周 沛 牛 娟

（1.蘇州大學 光電科學與工程學院，江蘇 蘇州215006；2.蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州215006）

0 引言

工程教育是我國高等教育中的重要組成部分；其在實現(xiàn)國家工業(yè)化以及形成我國獨立完整的工業(yè)體系過程中，具有不可替代的作用?，F(xiàn)階段，我國的普通高校工科專業(yè)的畢業(yè)生及在校生總規(guī)模已位居世界第一。通過開展工程教育專業(yè)認證，對本專業(yè)學生培養(yǎng)目標、質量、師資隊伍、課程設置、實驗設備、教學管理、各種教學文件及原始資料等方面的評估，有助于各高校明確工程教育專業(yè)的標準和要求，形成自己的專業(yè)特色；加強高校工程教育與社會及產業(yè)界的聯(lián)系，提高高等教育的適應性，培養(yǎng)合格的工程師；促進我國高等工程教育參與國際交流，實現(xiàn)國際接軌，提高教育質量[1-2]。

2014年，蘇州大學在原現(xiàn)代光學技術研究所、原信息光學工程研究所和原物理科學與技術學院光電技術系的基礎上合并組建成立了物理與光電能源學部光電信息科學與工程學院。2018年，學院獨立設置，并更名為光電科學與工程學院。學院現(xiàn)有三個電子信息類本科專業(yè)：光電信息科學與工程、電子信息科學與技術、測控技術與儀器。依托該學院，蘇州大學正積極籌備相關專業(yè)的工程教育專業(yè)認證，其中課程體系是否設置完整、核心課程的教學內容是否能夠支撐達成本專業(yè)培養(yǎng)目標是專業(yè)認證考察的一項關鍵指標?！陡哳l電路》是電子信息類專業(yè)的一門核心專業(yè)基礎課程，是培養(yǎng)工程師硬件能力的基本入門課，同時是一門工程性實踐很強的實際應用課。通過學習該課程，能夠培養(yǎng)學生高頻電路與系統(tǒng)的研究分析能力、工程設計能力和實踐動手能力。為了更好地服務蘇州大學相關專業(yè)的工程教育專業(yè)認證，有必要對《高頻電路》課程的教學建設、教學內容和教學方法進行深入的分析和探討。本文以作者所在的蘇州大學光電信息系教研室的授課經(jīng)驗出發(fā)，以西安電子科技大學曾興雯教授主編的經(jīng)典教材《高頻電子線路》[3]為基礎，對《高頻電路》課程建設和發(fā)展過程中的一些關鍵問題進行了闡述。

1 《高頻電路》課程的教學內容及特點分析

1.1 《高頻電路》課程內容

本文作者講授的《高頻電路》課程共包括54課時，分為18講，其中課堂習題及自學占3課時。該課程的研究對象是以無線通信系統(tǒng)為代表的各類高頻電子與通信系統(tǒng)以及其系統(tǒng)中高頻基本元器件、基本電路與功能單元，特別是對其中高頻電子線路的電路結構、工作原理、性能參數(shù)分析進行重點講授。圖1是無線通信系統(tǒng)的基本組成框圖。如圖1所示，典型的無線通信系統(tǒng)包括發(fā)信機和收信機兩大部分；其中發(fā)信機的任務是將信息以無線電手段發(fā)射到遠處的對方，收信機的任務是接收電磁波信號，還原出傳輸信息。在發(fā)信機中：信源（話筒）輸出信號經(jīng)過低頻放大器放大；低頻放大器輸出信號控制載波振蕩器的某些參數(shù)（如幅度或相位）實現(xiàn)調制；調制后的信號經(jīng)過變頻器實現(xiàn)信號頻率的變換；高頻信號經(jīng)過功率放大器提高信號幅度以滿足末級天線發(fā)射的需求，隨后天線將信號輻射到空間中。在收信機中，接收天線接收的微弱信號輸入到高頻小信號諧振放大器，實現(xiàn)信號放大和選頻功能；放大后的高頻信號經(jīng)由混頻器和本地振蕩器組成的頻率變換單元下變頻為中頻信號；該中頻信號經(jīng)過中頻放大和濾波器后輸入解調器進行解調，恢復出原輸入信息；經(jīng)過低頻放大器放大后輸入到通信終端的信宿（揚聲器）。從上述無線通信系統(tǒng)的基本組成中可以得出《高頻電路》課程的核心知識單元，包括高頻電路基礎、高頻放大器、高頻振蕩器、調制與解調電路、混頻電路。

