微波器件與電路實(shí)驗(yàn)課程設(shè)計(jì)

洪韜　趙京城　刁為民

摘要：隨著近年來4G、5G等通信系統(tǒng)的興起，精通微波電路、系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及微波儀器的熟練使用已經(jīng)成為對(duì)所有電子和通信專業(yè)人才的基本要求。微波專業(yè)課程內(nèi)容理論性強(qiáng)、新概念多且抽象，學(xué)生不易理解，而實(shí)驗(yàn)課就是學(xué)生將理論和實(shí)際直接聯(lián)系起來的重要手段，但是以往實(shí)驗(yàn)課程受限于儀器設(shè)備往往流于形式，本文結(jié)合教學(xué)實(shí)踐和工程經(jīng)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)置、實(shí)驗(yàn)手段等方面提出建議，力爭(zhēng)設(shè)計(jì)出符合社會(huì)需求的實(shí)驗(yàn)課程體系。

關(guān)鍵詞：微波器件；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；課程設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2015）14-0242-02

前言：

現(xiàn)代社會(huì)，微波技術(shù)已經(jīng)蔓延到我們生活的各個(gè)方面。一大批商業(yè)應(yīng)用，包括蜂窩電話、無線局域數(shù)據(jù)網(wǎng)、車載毫米波防撞雷達(dá)、通信衛(wèi)星、全球定位系統(tǒng)（GPS）、射頻識(shí)別技術(shù)、超寬頻帶無線通信和雷達(dá)系統(tǒng)等均與微波技術(shù)的發(fā)展和研究密不可分。隨著微波器件的飛速發(fā)展，無線通信頻段逐漸提高，技術(shù)快速更新，可以預(yù)見，將來具有豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的微波技術(shù)人才將越來越搶手。

國內(nèi)外理工院校一般都開設(shè)有電磁場(chǎng)、微波技術(shù)、微波電路等專業(yè)課程，但是學(xué)生在學(xué)完課程后，往往學(xué)到和記憶的只是一堆公式，理解專業(yè)知識(shí)仍舊停留于抽象層面，不能較快將理論知識(shí)應(yīng)用于實(shí)踐，體現(xiàn)在具體工作中表現(xiàn)為專業(yè)思維不夠、實(shí)踐創(chuàng)新能力不足。比如在2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，北京航空航天大學(xué)共31支隊(duì)伍參賽有21隊(duì)獲獎(jiǎng)，其中選擇高頻類題目共有6支參賽隊(duì)，僅有1組獲得北京市三等獎(jiǎng)，在未獲獎(jiǎng)的10支隊(duì)伍中占據(jù)高頻類題目占據(jù)50%。另外根據(jù)微波專業(yè)的特點(diǎn)，從業(yè)者需要具備較強(qiáng)的數(shù)學(xué)和電磁基礎(chǔ)，而且很多能力必須要在實(shí)踐中體會(huì)、鍛煉和提高。就業(yè)市場(chǎng)的要求反過來對(duì)教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)提出了更高要求。

