王 平，邵 羽，葉志紅，李 強(qiáng)

（重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，重慶 400065）

蜂窩移動通信、微波衛(wèi)星通信、航空航天的高速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，使與無線通信技術(shù)緊密相關(guān)的射頻工程師人才需求大增。為此，不少高校相繼開設(shè)培養(yǎng)射頻工程師、天線工程師的一系列課程，并把射頻工程人才的培養(yǎng)納入新培養(yǎng)方案中〔1-5〕。重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院利用2016版培養(yǎng)方案修訂的契機(jī)，對電子信息工程專業(yè)方向培養(yǎng)方案進(jìn)行調(diào)整，設(shè)置“射頻通信與天線”課程群模塊，培養(yǎng)學(xué)生“射頻技術(shù)、天線新技術(shù)”的專業(yè)能力，于2015年組建了相應(yīng)的教學(xué)團(tuán)隊，承擔(dān)課程群相關(guān)課程的教學(xué)。同時，配合理論教學(xué)開設(shè)了“射頻通信電路實驗”“天線實驗”課程（包括必要的電路元器件和儀器的實驗測量、規(guī)范操作等內(nèi)容）。但教學(xué)過程中存在如下問題：一是，射頻技術(shù)與實踐動手能力緊密聯(lián)系，學(xué)生難以在灌輸式的理論課堂中理解射頻元器件的基本原理、各類型天線工作機(jī)理與指標(biāo)標(biāo)定以及射頻通信系統(tǒng)的構(gòu)成與各模塊的功能，特別是課本上的實驗現(xiàn)象直接呈現(xiàn)，學(xué)生難以理解透徹。二是，配置的實驗多為驗證性實驗，由教師提前設(shè)計好，學(xué)生只需按照教師的指導(dǎo)就可實現(xiàn)。該教學(xué)模式下學(xué)生只掌握了相應(yīng)元器件的測試方法，但對發(fā)生的現(xiàn)象及設(shè)計過程不太理解。三是，實驗學(xué)時少，實驗內(nèi)容有限。學(xué)生沒有經(jīng)歷從產(chǎn)品需求分析到系統(tǒng)設(shè)計，再到測試分析的完整過程。四是，大部分學(xué)生通常狀態(tài)就是期末考試及格、獲得相應(yīng)學(xué)分即可，完全與培養(yǎng)計劃和目標(biāo)背道而馳。因此，為配合學(xué)校/學(xué)院構(gòu)建一流學(xué)科人才培養(yǎng)體系，以新工科建設(shè)和工程教育專業(yè)認(rèn)證為抓手，堅持以學(xué)生為中心、上課形式多樣化、教學(xué)資源多樣化，對學(xué)生科學(xué)“增負(fù)”，提升學(xué)生的專業(yè)素質(zhì)和創(chuàng)新意識。

本文將課賽結(jié)合人才培養(yǎng)機(jī)制〔6-9〕引入課程群中，緊密結(jié)合課內(nèi)教學(xué)、實驗教學(xué)知識點，探索競賽選題、賽前培訓(xùn)、仿真設(shè)計與開發(fā)、測試數(shù)據(jù)分析等過程的工程人才培養(yǎng)可行性。競賽的開展，讓學(xué)生在理論與驗證性實驗階段的掌握提升到設(shè)計與實驗制作、測試、數(shù)據(jù)分析各環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，有效地培養(yǎng)了學(xué)生獨立研究能力、團(tuán)隊協(xié)作能力、創(chuàng)新能力和綜合設(shè)計能力，顯著提高本科生培養(yǎng)質(zhì)量。

1 課程群架構(gòu)與實驗平臺建設(shè)

1.1 課程群架構(gòu)為了培養(yǎng)射頻/微波/毫米波工程方面的創(chuàng)新型人才，全體教師研討該課程群如何與已有課程進(jìn)行銜接，實現(xiàn)了課程群在電子信息工程專業(yè)人才培養(yǎng)過程中的前后緊密相關(guān)性，見圖1。

