課程建設(shè)背景

“射頻電路設(shè)計”和“射頻通信電路與天線實訓(xùn)”是電子科學(xué)與技術(shù)大類專業(yè)的必修課程，涵蓋了射頻前端涉及的大部分電路和器件的基礎(chǔ)理論知識與實踐訓(xùn)練。在“射頻電路設(shè)計”課程中，相關(guān)理論往往晦澀難懂，且數(shù)學(xué)公式繁雜，導(dǎo)致學(xué)生常常覺得枯燥無味，難以理解和掌握。為了解決這個問題，在教學(xué)中，不僅要注重從基本概念出發(fā)，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)問和質(zhì)疑，還需要通過嚴謹?shù)臄?shù)學(xué)推導(dǎo)和物理原理性分析，讓學(xué)生能夠理解和牢固掌握射頻電路的基礎(chǔ)知識。此外，還需要增加更多的實驗課時，以加強學(xué)生對理論課程的理解。實驗內(nèi)容應(yīng)當(dāng)將抽象的理論與直觀的感觀認識相結(jié)合，以幫助學(xué)生更快、更深入地理解和掌握所學(xué)知識。這種實踐性的學(xué)習(xí)方法不僅能夠使學(xué)生更好地理解理論知識，還能夠培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和設(shè)計創(chuàng)新能力。因此，加強實踐環(huán)節(jié)是這門課程下一階段需要重點建設(shè)的部分。

二、課程要求及內(nèi)容

（一）射頻理論及實驗課程要求及目標

通過本系列課程的教學(xué)，學(xué)生能夠了解射頻通信電路的基本概念，掌握電路分析和系統(tǒng)分析的基本理論與方法，并且能夠運用這些理論和方法來分析實驗系統(tǒng)中出現(xiàn)的各種實際問題，設(shè)計一些符合要求的射頻電路及射頻通信系統(tǒng)，從而提高學(xué)生在通信與電子信息實際領(lǐng)域中開發(fā)設(shè)計的能力，培養(yǎng)學(xué)生思考問題的邏輯性、靈活性和廣闊性。在學(xué)習(xí)“射頻電路設(shè)計”后，學(xué)生需要完成的課程目標包括以下幾點。

1.深刻理解集總參數(shù)電路和分布參數(shù)電路的區(qū)別、傳輸線理論，并掌握各類傳輸線分析方法；

2.深刻理解并掌握各類網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、Smith圓圖理論及應(yīng)用，并掌握利用Smith圓圖及相關(guān)知識設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)；

3.掌握射頻濾波器的基本原理及設(shè)計過程，能夠根據(jù)各類指標設(shè)計滿足需求的濾波器；

4.了解功率放大器的基本分析方法及原理，掌握混頻器、振蕩器的基本工作原理和設(shè)計方法；

5.掌握各類微波射頻類儀器以及高頻仿真軟件的使用方法，了解濾波器的工作機理和射頻濾波器的常見類型，并能夠根據(jù)工程指標，利用HFSS、ADS等仿真軟件設(shè)計相應(yīng)的濾波器；

6.掌握常見的分支線耦合器、環(huán)形耦合器的工作原理，初步認識及了解功率分配網(wǎng)絡(luò)等基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；

7.掌握低噪聲放大器的工作機理，深入了解低噪聲放大器在系統(tǒng)中的作用；

8.掌握射頻功率放大器的工作原理，深入了解射頻功率放大器對系統(tǒng)的影響及作用。

9.掌握全向天線的輻射機理，對全向輻射電磁場基本結(jié)構(gòu)有更深刻地理解；

10.掌握八木天線的輻射機理，對端射輻射電磁場基本結(jié)構(gòu)有更深刻地理解；

11.掌握天線極化的概念和圓極化天線輻射機理，對軸比參數(shù)的定義和測量有更深刻地理解；

12.掌握拋物面天線的輻射機理，對增益參數(shù)的定義和測量有更深刻地理解；

13.掌握喇叭天線、對數(shù)周期天線的輻射機理，對帶寬參數(shù)的定義和測量有更深刻地理解。

14.了解天線的測量方法，掌握微波信號源、方向圖自動測量系統(tǒng)、微波暗箱及天線的饋線和轉(zhuǎn)接頭的使用方法，使學(xué)生在已有的理論基礎(chǔ)之上，獲得分析和解決實驗系統(tǒng)中的各種實際問題的能力。