圖1 無線通信系統(tǒng)的基本組成框圖

從課程體系上來說，《高頻電路》的理論課程體系包括“系統(tǒng)分析與設計”“高頻基本元器件與基本電路”和“單元電路與功能電路”等部分。其中第一部分“系統(tǒng)分析與設計”包括第1章中無線通信概述、收發(fā)信機結構、無線信道，第2章中電子噪聲、噪聲系數(shù)與接收靈敏度等內容；第二部分“高頻基本元器件與基本電路”包括第2章中基本元器件、諧振回路、變壓器、晶體濾波器、衰減器等內容；第三部分“單元電路與功能電路”包括第3～8章中放大器、振蕩器、頻譜變換電路和反饋控制電路等內容。該課程涉及的基本概念、基本理論和基本方法都與實際的無線通信系統(tǒng)緊密相關，具有較強的工程性。其中《高頻電路》課程中的基本電路包括頻率選擇電路、阻抗匹配與阻抗變換電路、LC諧振放大電路、LC和晶體振蕩電路、乘法器電路、包絡檢波電路、變容二極管調頻電路、鑒頻與鑒相電路、自動增益/頻率控制電路、鎖相環(huán)電路和頻率合成器電路。

1.2 《高頻電路》課程特點分析

《高頻電路》課程的特點可以概括為“高頻”和“非線性”兩方面。該課程的難點主要體現(xiàn)在元器件和電路在高頻和非線性狀態(tài)時的分析和使用方法。對無線電波的頻率或者波長進行分段，分別稱之為頻段或波段。表1是無線電波的頻（波）段劃分表。由于不同頻段的無線電波信號的電磁特性差異通常比較大，因而其生成手段、傳播特性、應用場合也不盡相同。狹義的“高頻”信號是指短波波段，頻率范圍在3～30 MHz內的信號。需要注意的是，本課程中“高頻”并非狹義的高頻，而是廣義的高頻，或者也被稱為“射頻”。本課程中“高頻”的頻率范圍可從數(shù)十kHz到數(shù)幾GHz的范圍；具體來說，是電路尺寸遠小于工作波長，可以用“路”來實現(xiàn)某種特定功能的頻率范圍。工作在“高頻”范圍內，需要考慮有源器件的高頻效應及電路的高頻效應帶來的影響。有源器件的高頻效應包括：載流子的高頻效應（如渡越時間影響、遷移率退化等）；非線性電抗效應；引線電感；飽和壓降影響和噪聲。有源器件高頻效應帶來的影響包括性能下降、參數(shù)變化、不穩(wěn)定、電磁干擾和電磁屏蔽以及分析測試的復雜化。電路的高頻效應主要分布參數(shù)效應、趨膚效應和輻射效應。分布參數(shù)效應是指高頻電路中導體間、元器件與地間、元器件間存在寄生電容；連接元器件的導線存在電感和元件自身的寄生電感。上述寄生電容和寄生電感等寄生參數(shù)的存在，不僅使得電路特性受環(huán)境影響，而且使得分析與設計復雜。趨膚效應指當頻率升高時，電流趨于集中在導體表面，減小了有效導電面積，使得交流電阻遠大于直流電阻，從而使導體損耗增加，惡化電流性能。輻射效應則會使得信號泄露到空間中，不能全部傳輸?shù)截撦d上，產生能量損失和電磁干擾。