圖1 課程群與基礎(chǔ)課程之間的關(guān)系與順序

從知識結(jié)構(gòu)來看，“復(fù)變函數(shù)與特殊函數(shù)”是數(shù)學(xué)基礎(chǔ)課程，“電磁場與電磁波”屬于物理基礎(chǔ)課程，而“微波技術(shù)基礎(chǔ)”和“通信天線”是其物理基礎(chǔ)工程應(yīng)用，要先理解電磁場與電磁波的物理基礎(chǔ)，才能理解和推導(dǎo)微波技術(shù)、通信天線中涉及的工程應(yīng)用分析。相比之，“射頻通信電路”注重射頻前端的電路元件講解，例如放大器、濾波器、混頻器等元件及系統(tǒng)集成設(shè)計，而“微波毫米波系統(tǒng)工程”課程具體講解這些元器件在移動通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)中的系統(tǒng)融合及工程應(yīng)用。

從系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上來看，“射頻通信電路”課程講解元器件如何設(shè)計，如何實現(xiàn)信號的產(chǎn)生、放大、處理能力，“通信天線”課程主要集中在電磁信號的輻射和接收，主瓣方向、旁瓣電平、峰值增益、輻射效率等指標(biāo)的描述。而“微波技術(shù)基礎(chǔ)”課程集中能量傳輸（即場與波的傳輸）過程中所涉及的阻抗匹配、插入損耗、模式匹配或轉(zhuǎn)換等過程。因此，該課程群集中在信號的產(chǎn)生、傳輸、輻射、接收、處理等物理過程，體現(xiàn)在“微波毫米波系統(tǒng)工程”課程中。

1.2 實驗平臺建設(shè)該模塊課程概念抽象、數(shù)學(xué)公式繁雜，學(xué)生通常覺得枯燥無味，不易于理解和掌握。為了提高本科培養(yǎng)質(zhì)量，實驗中心開設(shè)了驗證型和設(shè)計型實驗，將抽象的理論與直接感觀認(rèn)知聯(lián)系起來，實現(xiàn)對所學(xué)知識更快、更深入的理解和掌握，鍛煉學(xué)生的動手能力和設(shè)計創(chuàng)新能力。

（1）典型天線演示實驗平臺設(shè)計〔10〕。以模塊化方式搭建出相應(yīng)的測試和演示平臺，重現(xiàn)天線電磁輻射、傳輸、接收的物理現(xiàn)象，使學(xué)生深刻理解整個測量鏈路系統(tǒng)中所涉及的基本原理、測量技巧與操作規(guī)范。主要模塊包括射頻信號發(fā)射機(jī)、射頻信號接收機(jī)、測試用電動轉(zhuǎn)臺、圓極化測試轉(zhuǎn)臺和各類型收發(fā)天線。

（2）射頻通信電路測試實驗平臺設(shè)計。經(jīng)中地共建項目資金的資助，采購了數(shù)臺通信矢量信號發(fā)生器、射頻通信信號分析儀、射頻通信元器件組件、微波普通噪聲源、微波噪聲系數(shù)分析儀及相應(yīng)的控制軟件和演示平臺。使學(xué)生對無線通信射頻關(guān)鍵硬件電路和系統(tǒng)集成的設(shè)計、實現(xiàn)、指標(biāo)等有更為深入的認(rèn)識和了解。進(jìn)一步夯實學(xué)生的理論基礎(chǔ)，切實提高學(xué)生實際硬件電路設(shè)計、應(yīng)用與動手能力，推動教學(xué)質(zhì)量的進(jìn)一步提高。

1.3 理論課程與實驗內(nèi)容之間的對應(yīng)關(guān)系實驗分為兩大部分：微波天線實驗部分和射頻電路實驗部分，與課程內(nèi)容相結(jié)合的實驗內(nèi)容體現(xiàn)如下：

（1）天線端口阻抗匹配實驗。課堂教學(xué)中要求計算對稱偶極天線或單極天線的端口阻抗隨頻率的函數(shù)表達(dá)式，故阻抗匹配實驗可以讓學(xué)生更深刻地理解天線阻抗的變化規(guī)律。

