王亞飛，楊曙輝，李學(xué)華

(北京信息科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100101)

微波技術(shù)實(shí)踐教學(xué)的三維設(shè)計(jì)方案

王亞飛，楊曙輝，李學(xué)華

(北京信息科技大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，北京 100101)

微波技術(shù)是通信工程專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。在教學(xué)中，構(gòu)建課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課外開(kāi)放實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)的三維實(shí)踐教學(xué)方案，有利于高素質(zhì)應(yīng)用型人才和卓越工程師的培養(yǎng)。特別是把傳統(tǒng)的微波測(cè)量線系統(tǒng)、現(xiàn)代化的微波測(cè)量設(shè)備、先進(jìn)的微波工程仿真軟件和其他的編程軟件結(jié)合起來(lái)應(yīng)用到微波技術(shù)實(shí)踐體系的構(gòu)建中，提高了學(xué)生的工程實(shí)踐能力，使其綜合素質(zhì)與人才市場(chǎng)需求接軌。

微波技術(shù)；實(shí)踐教學(xué)；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀；Smith圓圖

為培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，提高學(xué)生的就業(yè)能力，使學(xué)生的綜合素質(zhì)和人才市場(chǎng)需要接軌，各高校都重視學(xué)生實(shí)踐能力的培養(yǎng)[1-4]，并增加了實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐類(lèi)課程的設(shè)置。微波技術(shù)是通信工程專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課。近些年，隨著科學(xué)的發(fā)展，微波技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，尤其是在通信行業(yè)，如微波衛(wèi)星通信、微波散射通信、模擬微波通信和數(shù)字微波通信等[5]。微波技術(shù)的廣泛應(yīng)用也帶動(dòng)了就業(yè)市場(chǎng)的需求。

由于微波技術(shù)領(lǐng)域的特殊性，社會(huì)上招聘微波工程師和射頻工程師的崗位都要求應(yīng)聘者具有豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，能夠熟練使用微波設(shè)計(jì)與仿真軟件進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，能夠熟練使用常規(guī)的射頻及微波儀器設(shè)備等[6]。為了應(yīng)對(duì)人才市場(chǎng)的需求，許多高校都開(kāi)設(shè)了微波技術(shù)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐項(xiàng)目以培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力，主要是通過(guò)一些課內(nèi)實(shí)驗(yàn)來(lái)鍛煉學(xué)生的實(shí)踐能力。比如，利用微波仿真軟件(Advanced Design System，High Frequency Structure Simulator以及Microwave Office等)來(lái)進(jìn)行基礎(chǔ)驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)，或者利用傳統(tǒng)的微波測(cè)量線裝置進(jìn)行驗(yàn)證型實(shí)驗(yàn)，或者利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行微波器件的測(cè)量和測(cè)試等實(shí)驗(yàn)[6-9]。這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的出發(fā)點(diǎn)不同，但都培養(yǎng)了學(xué)生對(duì)微波技術(shù)的理解和掌握能力，也鍛煉了學(xué)生的實(shí)踐能力。存在不足的地方是，由于微波技術(shù)課程的難度相對(duì)較大，對(duì)一些基本概念和原理需要真正的理解和實(shí)踐才能掌握。因此，僅有課內(nèi)的實(shí)驗(yàn)還不夠，需要加大實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐的力度。

北京信息科技大學(xué)的人才培養(yǎng)目標(biāo)是培養(yǎng)高素質(zhì)應(yīng)用型人才，通信工程專(zhuān)業(yè)又是教育部“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”專(zhuān)業(yè)，如果僅有課內(nèi)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，顯然不能較好地實(shí)現(xiàn)培養(yǎng)目標(biāo)。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)了三維實(shí)踐教學(xué)方案以促進(jìn)人才培養(yǎng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，所設(shè)計(jì)的微波技術(shù)實(shí)踐教學(xué)方案如圖1所示。通過(guò)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)、課外開(kāi)放實(shí)驗(yàn)和課程設(shè)計(jì)三個(gè)維度來(lái)培養(yǎng)學(xué)生的基本能力、擴(kuò)展能力和應(yīng)用能力。三維實(shí)踐教學(xué)方案能使學(xué)生的綜合能力得到提高，與實(shí)際的人才市場(chǎng)需求相接軌。三維微波技術(shù)實(shí)踐教學(xué)方案具體包括：(1)微波技術(shù)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)。這一部分實(shí)驗(yàn)利用微波測(cè)量線裝置、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀、微波矢量信號(hào)源等設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證性和綜合性實(shí)驗(yàn)。(2)微波技術(shù)課外實(shí)驗(yàn)。這一部分實(shí)驗(yàn)利用先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng)(advanced design system，ADS)軟件和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等進(jìn)行微波器件的設(shè)計(jì)、制作和測(cè)量等。(3)微波技術(shù)課程設(shè)計(jì)。這一部分是利用Visual C++，Visual Basic或者M(jìn)atlab等進(jìn)行Smith圓圖軟件的設(shè)計(jì)和制作。該三維實(shí)踐教學(xué)方案包括了軟件、硬件以及儀器設(shè)備的使用等內(nèi)容，有效地訓(xùn)練了學(xué)生對(duì)微波技術(shù)的掌握，做到了理論驗(yàn)證和實(shí)際應(yīng)用的連貫性。

