新技術(shù)驅(qū)動(dòng)下的高頻電子線路課程教學(xué)改革

薛 俊，馬江華

(長(zhǎng)江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州 434020)

高頻電子線路是通信工程專業(yè)和電子信息工程專業(yè)重要的技術(shù)基礎(chǔ)課。高頻電子線路中的各種功能電路經(jīng)歷了電子管、晶體管、場(chǎng)效應(yīng)器件、集成電路，直到射頻應(yīng)用模塊和大規(guī)模集成系統(tǒng)等不同的階段。特別是近年物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的迅猛發(fā)展，射頻電路及其技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)高頻電路理論教學(xué)的要求提出了更高的要求。

1 關(guān)于高頻課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法

“高頻電子線路”課程的發(fā)展沿革:從無線電收發(fā)信設(shè)備課程演變而來，經(jīng)1978 年重新討論確定課程內(nèi)容體系，二十余年來變化不大。我們重新來審視一下高頻課程的教學(xué)基本內(nèi)容:器件和基本電路單元(晶體管、傳輸線、濾波與阻抗匹配網(wǎng)絡(luò));功能電路的工作原理(弱信號(hào)放大、混頻、振蕩、調(diào)制解調(diào)、鎖相與頻率合成、功放);含非線性電子器件電路的分析方法;噪聲和干擾性能分析;通信機(jī)指標(biāo)與性能分析。

多年以來，這些內(nèi)容對(duì)電子信息工程專業(yè)的學(xué)生建立功能電子電路的基本概念，掌握通信設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方法和手段，進(jìn)一步在工作中解決設(shè)計(jì)和應(yīng)用維護(hù)的問題起到了重要的作用。

隨著技術(shù)發(fā)展以及專業(yè)口徑拓寬帶來的課程體系變化，“高頻電子線路”課程的教學(xué)內(nèi)容需要進(jìn)行改革以適應(yīng)應(yīng)用需求。頻段的上移使得分布參數(shù)影響變大，反射和特性阻抗概念的重要性突出，更適合用S 參數(shù)描述電路網(wǎng)絡(luò)性能，圓圖作為重要工具廣泛用來表述參數(shù)指標(biāo);適用于CMOS 集成工藝的功能電路結(jié)構(gòu)和工作原理體現(xiàn)不夠，電路方案陳舊;電網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)理論教學(xué)出現(xiàn)空位，導(dǎo)致學(xué)生知識(shí)結(jié)構(gòu)不完整;計(jì)算機(jī)輔助現(xiàn)代電路設(shè)計(jì)方法在課程和實(shí)驗(yàn)中沒有系統(tǒng)地教給學(xué)生，設(shè)計(jì)方法和手段不能適應(yīng)工程需求，“教”與“學(xué)”都心中無底;過于強(qiáng)調(diào)單元電路，系統(tǒng)和整機(jī)的概念不清楚，學(xué)習(xí)過程針對(duì)性不強(qiáng)。

2 高頻電子線路的教學(xué)內(nèi)容必須適應(yīng)技術(shù)和應(yīng)用需求的發(fā)展

適應(yīng)“5A”需求的信息與通信工程技術(shù)必須考慮到如下幾個(gè)方面:基本帶寬的變化，物理層技術(shù)的更新，電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)技術(shù)的特點(diǎn)以及收發(fā)信設(shè)備的新技術(shù)，以下一一展開分析:

基本帶寬需求已經(jīng)從數(shù)十kHz 擴(kuò)展到數(shù)MHz;工作頻率已經(jīng)從數(shù)百M(fèi)Hz 提高到數(shù)GHz;設(shè)備便攜性已經(jīng)從數(shù)kg改善到數(shù)百克。對(duì)主流的無線通信設(shè)備對(duì)比分析如表1。

表1 無線通信設(shè)備對(duì)比分析

物理層的新技術(shù)大致包含如下:OFDM 為代表的高效抗衰落調(diào)制技術(shù)、MIMO 為代表的分集與合作技術(shù)、LDPC、Turbo 等接近香農(nóng)限的信道編碼技術(shù)、射頻和基帶智能天線技術(shù)、認(rèn)知無線電技術(shù)和軟件無線電(SWR)、軟件定義無線電(SDR)(當(dāng)然，中頻可編程，濾波與調(diào)制解調(diào)可以通過軟件算法實(shí)現(xiàn))。

新技術(shù)下的電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)技術(shù)的幾個(gè)特點(diǎn):1)微帶與分布參數(shù)電路，2)微波單片集成電路(MMIC)，3)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)手段和工具，4)低功耗、免調(diào)試、密集裝配工藝，5)以頻譜分析儀為核心的測(cè)試方法和智能化綜合測(cè)試儀器。

收發(fā)信設(shè)備的電路呈現(xiàn)出如下新的特點(diǎn):寬帶LNA，低噪聲混頻器，寬帶線性功放，DDS 頻率合成器，高速高分辨ADC、DAC，數(shù)字上變頻器(DUC)、數(shù)字下變頻器(DDC)。