表1 無線電波的頻（波）段劃分表

所有實際電子元器件和電子電路都是非線性的，線性電路是一種理想化的概念和工程上的合理近似。非線性元器件的伏安特性是非線性的，對其描述通常涉及多個參數(shù)，如直流跨導、時變跨導和平均跨導等。相比于低頻線性電路，非線性電路的特性包括不滿足疊加定理以及能夠產生新的頻率分量。非線性電路的有利功能包括：（1）能量轉換功能。如功率放大器電路中非線性電路在輸入信號控制下，能夠把直流電能轉化為根據(jù)輸入變化的交流能量；振蕩器電路在無輸入信號控制下，能夠將直流電能轉換為按特定頻率變化的交流能量。（2）頻率變換功能。包括頻譜線性搬移，如幅度調制、解調和混頻；頻譜非線性搬移，如相位調制和頻率調制。非線性電路的不利影響包括：諧波失真；互調與交調干擾；增益壓縮；飽和與動態(tài)范圍降低；包絡失真；雜波響應等。非線性電路的分析方法可以分為三大類，分別是（1）解析法求解非線性微分方程。這種方法較為復雜煩瑣，求解困難，通常不被采用。（2）數(shù)值分析法，這是一種有效的現(xiàn)代分析手段。（3）工程分析法。通過明晰電路工作過程與物理現(xiàn)象，以圖解法或指數(shù)函數(shù)分析法、折線近似分析法、開關函數(shù)分析法、線性時變電路分析法和頻譜法進行求解。

2 《高頻電路》課程的教學方法探討

《高頻電路》是“電子線路”系列課程中承前啟后的課程，需要很多的先修課程知識，如《電路分析基礎》和《模擬電子線路》；同時與后續(xù)課程，如《微波技術》和《通信原理》等課程的有關內容難以有效銜接。此外，《高頻電路》課程中各類原理電路和實際電路較多，且以非線性分析為主，分析方法也不統(tǒng)一，難以系統(tǒng)化梳理；因此該課程雖然與實際工程應用聯(lián)系緊密，卻也是難教和難學的一門課程。為了提高本課程的教學質量和整體的人才培養(yǎng)質量，培養(yǎng)學生高頻電路與系統(tǒng)的研究分析能力、工程設計能力和實踐動手能力，提高學生的適應性，有必要對本課程的教學方法進一步探討和改進。

課程建設與教學手段方面可以改進的方法包括：完善課程體系，理順相關課程和相關內容的關系；強化系統(tǒng)觀念，處理好單元電路與系統(tǒng)的關系；對各種電路、分析方法等進行歸納、總結和對比；有機結合板書和多媒體教學，有機結合講授和討論，形象生動地講清、講透有關概念、電路和分析方法；加強例題與習題講解和課后輔導工作；強化實物演示、實驗、和課程設計等實驗與實踐環(huán)節(jié)。此外，還可以從提高學生學習興趣與積極性的角度改進課程教學質量[4]，可能的方法包括：在多種場合以多種方式向學生說明或展示本課程內容的重要性和實用性；探求學生的認知規(guī)律，圍繞無線通信習題的設計與應用組織教學內容，注重新穎性、先進性和工程實用性；給學生留有時間，有目的地完成更深入的學習和實踐；發(fā)展配套教學資源，如電子教案和多媒體資源、國內外相關的技術書籍、手冊或軟件工具。

3 結束語

在工程教育專業(yè)認證的大背景下，工科教育需要回歸工程，要求培養(yǎng)學生具有扎實的專業(yè)理論，工程實踐能力，系統(tǒng)分析與設計能力，創(chuàng)新思維能力的綜合素質。針對蘇州大學電子信息類本科專業(yè)核心專業(yè)基礎課程《高頻電路》的教學工作，本文首先闡述了該課程的主要理論教學內容，包括核心知識點和知識單元；并對該課程的重點、特點以及教學難點進行了分析討論；在此基礎上探討了《高頻電路》課程的進一步建設與發(fā)展，提出了相應的教學方法，以期通過該課程培養(yǎng)學生的學習能力和實踐能力，培養(yǎng)其高頻電路與系統(tǒng)的分析與工程設計能力，提升其綜合競爭力。