（二）課程內(nèi)容、教學(xué)方法及考核方式

理論課程內(nèi)容首先從電路及器件基礎(chǔ)理論知識、工作原理、設(shè)計出發(fā)，重點講授射頻無源電路、射頻有源電路、天線等器件的理論以及如何運用這些知識設(shè)計射頻器件及系統(tǒng)。其中，射頻無源電路主要包括濾波器、耦合器、功分器等；射頻有源電路包含功率放大器、混頻器、振蕩器等；實際的教學(xué)內(nèi)容可分為傳輸線分析、Smith圓圖、單端口網(wǎng)絡(luò)和多端口網(wǎng)絡(luò)、射頻濾波器設(shè)計、有源射頻元件、匹配網(wǎng)絡(luò)和偏置網(wǎng)絡(luò)、射頻晶體管放大器設(shè)計、振蕩器和混頻器。

結(jié)合理論課程教學(xué)內(nèi)容，實驗課程從基本的仿真軟件（如HFSS、ADS）使用出發(fā)，使學(xué)生掌握利用仿真軟件設(shè)計微帶帶通濾波器、發(fā)夾型帶通濾波器、環(huán)形耦合器、威爾金森功分器、微帶貼片天線、微帶八木天線、匹配電路等常見射頻電路及天線。然后，教授學(xué)生利用微波測量儀器如頻譜儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、暗室等完成對數(shù)周期天線、拋物面天線、濾波器、功率放大器等器件進行測試，讓學(xué)生掌握常見實驗電路及儀器的使用和測試方法。

除了課堂教學(xué)之外，學(xué)校還可以通過建設(shè)課程中心教學(xué)資源，豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)途徑及資源。課程中心包括本課程的教學(xué)大綱、知識思維導(dǎo)圖、授課用的電子講義、關(guān)于射頻電路的國內(nèi)外經(jīng)典易讀教材、國外知名院校相關(guān)專業(yè)公開課課程視頻等。學(xué)生可以從課程中心下載教學(xué)文檔并觀看教學(xué)視頻，以加強學(xué)習(xí)效果。同時，教師還可以組織每周定期答疑，解答學(xué)生學(xué)習(xí)中碰到的各類問題。

“射頻電路設(shè)計”課程的成績評定方式分為平時成績及期末成績。平時成績和期末成績在總成績比例中各占50%，其中，平時成績包括課堂測試、課后作業(yè)和一個電路仿真，期末考試形式為閉卷。

“射頻通信電路與天線實訓(xùn)”課程的成績評定方式分為平時成績與期末成績。平時成績所占比例為80%，根據(jù)課堂表現(xiàn)、實驗報告評分。期末成績占比20%，以綜合性大作業(yè)的形式考核學(xué)生對實驗課所講授的仿真軟件操作，并以完成度作為評價標準給定期末評分。

自課程開設(shè)以來，連續(xù)三年學(xué)評教為優(yōu)，學(xué)評教得分98.3，課程滿意度87.5%，學(xué)生成績總體良好，分析原因有以下三點。1.整個教學(xué)過程規(guī)范，在日常教學(xué)管理中，課程組一直秉承抓教學(xué)質(zhì)量的傳統(tǒng)，通過制定教學(xué)大綱、授課計劃、考試大綱等，規(guī)范教學(xué)要求。在日常教學(xué)活動，教師遵循統(tǒng)一的教學(xué)規(guī)范，從而取得良好的教學(xué)效果。2.學(xué)生復(fù)習(xí)時嚴格按照教學(xué)大綱進行，考前準備充分。3.試題難度系數(shù)適中。