一、國內(nèi)外現(xiàn)狀

國內(nèi)外諸多大學(xué)針對(duì)微波專業(yè)教學(xué)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)展開了研究。比如美國馬薩諸塞大學(xué)、佐治亞理工學(xué)院等學(xué)校上世紀(jì)80年代末期就開展了教學(xué)改革，研究主要集中在：電磁和微波類課程設(shè)置、實(shí)驗(yàn)改革等方面[1-2]。國內(nèi)北京航空航天大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)、北京理工大學(xué)、哈工大等知名高校近年也開展了一系列電磁場(chǎng)與微波教學(xué)及實(shí)驗(yàn)實(shí)踐方面的改革，涉及到課程體系設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)手段改進(jìn)、采用網(wǎng)絡(luò)虛擬教學(xué)等[3-8]。北京航空航天大學(xué)的全紹輝副教授在微波專業(yè)核心課程“微波技術(shù)”教學(xué)中設(shè)計(jì)并構(gòu)建了“微波學(xué)堂”網(wǎng)，將課程教學(xué)、實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)通過網(wǎng)上交流互動(dòng)的形式體現(xiàn)出來，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和課程教學(xué)效果[3]。但是由于微波儀器價(jià)格昂貴，組建大規(guī)模多臺(tái)套的微波實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)于高校來說是不現(xiàn)實(shí)的，所以高校實(shí)驗(yàn)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(duì)無源電路，缺少微波有源電路的實(shí)驗(yàn)課程。本文作者長期擔(dān)任微波電路、電子實(shí)驗(yàn)任課教師，承擔(dān)多項(xiàng)微波測(cè)量系統(tǒng)研制任務(wù)，結(jié)合作者多年工程經(jīng)驗(yàn)和教學(xué)經(jīng)歷，力爭(zhēng)設(shè)計(jì)符合當(dāng)今社會(huì)研究熱點(diǎn)的微波電路實(shí)驗(yàn)課程。

二、設(shè)計(jì)原則

1.設(shè)置合理的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和思維能力。微波器件課程涉及的經(jīng)典器件理論知識(shí)都是上個(gè)世紀(jì)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(shù)學(xué)等領(lǐng)域，學(xué)習(xí)起來比較枯燥，容易喪失興趣。在課程設(shè)計(jì)中應(yīng)該有意識(shí)地引入一些背景知識(shí)的介紹，通過介紹社會(huì)熱點(diǎn)問題可以提高學(xué)生的直觀理解能力和學(xué)習(xí)興趣，同時(shí)使教學(xué)內(nèi)容與時(shí)俱進(jìn)，有效地將微波技術(shù)的最新發(fā)展和成果介紹給學(xué)生，比如超材料、量子力學(xué)在微波器件制造領(lǐng)域的應(yīng)用。進(jìn)一步引導(dǎo)、激發(fā)學(xué)生對(duì)當(dāng)前熱門技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)系統(tǒng)組成的探究興趣，比如無線傳感網(wǎng)絡(luò)、智能家居、室內(nèi)定位、NFC等熱門技術(shù)，引導(dǎo)學(xué)生自發(fā)地去探究各種專業(yè)技術(shù)的理論原理，配以綜合性、系統(tǒng)化的多種類的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)模塊。使學(xué)生帶著問題，更高效、主動(dòng)地進(jìn)行學(xué)習(xí)與實(shí)踐。

2.采用靈活實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力。現(xiàn)在很多高校設(shè)置了開放實(shí)驗(yàn)室，目的就是充分利用實(shí)驗(yàn)資源，發(fā)揮實(shí)驗(yàn)室的潛力與效益。其開放包括時(shí)間開放和內(nèi)容開放，實(shí)驗(yàn)課程內(nèi)容包括必修內(nèi)容和選修內(nèi)容，學(xué)生可以根據(jù)實(shí)際情況自由選擇時(shí)間和內(nèi)容來完成實(shí)驗(yàn)課程。并且結(jié)合各級(jí)別的電子競(jìng)賽，實(shí)驗(yàn)室教師和學(xué)生都可以擬定題目，由實(shí)驗(yàn)室提供實(shí)驗(yàn)條件，由學(xué)生選擇時(shí)間完成。這樣做有利于分層次教學(xué)，培養(yǎng)出具有較強(qiáng)實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ募庾訉W(xué)生?？傊嗄Ｊ?、多內(nèi)容和多目標(biāo)的開放實(shí)驗(yàn)室，會(huì)徹底改變教學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ?，使單一的“填鴨式”教學(xué)向分層次、多元化教學(xué)發(fā)展，達(dá)到素質(zhì)教育培養(yǎng)目的。

