“射頻測量技術”實訓課程的探索與實踐

魏 兵，皇甫江濤，金曉峰

（1.浙江大學工程師學院 工程創新與訓練中心，浙江 杭州 310015；2.浙江大學 信息與電子工程學院，浙江 杭州 310058）

隨著我國經濟轉型升級，各領域對應用型、復合型、創新型的工程科技人才需求不斷增大。尤其是隨著我國“中國制造2025”戰略的提出與推進，新技術、新業態、新模式、新產業驅動的新經濟發展對復合型工程科技人才培養提出了新要求，現有的專業學位研究生培養模式面臨諸多挑戰［1］，表現為專業學位研究生培養計劃缺乏創新、實踐教學環節少等。專業學位研究生培養方案往往沿用傳統學術型研究生的培養模式，對培養學生實踐能力、創新能力及職業技能的認識和重視程度明顯不足［2］。在教學環節上，表現為教學理念陳舊、工程訓練與產業脫節、工程教學邊緣化等，缺少對學生獨立思考能力和工程應用能力的培養。

射頻測量技術是現代通信、雷達、電子對抗等系統設計與驗證的重要手段，也是電子與通信專業學生必須掌握的核心工程技術［3］。為提高專業學位研究生的工程實踐能力，培養造就大批電子通信與工程專業高端工程創新人才，浙江大學工程師學院聯合是德科技、羅德與施瓦茨等公司開設了“射頻測量技術”課程。課程以實踐訓練為主、課堂教學為輔，并引入行業內頂級專家講授射頻測量前沿技術及實際工程案例，注重加強研究生技術應用創新和工程專業實踐訓練。本文總結了“射頻測量技術”課程教學的經驗和方法，可為電子通信工程專業相關實訓教學改革提供一定的參考。

一、教學目標

“射頻測量技術”課程主要面向國家對信息技術領域工程技術創新人才的強大需求，開展射頻測量技術的工程實訓與創新實踐能力的培養。課程內容圍繞射頻測試原理技術、系統測量誤差與數據處理、射頻元器件性能測量、射頻T/R組件測量、射頻模擬/數字高頻高速傳輸系統測量等方面，主要培養學生以下四方面的工程實踐能力。

1.射頻測量通用儀器實驗操作能力。包括頻譜分析儀、信號源、示波器、矢量網絡分析儀的規范使用與熟練操作等相關的實驗操作能力，以及對射頻測量仿真軟件及綜合測試平臺軟件的使用與開發能力。

2.射頻測量工程技術與創新能力。針對射頻測量技術工程應用需要，如無源器件測量、有源器件性能測量、射頻源性能測量、射頻T/R組件以及射頻傳輸系統性能測量與系統評估等方面，開展創新實踐與訓練，培養滿足射頻測量工程技術與創新能力應用需求的人才。

3.測試信號處理、測試誤差分析的能力。針對射頻測量的工程需求，根據實際應用中的性能指標與具體要求，培養學生在測試信號處理、測量結果分析以及測試誤差分析等方面的系統分析與評估能力。

4.射頻測量綜合系統創新實踐能力。針對射頻傳輸系統性能測量與系統評估等方面開展創新實踐與訓練，培養學生的射頻測量工程技術與創新實踐能力，鍛煉與提升其綜合系統問題解決能力。

二、實驗設備組成

課程依托浙江大學工程師學院信息與微電子實驗室提供的軟硬件環境，軟件方面主要利用專門應用于電子系統級仿真設計的SystemVue，硬件方面主要包括由矢量信號源、矢量網絡分析儀、頻譜分析儀組成的基礎實驗單元，同時實驗室還具有40 GHz微波暗室用于天線及TR組件測試測量。

基于以上良好的實驗設備條件，結合濾波器、低噪聲放大器、隔離器、功率放大器、定向耦合器、鎖相環、標準天線等模塊，學生可以完成射頻鏈路的搭建，并與軟件仿真進行相互驗證。通過軟硬結合、理論仿真、實驗驗證與互相驗證的方式，進一步深化學生對知識點的理解和掌握。

三、教學內容

圍繞課程目標，本課程打造了多層次、遞進式教學體系，教學內容涵蓋了基礎理論、射頻測量關鍵技術、射頻測量工程實踐三個部分（見圖1），對學生開展階梯式射頻測量工程能力培養，使學生全流程一站式學習測試、驗證、綜合系統開發與應用相關環節。

圖1 課程內容架構

基礎理論部分主要講授射頻測量相關的基本概念、儀器儀表原理與使用方法，以及測試測量的規范與流程。具體如下：（1）講授與射頻測試測量相關的基本概念和基本參數及含義；（2）介紹表征測試性能的相關參數的含義及計算方法，如線性度、重復性、精度、分辨率、誤差、不確定度等；（3）講授測試測量的六個流程：預測試、測試優化、測試校準、測量實施、測試數據分析、數據保存，使學生掌握測試的基本流程。射頻測量的關鍵技術部分，主要圍繞S參數測量、功率測量、頻率測量、頻譜測量、相位噪聲測量中涉及的測試方案進行講解。

實踐是工程的基礎［4］，也是本課程的核心組成部分。在實踐訓練環節，主要結合實際應用場景，開展綜合案例實驗訓練，提高學生分析問題、解決問題能力與綜合實踐能力。實訓環節涉及的主要實驗包括以下幾方面。