（2）方向圖測試實驗。理論課程講解了各類型天線的輻射方向圖及頻響特性。為了讓學(xué)生更能從實際現(xiàn)象中理解課本知識，可設(shè)定兩種特殊輻射方向圖進(jìn)行測試驗證，即全向輻射方向圖（單極天線實現(xiàn)）、端射或定向方向圖（八木天線、對數(shù)周期天線）。

（3）圓極化天線測試實驗。在理論課程中講解了等角螺旋天線或阿基米德螺旋天線，實驗項目對應(yīng)設(shè)置了等角螺旋天線測試實驗。

（4）多徑效應(yīng)實驗。理論課程中，引入了天線測試基本原理、實驗操作規(guī)范的講解。因此，實驗課程中選用10 GHz屏蔽箱進(jìn)行測試分析。

（5）阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)實驗。學(xué)生深刻理解阻抗變換的原理和設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)的方法，具備測試放大器輸入/輸出匹配網(wǎng)絡(luò)性能和初步設(shè)計放大器輸入/輸出匹配電路的能力。

（6）選頻回路實驗。射頻濾波器的測試參數(shù)有插損、帶寬、帶外衰減、品質(zhì)因數(shù)、矩形系數(shù)等，并設(shè)計、裝調(diào)射頻濾波器。通過對測試結(jié)果的分析，加深對濾波器各種主要參數(shù)的理解。

（7）功率放大器實驗。讓學(xué)生了解功率放大器的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及其設(shè)計步驟，掌握功率放大器增益、輸出功率、噪聲系數(shù)、頻率范圍、線性度、效率和輸入/輸出端口駐波比等主要性能指標(biāo)的測試方法。

（8）混頻器實驗。測試（環(huán)型二極管）混頻器的主要特性參數(shù)（變頻特性、變頻損耗，1 dB壓縮點、交調(diào)、三階截點等），加深對信號時頻域儀器操作的理解和掌握。

（9）本振信號產(chǎn)生實驗。通過直接頻率合成實驗，使學(xué)生加深對直接頻率合成（direct digital synthesizer，DDS）技術(shù)的理解，了解DDS芯片AD9959可以實現(xiàn)的多種功能，掌握直接數(shù)字頻率合成芯片DDS的特性及功能。

2 課賽結(jié)合培養(yǎng)模式的探索與實踐

2.1 課賽結(jié)合實施方法以“課賽結(jié)合，以賽促課”的原則，2019年春季采用課賽結(jié)合、創(chuàng)新學(xué)分獲取、獎品獎勵等多種方式激勵電子信息工程專業(yè)學(xué)生積極參與競賽，促進(jìn)“射頻通信電路”“通信天線”等課程的教學(xué)，見圖2。

圖2 課賽結(jié)合培養(yǎng)模式結(jié)構(gòu)圖

考慮到學(xué)生對知識點掌握程度不一致，競賽題目不應(yīng)過難，但也不應(yīng)簡單，而且要體現(xiàn)所學(xué)課程知識。經(jīng)調(diào)研各相關(guān)領(lǐng)域?qū)W生競賽的方法和經(jīng)驗，探索競賽內(nèi)容的擬定和考核辦法。為了降低難度：（1）采用發(fā)射電路，而非接收電路；（2）發(fā)射電路僅需本振信號產(chǎn)生電路和放大器電路。其中，晶體管為指定晶體管（BFG505）〔11〕，提供信號放大，學(xué)生可查詢其產(chǎn)品手冊即可獲得連接方式和參數(shù)；（3）工作頻率選用較低頻率，提高成功率。

學(xué)生在指定的時間內(nèi)，建立一個無線發(fā)射機(jī)和一個天線，現(xiàn)場發(fā)射連續(xù)的2.8 GHz電磁波信號。通過發(fā)射機(jī)本振信號頻率、S參數(shù)、天線方向圖參數(shù)、品質(zhì)因數(shù)等綜合評價學(xué)生作品的發(fā)射機(jī)和天線性能。品質(zhì)因數(shù)（Q）可定義為：