3 新技術(shù)下高頻電子線路課程的定位

電子信息學(xué)科理論與技術(shù)的快速發(fā)展需要具有全局性的視野和敏銳的觀察力，牢固的數(shù)學(xué)、物理理論基礎(chǔ)，豐富的專業(yè)技術(shù)知識(shí)，全面的系統(tǒng)綜合分析設(shè)計(jì)能力，訓(xùn)練有素的實(shí)踐操作基本功知識(shí)與教育。從需求出發(fā)-解決實(shí)際問題的技術(shù)和方法，具備相應(yīng)的科學(xué)理論知識(shí)——物理概念、規(guī)律——數(shù)學(xué)抽象、模型、描述、關(guān)系;基礎(chǔ)理論與應(yīng)用知識(shí)，思想方法和獲取知識(shí)的能力，在日新月異新技術(shù)的背景下，我們必須應(yīng)用技術(shù)通過解決實(shí)際問題的過程來學(xué)習(xí)。解決問題的能力靠培養(yǎng)-實(shí)驗(yàn)是一個(gè)重要方面，但不是全部，必須有針對(duì)問題的主動(dòng)思考-全面的綜合培養(yǎng)訓(xùn)練。技術(shù)進(jìn)步對(duì)高頻電子線路課程教學(xué)內(nèi)容改革的需求和促進(jìn)。

以往的高頻電子線路課程的定位在于應(yīng)用技術(shù)基礎(chǔ)課程，獲取電子電路的分析和設(shè)計(jì)方法，能夠以獨(dú)立的模塊電路組成系統(tǒng)-系統(tǒng)指標(biāo)與單元電路指標(biāo)，不涉及場(chǎng)的分析方法，不要求方法在理論上的理想與完美，在應(yīng)用需求可接受的精度上給出合理的解釋，能夠自圓其說、自成體系;與實(shí)際的工程設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)手段相適應(yīng)，熟練掌握工程測(cè)試方法與測(cè)試儀器，了解實(shí)際系統(tǒng)分析-原理、設(shè)計(jì)、性能指標(biāo)、測(cè)試。

4 課程改革的基本思想和方向

著力培養(yǎng)學(xué)生的系統(tǒng)觀念，從系統(tǒng)的高度來看待和學(xué)習(xí)本門課程，在課程的教學(xué)過程中使學(xué)生建立系統(tǒng)的概念。包括系統(tǒng)的組成、組成系統(tǒng)的各部件在系統(tǒng)中的地位和作用、系統(tǒng)的性能指標(biāo)與各部件性能指標(biāo)的關(guān)系等。

不同的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)容的側(cè)重點(diǎn)不同，無線通信側(cè)重傳輸鏈路，雷達(dá)側(cè)重射頻前端;不同的應(yīng)用環(huán)境決定不同的技術(shù)體制和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，短距離通信與深空通信的收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)與調(diào)制解調(diào)方式不同;不同的業(yè)務(wù)需求決定不同的技術(shù)指標(biāo)，語音通信與視頻通信的帶寬和調(diào)制解調(diào)方式不同，不同的用戶需求決定不同的電路形式，便攜設(shè)備要求小型化、低功耗。

當(dāng)今，射頻電路的應(yīng)用越來越廣泛，考慮到高頻電路的教學(xué)方向向射頻高頻端的延伸，在高頻系統(tǒng)電路中結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析是個(gè)重要的內(nèi)容，很有必要為電子科學(xué)類專業(yè)學(xué)生在課堂上增加這方面的相關(guān)內(nèi)容。這是功能單元電路組成系統(tǒng)應(yīng)用電路必須考慮的問題!

5 總結(jié)

高頻電子線路為一門專業(yè)基礎(chǔ)課，其基本的內(nèi)容變化不大。但其實(shí)現(xiàn)方式隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展發(fā)生了較大的變化。高頻集成電路、高頻模塊、高頻電路的集成設(shè)計(jì)、高頻電路的仿真、軟件無線電技術(shù)等也應(yīng)成為本門課程中學(xué)生應(yīng)該了解的內(nèi)容。目前，隨著微電子技術(shù)的飛速發(fā)展，應(yīng)用集成電路構(gòu)建系統(tǒng)電路已經(jīng)成為一個(gè)重要趨勢(shì)。面向電子科學(xué)類專業(yè)本科生，非常有必要增加和更新這方面的理論和實(shí)踐內(nèi)容。同時(shí)，如何在各種功能電路和系統(tǒng)電路的實(shí)現(xiàn)上讓學(xué)生厘清和掌握分立電路和集成電路之間的交互關(guān)系也是需要著重考慮的問題!

［1］廖惜春.基于工程應(yīng)用的“高頻電子線路”課程教學(xué)研究［J］.電氣電子教學(xué)學(xué)報(bào)，2007(4) ：14－16.

［2］李士軍，宮鶴，徐艷蕾.“高頻電子線路”教學(xué)研究［J］.長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2012(8) ：205－206.

［3］陳芳妮.高頻電子線路課程教學(xué)改革探討［J］.浙江科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2011(4) ：79－82.