圖1 微波技術(shù)實(shí)踐教學(xué)的三維設(shè)計(jì)方案

1 微波技術(shù)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)

微波技術(shù)課內(nèi)實(shí)驗(yàn)主要包括兩類(lèi)：(1)基于傳統(tǒng)的測(cè)量線裝置進(jìn)行駐波比、波導(dǎo)的波長(zhǎng)等參數(shù)的測(cè)量和驗(yàn)證；(2)利用現(xiàn)代儀器設(shè)備進(jìn)行負(fù)載阻抗、微波器件的S參數(shù)測(cè)量等綜合性實(shí)驗(yàn)。這兩部分實(shí)驗(yàn)主要是使學(xué)生理解和掌握微波技術(shù)基本原理，通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象掌握微波技術(shù)中的重點(diǎn)內(nèi)容，特別是通過(guò)對(duì)儀器設(shè)備的操作和使用，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手和實(shí)踐能力。

1.1 基于測(cè)量線裝置的實(shí)驗(yàn)

測(cè)量線是測(cè)量微波傳輸系統(tǒng)中電場(chǎng)強(qiáng)弱和分布的精密儀器。對(duì)這部分實(shí)驗(yàn)，我們選用北京大華無(wú)線電儀器廠的DH406A0微波參數(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。利用測(cè)量線裝置、微波信號(hào)源以及選頻放大器等可以測(cè)量負(fù)載的駐波比。如圖2所示，通過(guò)測(cè)量線裝置，根據(jù)選頻放大器的讀數(shù)可以確定被測(cè)負(fù)載的駐波比，被測(cè)負(fù)載可以是匹配負(fù)載，也可以是失配負(fù)載。把圖2中的被測(cè)負(fù)載換成可變電抗模塊，可以測(cè)量波導(dǎo)的波長(zhǎng)。測(cè)量線裝置能把微波技術(shù)中的一些參數(shù)直觀地展現(xiàn)在學(xué)生面前，讓學(xué)生看得見(jiàn)、摸得著，特別是對(duì)微波器件的認(rèn)識(shí)將豐富學(xué)生對(duì)微波技術(shù)的宏觀認(rèn)識(shí)和理解。

圖2 微波參數(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.2 基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等設(shè)備的實(shí)驗(yàn)

微波技術(shù)的發(fā)展離不開(kāi)現(xiàn)代化的儀器設(shè)備，只有精密的測(cè)量設(shè)備才能了解微波器件的性能參數(shù)。為此，我們?cè)O(shè)置了基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀等設(shè)備的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，包括測(cè)量微波帶通濾波器的傳輸響應(yīng)、測(cè)量二端口器件的S參數(shù)以及校準(zhǔn)微波信號(hào)源等，圖3為測(cè)量微波帶通濾波器的S參數(shù)實(shí)驗(yàn)，圖4為利用頻譜分析儀校準(zhǔn)微波信號(hào)源。

圖3 利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行S參數(shù)測(cè)量

圖4 利用頻譜分析儀校準(zhǔn)微波信號(hào)源

這些實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目可以提高學(xué)生對(duì)現(xiàn)代微波測(cè)量?jī)x器的認(rèn)識(shí)，使他們熟悉矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，更重要的是能正確使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的基本功能，掌握用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行二端口微波器件S參數(shù)測(cè)量的一般方法，鍛煉學(xué)生的動(dòng)手能力。

2 微波技術(shù)課外開(kāi)放實(shí)驗(yàn)