3.更新完善實(shí)驗(yàn)手段，加強(qiáng)互動(dòng)。微波實(shí)驗(yàn)不同于低頻、高頻實(shí)驗(yàn)，它使用的儀器造價(jià)是一般儀器的幾十倍甚至上百倍，而且對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境要求也高于普通實(shí)驗(yàn)。因此，搭建大規(guī)模、多臺(tái)套的微波實(shí)驗(yàn)環(huán)境，對(duì)于大多數(shù)高校來說難度較大，為了開展好微波實(shí)驗(yàn)的教學(xué)，必須走物理實(shí)驗(yàn)與虛擬實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的新路子。傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)就是利用有限的實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)購置一些必要的實(shí)驗(yàn)儀器和器件，學(xué)生在授課老師的帶領(lǐng)下搭設(shè)實(shí)驗(yàn)裝置并操作儀器來完成實(shí)驗(yàn)?；旧贤ㄟ^物理實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以直觀了解微波測(cè)量的特點(diǎn)，從而掌握微波測(cè)量的原理和常用微波儀器的使用方法。圖1就是我們?cè)O(shè)計(jì)的混頻器實(shí)驗(yàn)示意圖，通過實(shí)驗(yàn)學(xué)生可以掌握微波信號(hào)源和頻譜儀的使用，了解混頻器的工作原理和關(guān)鍵參數(shù)。

虛擬實(shí)驗(yàn)就是利用計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)和EDA技術(shù)模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，學(xué)生可以通過軟件，在計(jì)算機(jī)上的虛擬實(shí)驗(yàn)裝置中，選擇不同的參數(shù)，來完成整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程。虛擬實(shí)驗(yàn)優(yōu)點(diǎn)在于形象生動(dòng)地增強(qiáng)學(xué)生感性認(rèn)識(shí)，而且可以多人同時(shí)進(jìn)行，時(shí)間更加靈活，并且可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。但現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)軟件成本也不便宜，而且功能過于復(fù)雜，不太適合教學(xué)。還需要專業(yè)人士投入更多精力開發(fā)研制出更加專業(yè)規(guī)范的實(shí)驗(yàn)教學(xué)多媒體軟件。我校全紹輝老師組織學(xué)生開發(fā)了一套Smith圓圖模擬軟件[9]，通過這一軟件能夠幫助學(xué)生迅速地掌握?qǐng)A圖基本規(guī)律。學(xué)生開發(fā)此類軟件的過程，也是對(duì)長線理論復(fù)習(xí)、整理、歸納的過程。endprint

三、教學(xué)實(shí)踐

在2014年秋季學(xué)期作者承擔(dān)的本科課程《微波器件與電路》授課過程中，采用開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)，第一批實(shí)驗(yàn)題目提前給學(xué)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(xué)生自由選擇時(shí)間，提前和作者所在的微波實(shí)驗(yàn)室助教約定實(shí)驗(yàn)時(shí)間，由助教協(xié)助學(xué)生獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)任務(wù)，并撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。選取成績(jī)良好的學(xué)生進(jìn)行第二批實(shí)驗(yàn)，第二批實(shí)驗(yàn)涉及常用的微波電路，如圖2，學(xué)生利用實(shí)驗(yàn)室提供的微波器件就搭建了一套簡(jiǎn)單的線性掃頻測(cè)量雷達(dá)，可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量運(yùn)動(dòng)速度、測(cè)量雷達(dá)目標(biāo)隱身特性等功能。

一學(xué)期的教學(xué)實(shí)踐表明這種實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式效果良好，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，鍛煉了學(xué)生的動(dòng)手能力，培養(yǎng)了學(xué)生的獨(dú)立科研能力。

四、結(jié)論

本文在以往國內(nèi)外微波專業(yè)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革的基礎(chǔ)上，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)需求，設(shè)計(jì)了適合專業(yè)需求的微波器件與電路實(shí)驗(yàn)課程，可以滿足培養(yǎng)微波電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)專業(yè)人才的需求，在以后的教學(xué)過程中，會(huì)進(jìn)一步完善課程設(shè)置。

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