1.射頻無源器件測量。該部分注重培養學生對射頻無源器件特性的測試測量能力，主要實驗環節包括：（1）測量濾波器S21參數，獲得其傳輸特性，計算其1 dB帶寬和3 dB邊界頻率點及工作帶寬，得出濾波器10 dB 衰減的頻點；（2）在濾波器1 dB 帶寬內，測量通帶內的幅度和相位特性；（3）測量功分器各個端口的S 參數，獲取其傳輸特性，給出其有效工作的頻率范圍和兩輸出端口的駐波比值；（4）在功分器工作頻帶內，選取合適頻帶，測量并比較輸出端口的幅度和相位特性；（5）判斷定向耦合器輸出端口、耦合端口，測量S21和S31，給出其有效工作的頻率范圍和兩輸出端口的駐波比值；（6）在定向耦合器工作頻帶內選取合適頻帶，比較輸出端口和耦合端口的幅度與相位特性。

2.射頻有源器件測量。圍繞射頻有源器件測量關鍵技術，主要針對放大器和混頻器兩類典型的射頻器件開展測試，放大器部分主要測試其線性增益和有效工作頻率范圍，選定合適的頻率點進行以下測量：（1）測量放大器的輸入和輸出1 dB壓縮點，通過雙音頻輸入信號測量并計算放大器的輸入和輸出三階交調點。（2）測量放大器的噪聲系數，計算放大器的動態范圍及其在1 dB壓縮點處的工作效率。在混頻器測試環節，主要進行：（1）判斷混頻器是上/下變頻，正確設置本振和信號，獲得混頻器的有效頻率范圍，使其可以正常工作。（2）對混頻器的傳輸特性進行測量，獲得變頻增益值并對混頻器各端口的駐波比進行測量。（3）對混頻器各端口的隔離度進行測量，獲得本振泄漏的測量值并對其混頻輸出的相位特性進行測量。

3.微波天線測量。在微波天線測量環節，主要引導學生熟悉天線測試流程、天線測試系統搭建及天線測試軟件操作，并基于毫米波暗室對天線的輻射特性進行測量，得出輻射特性參數，包括增益、半功率波束寬帶、前后比、交叉極化鑒別率及旁瓣抑制等。

4.矢量信號光纖-無線混合傳輸系統測量。搭建微波信號光纖-無線混合傳輸實驗鏈路系統（見圖2），引入放大器、濾波器、衰減器和收發天線構造完整的無線收發系統；測量微波信號光纖-無線混合傳輸實驗鏈路系統的鏈路增益和噪聲系數；調整衰減器和放大器參數，測量增益變化對系統增益、信噪比參數的影響；改變收發天線的極化方向和天線的距離，測量無線信道特性變化對系統鏈路增益、信噪比參數的影響。

通過以上實驗，有效地提高了學生的動手實踐能力，使學生切實掌握從器件測量到綜合系統測量的射頻測量技術，為后續射頻工程系統開發奠定堅實的基礎。

四、課程特色與創新

1.注重校企合作，協同創新，與行業企業共建課程，將產業新興技術融入教學。引入行業頂尖專家報告與體系化的射頻測試原理技術授課相結合（部分專家報告見表1）。相關講座專家均來自產業一線，可將產業前沿及工程研發經驗轉化為課程教學，拓寬了學生的視野，加深了學生對實際工程開發的理解。

表1 行業專家報告匯總

2.注重實驗訓練與案例視頻相結合。為便于學生課前預習及課后復習，同時加深學生對射頻知識難點及復雜測量過程的理解，課程團隊拍攝了大量儀器操作視頻、實驗教學視頻、案例教學視頻與專家報告視頻。學生可以通過反復觀看，掌握實驗操作關鍵技術，激發了學生對射頻測量實訓的興趣。

3.注重實踐能力考核，采取基本理論考試與實踐考核的方式對學生的掌握程度進行考核。通過現場綜合實驗的實驗操作技能、實驗報告撰寫以及測試實驗結果分析評估學生的專業知識與技能以及綜合實踐創新能力。

五、課程成效

課程自開設以來，一共推薦了3批學生參加行業認可的是德科技射頻測量技能資質考試，目前已有多位學生通過該考試并取得是德科技頒發的射頻測量技能資質考試合格證書。課程設計的案例教學視頻“矢量信號光纖射頻混合傳輸系統”入選中國專業學位教學案例中心—全國工程碩士專業學位研究生課程案例庫。

為了廣泛、全面、準確地了解射頻測量課堂教學、專家講座和實訓教學等方面的信息，每年度通過問卷調查進行課程教學質量評價調查。根據三年來的調查結果，我們對比了幾個比較關鍵的指標（具體結果見圖3）。從學生的問卷調查反饋結果來看，隨著課程配套措施的不斷優化與落實，學生對課程的整體滿意度不斷提高；通過不斷優化課程理論內容、實訓內容及專家報告的比例，學生分析問題和解決問題的實際工程能力也不斷提高，可有效幫助其解決實際工作中遇到的問題。根據問卷調查反饋，本課程在課程建設內容設計、教學方法改革、教學內容安排、實踐環節比重、學科前沿性結合、考核方式與考核難度的設計等方面取得了大多數學生的認可，表明課程建設取得了較好的成效。

圖3 課程滿意度調查結果

通過開設“射頻測量技術”實訓課程，加深了學生對射頻測量基礎理論的理解，同時提高了學生的實踐操作能力以及系統分析問題與解決問題的能力。課程的開設為探索專業學位研究生工程創新能力培養提供了先例，對后續實訓課程的開設具有較好的指導意義。