課內(nèi)實(shí)驗(yàn)作為課程整體的有機(jī)部分，發(fā)揮了不可替代的作用，但課內(nèi)實(shí)驗(yàn)受學(xué)時(shí)數(shù)、難度等因素的限制，還不能很好地滿(mǎn)足“卓越工程師”培養(yǎng)的需要。這就需要通過(guò)課外實(shí)驗(yàn)來(lái)補(bǔ)充。當(dāng)今的微波工程師和射頻工程師一般要利用已有的參考資料和強(qiáng)大的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具來(lái)制作高效的電路，還必須有實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)才能完成。根據(jù)這一特點(diǎn)并結(jié)合微波技術(shù)課程的內(nèi)容，我們?cè)O(shè)置了課外開(kāi)放實(shí)驗(yàn)。課外開(kāi)放實(shí)驗(yàn)可以吸引對(duì)微波真正有興趣的同學(xué)參與進(jìn)來(lái)，擴(kuò)展他們的視野并真正提升他們的能力。課外開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目由教師提出申請(qǐng)，學(xué)校批準(zhǔn)后并提供經(jīng)費(fèi)支持。課外開(kāi)放實(shí)驗(yàn)的題目每年會(huì)根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)整。2013年設(shè)置的課外開(kāi)放實(shí)驗(yàn)題目有：(1)發(fā)夾型微波濾波器的設(shè)計(jì)與制作；(2)平行耦合線微波濾波器的設(shè)計(jì)與制作。學(xué)生根據(jù)自己的興趣選擇題目進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，2～5名學(xué)生一組，相同題目不同組的指標(biāo)參數(shù)不同，最終通過(guò)實(shí)物指標(biāo)與設(shè)計(jì)指標(biāo)的對(duì)比來(lái)考核學(xué)生，考核通過(guò)的學(xué)生由教務(wù)部門(mén)認(rèn)定可以獲得創(chuàng)新學(xué)分。

課外開(kāi)放實(shí)驗(yàn)題目的實(shí)施過(guò)程為：(1)教師和學(xué)院公布本年度已批準(zhǔn)的開(kāi)放實(shí)驗(yàn)題目，學(xué)生自由組合申請(qǐng)并確定題目；(2)題目確定后，教師給定微波濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)；(3)學(xué)生按照進(jìn)度安排，利用ADS軟件自行設(shè)計(jì)微波濾波器的結(jié)構(gòu)，并制作濾波器電路；(4)學(xué)生利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試制作好的濾波器，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到指標(biāo)要求；(5)學(xué)生提交實(shí)驗(yàn)總結(jié)報(bào)告和實(shí)物，學(xué)院和學(xué)校進(jìn)行審核，確定成績(jī)。課外開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目要求學(xué)生制作微波器件，需要經(jīng)過(guò)仿真、制作、測(cè)量等流程。開(kāi)放實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目考核了微波濾波器的各項(xiàng)指標(biāo)，對(duì)理解和掌握微波器件原理起到了很大的作用。對(duì)于學(xué)生來(lái)說(shuō)，自行設(shè)計(jì)制作一個(gè)微波濾波器難度不小，這需要對(duì)設(shè)計(jì)軟件和設(shè)計(jì)指標(biāo)的熟悉，更需要熟練掌握測(cè)試設(shè)備的使用方法等。對(duì)于本科生來(lái)說(shuō)，這些工作都是難點(diǎn)，但一旦掌握，又都是亮點(diǎn)。學(xué)生設(shè)計(jì)制作的發(fā)夾型微帶濾波器如圖5所示。

3 微波技術(shù)課程設(shè)計(jì)

有了課內(nèi)實(shí)驗(yàn)和課外實(shí)驗(yàn)的組合，應(yīng)該說(shuō)基本鍛煉和培養(yǎng)了學(xué)生的實(shí)踐能力，若要進(jìn)一步提升學(xué)生的素質(zhì)，特別是要提高他們對(duì)理論的嚴(yán)謹(jǐn)程度和掌握程度，鍛煉他們的綜合能力，那么就需要設(shè)置相應(yīng)的課程設(shè)計(jì)。目前，設(shè)置微波技術(shù)課程設(shè)計(jì)的高校很少。北京信息科技大學(xué)通信工程專(zhuān)業(yè)為了突出學(xué)生在射頻和微波領(lǐng)域的能力，特設(shè)置了微波技術(shù)課程設(shè)計(jì)，給學(xué)生充足的時(shí)間去完成一個(gè)完整的項(xiàng)目，有效訓(xùn)練學(xué)生的設(shè)計(jì)能力和綜合能力。