在課程建設(shè)過程中，已建設(shè)完成無線射頻/毫米波通信硬件實驗室，建成的內(nèi)容包括微波暗室、微波/毫米波/射頻天線測量系統(tǒng)、射頻天線資源測試系統(tǒng)、無線通信射頻電路實驗教學(xué)系統(tǒng)等。其中，購買了6套射頻收/發(fā)信機、一些各種特性的天線、6套射頻信號分析儀和相關(guān)配件，可以支持無線通信射頻電路實驗教學(xué)系統(tǒng)，并開設(shè)出12個實驗項目。這些實驗系統(tǒng)能夠為本科學(xué)生提供通信射頻原理、硬件實驗與測試平臺。學(xué)生可以結(jié)合相關(guān)課程內(nèi)容進行實驗，從而進一步掌握所學(xué)知識，提高學(xué)生的實際設(shè)計和動手能力。實驗項目涵蓋無線通信的主要硬件單元電路以及集成系統(tǒng)實現(xiàn)等內(nèi)容。本課程采用了理論課程教學(xué)與實際工程設(shè)計相結(jié)合的方法，從理論分析到工程實際設(shè)計，再到硬件裝調(diào)和測試驗證，通過單元實驗逐步深入到系統(tǒng)級實驗，使學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)的理論知識通過硬件電路（系統(tǒng)）完整地再現(xiàn)出來。與傳統(tǒng)的仿真實驗相比，這種學(xué)以致用的教學(xué)方法更加直觀且更具有說服力，能夠有效鍛煉學(xué)生的實際設(shè)計和動手能力

然而，課程的教學(xué)過程仍然存在一些問題，其中最大的問題就是學(xué)生普遍反映相關(guān)概念難理解、不易掌握以及理論知識枯燥乏味。盡管授課教師在實際教學(xué)過程中不斷改進教學(xué)方法，如穿插講解工程應(yīng)用實例，讓學(xué)生多練習(xí)多動手，并取得了一定效果，但距離學(xué)生獨立完成簡單電路的設(shè)計調(diào)試還有一定差距，這也是本課程在后續(xù)建設(shè)中將著力解決的問題。

三、課程建設(shè)規(guī)劃

（一）建設(shè)目標

本校是一所多科性研究型大學(xué)，以電子信息科學(xué)技術(shù)為核心，工科為主，同時融合了理、工、管、文、醫(yī)等多個領(lǐng)域。學(xué)校秉持以學(xué)生為中心的理念，強調(diào)通識教育與專業(yè)知識相結(jié)合。在培養(yǎng)方面，學(xué)校以“價值塑造、啟迪思想、喚起好奇、激發(fā)潛能、探究知識、個性發(fā)展”為核心理念，致力于培養(yǎng)具有家國情懷、全球素養(yǎng)、扎實基礎(chǔ)、知識綜合與集成創(chuàng)新能力的學(xué)生，使其成為引領(lǐng)學(xué)術(shù)前沿、科技與社會經(jīng)濟發(fā)展，堪當(dāng)民族復(fù)興大任的創(chuàng)新引領(lǐng)型人才。

“射頻電路設(shè)計”和“射頻通信電路與天線實訓(xùn)”對基礎(chǔ)理論及動手能力要求都非常高。在夯實學(xué)生理論基礎(chǔ)的同時，教師更應(yīng)該注意培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力。在未來的教學(xué)計劃中，本課程將繼續(xù)鞏固學(xué)生的理論基礎(chǔ)，注重實踐性教學(xué)，引入大量動手實踐項目，包括電路仿真設(shè)計、加工和測試等環(huán)節(jié)，以加深學(xué)生對基礎(chǔ)理論知識的理解與掌握。通過這些實際操作，學(xué)生可以有機會將課堂上所學(xué)的理論知識應(yīng)用到實際項目中，從而培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和解決實際問題的能力，全面提高學(xué)生的學(xué)術(shù)理論和實踐技能，為未來的職業(yè)發(fā)展打下堅實的基礎(chǔ)。

