陶小魚(yú) 重慶電子工程職業(yè)學(xué)院 通信工程學(xué)院

高頻電子線路是通信、電子類專業(yè)的重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，課程的主要內(nèi)容包括無(wú)線通信系統(tǒng)射頻前端的大信號(hào)高頻放大、小信號(hào)高頻放大、振蕩器、混頻器、模擬調(diào)制和解調(diào)，課程具有很強(qiáng)的理論性和工程性，這些內(nèi)容對(duì)通信、電子類專業(yè)的學(xué)生建立通信電路的基本概念，為后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)奠定了必要基礎(chǔ)。

高頻電子線路課程內(nèi)容體系延續(xù)使用了三十余年，課程涉及的電路分析以分立有源器件三級(jí)管、二極管為主，接收電路采用超外差結(jié)構(gòu)，以模擬廣播電視中的收音機(jī)、電視機(jī)的高頻部分作為教學(xué)的主要內(nèi)容，振蕩器、放大器和混頻器電路主要以固定頻率和窄帶信號(hào)為主。課程內(nèi)容比較抽象、知識(shí)容量大、公式多、分析復(fù)雜，教學(xué)和學(xué)習(xí)的難度很大，是教學(xué)中的難點(diǎn)。

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的高速發(fā)展和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的持續(xù)變革，通信行業(yè)采用的半導(dǎo)體器件集成度越來(lái)越高，目前分離有源器件應(yīng)用領(lǐng)域已發(fā)生了重大改變，分離有源器件主要應(yīng)用于電源和功率控制電路，通信電路主要采用MMIC、HMIC、DSP、處理器和FPGA等高集成度芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，降低設(shè)備整體尺寸、重量和功耗是通信電路設(shè)計(jì)持續(xù)追求的目標(biāo)；無(wú)線通信系統(tǒng)架構(gòu)從超外差逐步演變到零中頻，多頻段、多模式、寬帶的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，工作頻段從幾百M(fèi)Hz提高到了數(shù)十GHz；電路的實(shí)現(xiàn)方式也發(fā)生了根本性的變化，模擬調(diào)制解調(diào)基本被數(shù)字信號(hào)處理所取代，逐步實(shí)現(xiàn)軟件決定的架構(gòu)，以便能夠動(dòng)態(tài)改變、在現(xiàn)場(chǎng)更新或在工廠配置實(shí)施方案和工作模式。

高頻電子線路的教學(xué)內(nèi)容已無(wú)法適應(yīng)通信電子行業(yè)高速展的需求，知識(shí)體系、課程內(nèi)容與分析方法和實(shí)際的行業(yè)應(yīng)用有較大的差距。為了促進(jìn)應(yīng)用型、技術(shù)技能型和復(fù)合型人才培養(yǎng)，對(duì)教學(xué)進(jìn)行改革探索，結(jié)合產(chǎn)業(yè)和技術(shù)發(fā)展的需求，采用工程實(shí)例和EDA手段開(kāi)展教學(xué)，深化學(xué)生對(duì)書(shū)本知識(shí)的認(rèn)識(shí)，構(gòu)建較完善的知識(shí)體系，培養(yǎng)學(xué)生的自學(xué)能力和解決工程問(wèn)題的能力，能更好的走向工作崗位和適應(yīng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。

一、構(gòu)建知識(shí)體系架構(gòu)，加深知識(shí)理解

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，獲取知識(shí)載體的方法和手段變得很容易，學(xué)生可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲取豐富的課程相關(guān)資源和知識(shí)，這也是實(shí)際工作中需要具備的重要能力。培養(yǎng)學(xué)生資料搜集和技術(shù)跟蹤能力，增加對(duì)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)的了解，學(xué)習(xí)目前通信系統(tǒng)天線、射頻前端模塊、射頻收發(fā)模塊以及基帶信號(hào)處理器四部分主體架構(gòu)。

射頻前端芯片主要是實(shí)現(xiàn)信號(hào)在不同頻率下的收發(fā)，包括射頻功率放大器、射頻低噪聲放大器、射頻開(kāi)關(guān)、濾波器、雙工器等，相關(guān)內(nèi)容主要體現(xiàn)在高頻電子線路的放大器部分，基本采用MMIC器件或者射頻模塊、組件進(jìn)行電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；MMIC將高性能微波晶體管與低損耗無(wú)源元件和傳輸線相結(jié)合，形成具有多個(gè)互連的復(fù)雜電路，相對(duì)分立器件電路，MMIC在成本、功耗、尺寸和可靠性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。超外差收發(fā)架構(gòu)已有數(shù)十年歷史，近年來(lái)隨著模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣速率的迅速提高、嵌入式數(shù)字處理的采納以及匹配通道的集成，普遍采用集成式射頻收發(fā)器進(jìn)行電路設(shè)計(jì)，集成式射頻收發(fā)器提供一套完整的從RF到數(shù)字轉(zhuǎn)換的信號(hào)鏈路，還包括射頻控制環(huán)路所需要的全部功能，傳統(tǒng)的振蕩器、混頻電路僅僅是集成式射頻收發(fā)器重要組成部分。