圖5 學(xué)生制作的發(fā)夾型微帶濾波器

Smith圓圖是微波技術(shù)課程的重要內(nèi)容，也是學(xué)生掌握微波技術(shù)的工具。1939年，菲利普·史密斯在貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了Smith圓圖，主要用于計(jì)算微波網(wǎng)絡(luò)的阻抗、導(dǎo)納及網(wǎng)絡(luò)阻抗匹配設(shè)計(jì)等，還可用于設(shè)計(jì)微波元器件等。因此，微波技術(shù)課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容就是要求學(xué)生自行選擇工具設(shè)計(jì)Smith圓圖軟件，要求Smith圓圖軟件正確可用、界面美觀等。通過(guò)Smith圓圖軟件形象的演示可以深刻理解圓圖的應(yīng)用，基于對(duì)Smith圓圖構(gòu)成的基本原理和應(yīng)用問(wèn)題的分析，利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)可以解決圓圖計(jì)算精度等問(wèn)題，設(shè)計(jì)的Smith圓圖軟件既保留了圓圖計(jì)算直觀、便捷的大眾性，又可以滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)中相關(guān)參數(shù)的計(jì)算精度[10]?？梢灶A(yù)見(jiàn)，制作Smith圓圖軟件將極大地鍛煉學(xué)生解決問(wèn)題的能力。

圖6為微波技術(shù)課程設(shè)計(jì)中學(xué)生利用Matlab所設(shè)計(jì)的Smith圓圖軟件。

圖6 學(xué)生利用Matlab設(shè)計(jì)的Smith圓圖軟件截圖

Smith圓圖軟件能夠形象準(zhǔn)確地表征圓圖中阻抗、導(dǎo)納、反射系數(shù)以及相位角、波長(zhǎng)等參數(shù)；具有查詢(xún)、取點(diǎn)和計(jì)算等基本功能。除微波技術(shù)外，該課程設(shè)計(jì)涉及的課程有計(jì)算機(jī)高級(jí)語(yǔ)言編程(Matlab，Visual C++，Visual Basic等)[11]、電磁場(chǎng)與電磁波、多媒體技術(shù)等。通過(guò)具體的軟件編程和多媒體制作，進(jìn)一步加深了學(xué)生對(duì)微波技術(shù)的理解和掌握，提高了他們的設(shè)計(jì)能力以及解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

微波技術(shù)實(shí)踐教學(xué)的三維設(shè)計(jì)方案注意到了微波技術(shù)課程的特點(diǎn)，既重理論又重實(shí)踐，做到了理論驗(yàn)證和實(shí)際應(yīng)用的全面性，有利于學(xué)生全面掌握微波技術(shù)并提高自身的工程實(shí)踐能力。同時(shí)，在學(xué)校通信工程專(zhuān)業(yè)實(shí)施“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”中，物聯(lián)網(wǎng)是三個(gè)培養(yǎng)方向中的一個(gè)，其中的射頻電路設(shè)計(jì)和射頻識(shí)別技術(shù)等課程就需要學(xué)生有較好的微波技術(shù)基礎(chǔ)。因此，微波技術(shù)實(shí)踐教學(xué)的地位將更加突出，三維微波技術(shù)實(shí)踐教學(xué)方案也將為“卓越工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃”的實(shí)施奠定良好的基礎(chǔ)。

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Three-dimensional Practical Teaching Program of Microwave Technology

WANG Yafei, YANG Shuhui, LI Xuehua

(School of Information and Communication Engineering, Beijing Information Science and Technology University, Beijing 100101, China)

Microwave technology is an important professional basic course for communication engineering. Structuring the microwave technology three-dimensional practical teaching program， involving curricular experiment， extracurricular experiment and curriculum design， promotes the fostering of high-quality， applied talents and outstanding engineers. Especially the practical training program， based on the traditional microwave measuring line system， the modern microwave measurement equipment， advanced simulation software and other programming software， improves the students’ ability of engineering practice， and makes their integrated quality meet the job market demands.

microwave technology; practical teaching; vector network analyzer; Smith chart

2014-03-24；修改日期: 2014-04-17

北京高等學(xué)校青年英才計(jì)劃基金資助項(xiàng)目(YET P1497)；北京信息科技大學(xué)2012年度教學(xué)改革基金資助項(xiàng)目(2012JGYB18)。

王亞飛(1981-)，男，博士，實(shí)驗(yàn)師，研究方向：通信工程專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)，信號(hào)完整性等。

G642

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.04.022