在完成“射頻電路設(shè)計”和“射頻通信電路與天線實訓(xùn)”課程的理論學(xué)習(xí)和實驗教學(xué)之后，學(xué)生能夠基本了解和掌握無線通信系統(tǒng)射頻前端收發(fā)信機的基本架構(gòu)，并初步具備根據(jù)所學(xué)知識點和技術(shù)指標設(shè)計各種無線通信前端系統(tǒng)所需的收發(fā)信機。更具體地說，學(xué)生可以獨立分析電子信息領(lǐng)域中復(fù)雜的工程問題，并根據(jù)課堂所學(xué)選擇適當(dāng)?shù)哪Ｐ瓦M行描述、推理和求解；能夠運用工程科學(xué)的基本原理對電子信息領(lǐng)域的工程問題進行表達、建模和分析；掌握通信領(lǐng)域所需電子電路、信號與系統(tǒng)、電磁場、計算機、工程圖學(xué)等工程基礎(chǔ)知識，并使用所學(xué)知識分析工程的問題；能夠采用正確的實驗方法測試和分析電子信息領(lǐng)域復(fù)雜工程問題相關(guān)的結(jié)構(gòu)、性能、功能等；能夠基于科學(xué)原理和方法，根據(jù)電子信息領(lǐng)域復(fù)雜工程問題研究對象的特征，并設(shè)計正確、合理的實驗方案。

通過以上措施，可以堅實地支撐課程要求，完善學(xué)生的理論知識，培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力。根據(jù)畢業(yè)要求，學(xué)生需要掌握數(shù)學(xué)、自然科學(xué)、工程基礎(chǔ)和專業(yè)知識，并能夠?qū)⑦@些知識用于解決通信領(lǐng)域的復(fù)雜工程問題。在本課程中，學(xué)生將學(xué)習(xí)傳輸線理論、微波網(wǎng)絡(luò)理論、射頻濾波器、功率放大器、振蕩器和混頻器等相關(guān)知識，從而掌握射頻電路的理論知識和設(shè)計相應(yīng)射頻電路的技術(shù)手段。此外，學(xué)生還能夠設(shè)計滿足特定需求的系統(tǒng)、單元（部件）或工藝流程，并在設(shè)計環(huán)節(jié)中注重創(chuàng)新，考慮社會、健康、安全、法律、文化和環(huán)境等因素。通過本課程的學(xué)習(xí)，學(xué)生可以掌握射頻系統(tǒng)中各個子系統(tǒng)的架構(gòu)、設(shè)計方法和加工測試環(huán)境的搭建，并學(xué)習(xí)整個射頻系統(tǒng)研發(fā)及制備所需的知識。

（二）建設(shè)內(nèi)容

如何在課堂教學(xué)的知識傳授和能力培養(yǎng)中，將思政元素融入課程，弘揚社會主義核心價值觀，傳播愛黨、愛國、積極向上的正能量，也成為課程建設(shè)中一項重要內(nèi)容。教育學(xué)生除了需要有扎實理論功底，也需要有動手能力以及將科學(xué)知識轉(zhuǎn)換為社會經(jīng)濟效益的能力。

作為一門實踐性極強的學(xué)科，本課程計劃在繼續(xù)加強理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，強化實驗手段，有效地激發(fā)學(xué)生的實驗興趣，全面提高實踐教學(xué)質(zhì)量。傳統(tǒng)的實驗教學(xué)模式大多以驗證型和演示型實驗為主，學(xué)生不需要進行過多的思考，只需要按照教材提供的詳細實驗方法和步驟進行實驗。然而，在這種模式下，學(xué)生往往缺乏獨立思考，只是被動地按照要求進行實驗，導(dǎo)致培養(yǎng)出來的學(xué)生思維狹隘，辦事循規(guī)蹈矩，缺乏創(chuàng)新精神和創(chuàng)造能力，難以適應(yīng)現(xiàn)代社會對人才的需求。因此，為了培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力和科學(xué)思維，實驗課應(yīng)該采取開放性的模式。教師不應(yīng)該強制規(guī)定實驗的做法、步驟和器材，而要設(shè)立開放性的“課題研究”題目，為同一實驗推薦多種不同的實驗方案供學(xué)生選擇。這樣一來，學(xué)生可以提出不同的實驗方法，有利于實驗設(shè)計的教學(xué)。例如，新增“阻抗匹配測量”實驗，選用MIMO天線陣作為研究對象，可以直接應(yīng)用實驗教學(xué)系統(tǒng)中的阻抗測量模塊測量其端口S參數(shù)；也可以運用信號源和頻譜儀或示波器，固定收發(fā)兩端距離且考慮自由空間衰減，計算發(fā)射端反射的功率，進而得出端口的反射系數(shù)曲線，同理，也可以計算兩單元間的耦合系數(shù)。此外，教師需要給予學(xué)生實踐動手的條件，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，選購一批PCB板材、晶體管等，讓學(xué)生可以利用這些材料研究開發(fā)一系列高性能的射頻電路，自行設(shè)計、加工、測試，鞏固課堂所學(xué)，從而加深課程理解。