學(xué)生通過(guò)對(duì)行業(yè)系統(tǒng)知識(shí)的了解，結(jié)合課程的內(nèi)容加深對(duì)放大器、振蕩器等知識(shí)的理解，構(gòu)建高頻通信電路的知識(shí)體系。

二、強(qiáng)化基礎(chǔ)概念理論，提高知識(shí)的實(shí)用性

雖然目前電路設(shè)計(jì)主要采用數(shù)字或者模擬集成電路，實(shí)現(xiàn)方式和途徑和教材內(nèi)相比發(fā)生了很大變化，但是電路蘊(yùn)含的數(shù)學(xué)原理和參數(shù)指標(biāo)仍然是一致的，把基礎(chǔ)概念和原理作為教學(xué)的重點(diǎn)，課程涉及到的具體電路比較陳舊可以適當(dāng)刪減，把目前主流工程設(shè)計(jì)采用的電路形式作為擴(kuò)展內(nèi)容，培養(yǎng)學(xué)生電路工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用的基礎(chǔ)能力。

高頻電路頻率截至幾百M(fèi)Hz，隨著通信行業(yè)需求的發(fā)展、器件工藝和集成度的進(jìn)步、和電磁環(huán)境的日益緊張復(fù)雜，通信的主要工作頻率從幾百M(fèi)Hz擴(kuò)展到6GHz，甚至數(shù)十GHz的毫米波頻段。小信號(hào)放大使用單片集成放大器，通過(guò)輸出端的偏置電阻方便實(shí)現(xiàn)放大功能，選頻網(wǎng)絡(luò)通過(guò)聲表濾波器或者集成可編程濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，極大的簡(jiǎn)化了電路設(shè)計(jì)和分析。功率放大器件一般采用內(nèi)部匹配50Ω阻抗，無(wú)需外部匹配便可實(shí)現(xiàn)全頻段工作，甚至不需要外部電感便可實(shí)現(xiàn)放大器偏置，可以方便輕松集成到系統(tǒng)中。

雖然電路實(shí)現(xiàn)的方式簡(jiǎn)單了，但是放大電路涉及的工作頻率、工作帶寬、放大增益、1dB壓縮輸出功率、飽和輸出功率、三階交調(diào)電平、功率附加效率等概念和指標(biāo)，仍然是放大電路設(shè)計(jì)關(guān)注的重點(diǎn)。振蕩電路是課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，主要內(nèi)容是基于分離器件的振蕩電路，電路形式多、分析復(fù)雜；現(xiàn)在只有在高穩(wěn)定度和高純凈度的需求條件下才采用分離器件設(shè)計(jì)振蕩電路，比如測(cè)試儀器；目前行業(yè)普遍采用PLL + VCO（集成電壓控制振蕩器的鎖相環(huán)）技術(shù)實(shí)現(xiàn)針對(duì)移動(dòng)通信、微波無(wú)線電、軍事等應(yīng)用快速開(kāi)發(fā)低相位噪聲頻率合成器，實(shí)現(xiàn)覆蓋頻率從數(shù)十 MHz到數(shù)十GHz的本振信號(hào)；在擴(kuò)展講授振蕩器實(shí)現(xiàn)形式的基礎(chǔ)上，頻率穩(wěn)定度、相位噪聲、雜散指標(biāo)、頻率捷變時(shí)間依然是集成式振蕩器的關(guān)鍵指標(biāo)，這些內(nèi)容仍然是教學(xué)的重點(diǎn)。

三、掌握數(shù)學(xué)原理，兼顧知識(shí)延續(xù)和發(fā)展性

模擬幅度、角度調(diào)制是最基礎(chǔ)的調(diào)制方式，也是最早廣泛采用的傳輸方式，在調(diào)制技術(shù)發(fā)展歷程中具有里程碑的重要意義，通過(guò)課程學(xué)習(xí)學(xué)生掌握了模擬系統(tǒng)FM、PM調(diào)制與解調(diào)的原理，以及信號(hào)時(shí)域頻域波形、混頻、檢波、相位檢測(cè)、頻率檢測(cè)等通信系統(tǒng)涉及的基礎(chǔ)概念，此外對(duì)非線性失真、動(dòng)態(tài)范圍、頻率偏差、解調(diào)門限等系統(tǒng)級(jí)的關(guān)鍵參數(shù)也有了一定的了解。

模擬調(diào)制技術(shù)存在頻譜效率低、抗干擾能力差、穩(wěn)定性等方面的問(wèn)題，已被更高頻譜效率的OFDM、QAM、CPM等數(shù)字調(diào)制方式所取代，此外調(diào)制解調(diào)主要通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)在基帶進(jìn)行處理來(lái)提高傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性，傳統(tǒng)的模擬調(diào)制解調(diào)電路已經(jīng)很少采用。但是實(shí)現(xiàn)模擬幅度、角度調(diào)制的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)和原理，仍然是通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理進(jìn)行復(fù)雜波形設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，只有對(duì)信號(hào)的時(shí)域表達(dá)的數(shù)學(xué)原理充分理解，才能構(gòu)建調(diào)制解調(diào)的傳輸模型，進(jìn)行時(shí)域、頻域特性仿真分析和傳輸性能評(píng)估，然后通過(guò)DSP或者FPGA進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理的編程設(shè)計(jì)，在基帶實(shí)現(xiàn)調(diào)制解調(diào)的算法驗(yàn)證。

教學(xué)過(guò)程中把模擬幅度、角度調(diào)制的時(shí)域表達(dá)、頻譜結(jié)構(gòu)、帶寬分析作為重點(diǎn)，具體到電路實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容可以采用數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)作為補(bǔ)充，比如通過(guò)相位積分實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)制、利用CORDIC算法進(jìn)行相位計(jì)算并微分實(shí)現(xiàn)鑒頻等，并輔以EDA手段進(jìn)行算法驗(yàn)證，讓學(xué)生在理解調(diào)制解調(diào)數(shù)學(xué)原理的基礎(chǔ)上，通過(guò)模型構(gòu)建和仿真，熟悉現(xiàn)在普遍采用的電路實(shí)現(xiàn)方式和設(shè)計(jì)手段，達(dá)到教學(xué)基礎(chǔ)性、發(fā)展性和應(yīng)用性的目標(biāo)。

四、分析工程案例，運(yùn)用知識(shí)服務(wù)需求

高頻電子線路教學(xué)中的突出問(wèn)題是對(duì)工作實(shí)踐的需求反應(yīng)比較滯后，分離原件放大電路、振蕩電路、模擬調(diào)制電路等內(nèi)容的知識(shí)過(guò)于陳舊，與實(shí)際需求脫節(jié)，這些電路在后續(xù)的工作中基本不會(huì)使用；同時(shí)電路的基礎(chǔ)知識(shí)偏理論化，實(shí)用性方面存在不足，學(xué)生對(duì)這些知識(shí)到底該如何應(yīng)用感到困惑，從而對(duì)學(xué)習(xí)的興趣、動(dòng)力和激情帶來(lái)負(fù)面的影響。

通過(guò)工程應(yīng)用電路，讓學(xué)生了解工作中的實(shí)際需求，并通過(guò)實(shí)踐案例教學(xué)加深對(duì)知識(shí)的理解，打通理論知識(shí)和具體需求之間的通道。比如結(jié)合廣泛使用的70MHz中頻自動(dòng)增益控制電路，讓同學(xué)們熟悉和實(shí)踐電路的設(shè)計(jì)流程：系統(tǒng)指標(biāo)分配、器件選型、仿真模擬和物理驗(yàn)證；并把小信號(hào)放大、自動(dòng)增益控制、電路匹配網(wǎng)絡(luò)、帶通濾波器、放大的非線性特性等知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行綜合和融匯；同時(shí)通過(guò)電路分析加強(qiáng)對(duì)器件具體參數(shù)指標(biāo)和性能的理解，包括：濾波器的幅頻特性、通帶增益、阻帶衰減、駐波比、阻抗等，單片集成放大器的工作頻率范圍、內(nèi)匹配、增益特性、回波損耗、反向隔離度、1dB壓縮點(diǎn)、飽和輸出功率、三階交調(diào)、噪聲系統(tǒng)等；此外利用鏈路仿真工具進(jìn)行電路各級(jí)的時(shí)域、頻域信號(hào)觀察，對(duì)自動(dòng)增益控制的響應(yīng)時(shí)間、跟蹤誤差和跟蹤范圍等動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行學(xué)習(xí)。