（三）特色

在教學(xué)方式上，首先，教師需要將理論教學(xué)與實驗教學(xué)相結(jié)合，開發(fā)出更多的實驗項目，設(shè)計滿足同一實驗的不同實現(xiàn)方案，分層次靈活設(shè)置，促進兩者的有機融合，不斷完善課程體系，從而進一步加強理論教學(xué)和實踐性教學(xué)效果。其次，教師可以制作形象生動的課件，在已有實驗教學(xué)器材基礎(chǔ)上，開發(fā)一些能夠讓學(xué)生產(chǎn)生興趣的實驗項目，并設(shè)定實驗內(nèi)容的難點，讓學(xué)生能夠探索實驗過程。同時，通過課堂演示、基于HFSS或ADS電磁仿真設(shè)計及分析、實驗教學(xué)系統(tǒng)綜合，幫助學(xué)生對相關(guān)元件及其系統(tǒng)的基本概念、基本原理和實現(xiàn)方法的理解。此外，教師可以綜合運用研討式教學(xué)和案例式教學(xué)方法，通過演示、仿真設(shè)計及分析和實驗教學(xué)系統(tǒng)，幫助學(xué)生加深理解相關(guān)知識。例如，在射頻濾波器的學(xué)習(xí)中，先進行基本設(shè)計理論的學(xué)習(xí)，然后進行實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，在整個過程中，教師可以通過演示、仿真設(shè)計和指導(dǎo)來加強學(xué)生的理解和應(yīng)用能力。這種綜合學(xué)習(xí)方法能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并加強學(xué)習(xí)效果。

（四）要解決的關(guān)鍵問題

1.強化實驗手段

本課程計劃在繼續(xù)加強理論教學(xué)的基礎(chǔ)上，強化實驗手段，從而有效地激發(fā)學(xué)生的實驗興趣，全面提高實踐教學(xué)質(zhì)量，計劃包括增加Ku波段發(fā)夾型帶通濾波器設(shè)計、微帶一分四功分器設(shè)計、射頻晶體管放大器設(shè)計、鏡像頻率調(diào)制混頻器四個實踐環(huán)節(jié)，采用學(xué)生主導(dǎo)、教師從旁輔助參與的方式，讓學(xué)生從實踐環(huán)節(jié)中充分加強對所學(xué)理論知識的理解與掌握。

2.豐富教學(xué)效果檢測手段

在每一章節(jié)教學(xué)完成后，除了原有的課堂測試、課后作業(yè)，教師還需要加入實驗實踐環(huán)節(jié)，以加深學(xué)生對知識的掌握與理解。

除了授課所用教材，計劃引入其他國內(nèi)外經(jīng)典射頻參考書，如梁昌洪的《簡明微波》、Pozar的《微波工程》等，作為學(xué)生的參考書目，以拓寬學(xué)生知識面。

3.豐富教學(xué)資源

教師需要繼續(xù)加強課程中心建設(shè)，制作生動的多媒體課件，讓學(xué)生可隨時隨地結(jié)合理論課程登陸課程中心觀看課件內(nèi)容，從而提高學(xué)習(xí)質(zhì)量。

四、結(jié)束語

總而言之，“射頻電路設(shè)計”和“射頻通信電路與天線實訓(xùn)”將理論與實踐相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)的理論知識運用到實踐中，提高學(xué)生分析和設(shè)計的能力，培養(yǎng)學(xué)生思考問題的邏輯性、靈活性與廣闊性。教師也應(yīng)注重將思政元素穿插在教學(xué)過程中，讓學(xué)生了解自己身處的時代背景與肩上的責(zé)任，激發(fā)學(xué)生的勤學(xué)奮斗精神。

作者單位：張波 電子科技大學(xué)

聶偉 重慶郵電大學(xué)

參" 考" 文" 獻

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