通過(guò)實(shí)際案例，促進(jìn)學(xué)生對(duì)行業(yè)半導(dǎo)體器件、電路實(shí)現(xiàn)方式和設(shè)計(jì)手段的了解，對(duì)接社會(huì)發(fā)展需求，增強(qiáng)了知識(shí)的服務(wù)性，把知識(shí)直接或間接轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力。

五、了解產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，增強(qiáng)責(zé)任感和使命感

高頻電子線路主要基于模擬有源、無(wú)源器件，實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大、振蕩器、混頻和調(diào)制等電路，傳統(tǒng)的分立元件二極管、三極管設(shè)計(jì)電路，存在穩(wěn)定性差、體積大和功耗大的缺點(diǎn)，混頻、放大和濾波器等前端處理基本被模擬集成電路和模擬前端模塊所取代，調(diào)制編碼等基帶處理主要采用FPGA、ASIC芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。

消費(fèi)級(jí)應(yīng)用是通信行業(yè)發(fā)展的主要?jiǎng)恿?，?G是開(kāi)啟工業(yè)數(shù)字化和物聯(lián)網(wǎng)新時(shí)代的新一代基礎(chǔ)生產(chǎn)力，5G需要滿足全頻譜接入、高頻段乃至毫米波傳輸、高頻譜效率三大基礎(chǔ)性能，因此對(duì)器件和關(guān)鍵性半導(dǎo)體原材料的性能要求也相應(yīng)提高。當(dāng)前半導(dǎo)體模擬器件產(chǎn)業(yè)正在發(fā)生深刻的變革，以碳化硅、氮化鎵等材料為代表的新材料半導(dǎo)體因其優(yōu)異的性能而受到關(guān)注，我國(guó)已經(jīng)成為全球最重要的半導(dǎo)體器件制造基地和全球最大的半導(dǎo)體器件市場(chǎng)。

近十年來(lái)隨著國(guó)家鼓勵(lì)政策的大力扶持，集成電路產(chǎn)業(yè)已成為先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，更加重視芯片科技發(fā)展對(duì)工業(yè)制造轉(zhuǎn)型升級(jí)和信息技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)力，半導(dǎo)體器件國(guó)產(chǎn)化趨勢(shì)顯現(xiàn)以及下游應(yīng)用領(lǐng)域需求增長(zhǎng)的拉升，我國(guó)半導(dǎo)體器件行業(yè)蘊(yùn)含著巨大的發(fā)展契機(jī)。同時(shí)應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，我國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)和美、日、韓等發(fā)達(dá)地區(qū)還存在較大的差距，通信產(chǎn)業(yè)的元器件國(guó)產(chǎn)化率還不足50%，另外新一代信息技術(shù)產(chǎn)業(yè)在2025年的人才缺口近950萬(wàn)人，作為信息產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的集成電路芯片產(chǎn)業(yè)人才缺口更是巨大。

課堂教學(xué)是課程思政建設(shè)的主渠道，結(jié)合行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)和產(chǎn)業(yè)格局的變遷，通過(guò)高頻電子線路的課程學(xué)習(xí)，為專業(yè)發(fā)展奠定基礎(chǔ)，培養(yǎng)學(xué)生探索未知、追求真理、勇攀科學(xué)高峰的責(zé)任感和使命感，培養(yǎng)學(xué)生精益求精的大國(guó)工匠精神，激發(fā)學(xué)生科技報(bào)國(guó)的家國(guó)情懷和使命擔(dān)當(dāng)。

六、結(jié)語(yǔ)

對(duì)高頻電子線路的教學(xué)進(jìn)行探索，以期教學(xué)能滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和行業(yè)技術(shù)發(fā)展需求，培養(yǎng)學(xué)生的資料搜集整理能力，構(gòu)建知識(shí)體系加深對(duì)知識(shí)的理解，加強(qiáng)對(duì)基礎(chǔ)概念的認(rèn)識(shí)，提高知識(shí)的實(shí)用性，數(shù)學(xué)原理是不同方式實(shí)現(xiàn)高頻電子電路的基礎(chǔ)，通過(guò)實(shí)踐讓同學(xué)們認(rèn)識(shí)到理論基礎(chǔ)的重要性，加強(qiáng)工程實(shí)例化教學(xué)，科教協(xié)同提高學(xué)生對(duì)知識(shí)的運(yùn)用和應(yīng)用水平，從課程所涉專業(yè)、行業(yè)、國(guó)家等角度，增加課程的廣度和深度，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，增強(qiáng)學(xué)生的社會(huì)責(zé)任感和創(chuàng)新精神。