其中，Pr是頻譜分析儀所測得的功率，PN是發(fā)射機(jī)輸出信號偏移量為1 MHz時的相位噪聲，Perr為所測得的輸出信號頻率fout與目標(biāo)頻率（fo=2.8 GHz）偏移量的函數(shù)，其計算值表示為：

另外，競賽元器件的制作必須在給定的晶體管、給定的介質(zhì)基板上全手工實現(xiàn)，測試方案見圖3。

圖3 評價學(xué)生作品的發(fā)射機(jī)和天線性能測試方案

2.2 實施狀況通過前期規(guī)劃，至今已進(jìn)行了一次競賽實踐。7個學(xué)生組成一個管理團(tuán)隊負(fù)責(zé)競賽的申請、報名、統(tǒng)計、材料購買和搬運、規(guī)劃、場地安排等工作。競賽材料需提前購買，包含晶體管、銅箔膠帶、電阻、電容、電感、鑷子、尖嘴鉗、剪刀、直尺等一系列材料。報名學(xué)生自由組合為一個參賽團(tuán)隊，最多允許4人一組（通常3～4人：一人設(shè)計天線，一人設(shè)計發(fā)射機(jī)電路，1～2人熟悉測試和原理分析）。報名截止后，總共安排兩場賽前培訓(xùn)，由本專業(yè)教師完成，根據(jù)競賽內(nèi)容進(jìn)行培訓(xùn)講解，正確引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合理論知識進(jìn)行仿真設(shè)計。

競賽分為預(yù)賽、決賽兩個過程。其中，預(yù)賽為仿真設(shè)計過程，每組必須準(zhǔn)備詳細(xì)的仿真設(shè)計報告來提交作品的原理圖與仿真結(jié)果（不少于10頁，需要轉(zhuǎn)為pdf格式），并發(fā)送給學(xué)生競賽評審專家。能提交初賽作品共29組（每組約4人），初賽作品由各競賽評審專家交叉評閱打分，計算平均分，最終按平均分從高到低排序選取15組進(jìn)行決賽。決賽是一個全手工封閉式操作環(huán)節(jié)，每組學(xué)生在指定的時間內(nèi)，一般為6～8 h，需按照自己的分工進(jìn)行制作、測試、分析等環(huán)節(jié)，建立一個無線發(fā)射機(jī)和一個天線現(xiàn)場傳輸連續(xù)的2.8 GHz電磁波信號，得出一個最佳性能的樣品。評審時，可將樣品分成三部分來評價：天線部分（20%）、發(fā)射機(jī)部分（20%）和系統(tǒng)部分（60%）。最后，決賽樣品經(jīng)實驗測試和評審，評判出一等獎、二等獎、三等獎和優(yōu)勝獎。最后，全體成員進(jìn)行合影留念。下面是2019年度春季學(xué)期兩個典型案例，見圖4。

圖4 學(xué)生競賽作品

圖4（a）為2019年春季決賽時第11組競賽團(tuán)隊開發(fā)的相應(yīng)本振信號產(chǎn)生電路和Yagi天線。通過本振電路作為信號的產(chǎn)生和發(fā)送部分，向天線提供功率，并通過天線輻射出電磁波。

圖4（b）展現(xiàn)了第28組競賽團(tuán)隊設(shè)計的本振信號產(chǎn)生電路和貼片天線，以此理解信號產(chǎn)生和天線輻射的物理過程。在接收端，一個標(biāo)準(zhǔn)同頻段工作的喇叭天線連接到頻譜分析儀上，并保持喇叭天線和信號發(fā)射的貼片天線最大方向在同一平面上且對齊。然后，在頻譜分析儀上讀取最大接收功率。

2.3 課賽結(jié)合效果

2.3.1 知識深度與廣度的拓展競賽內(nèi)容通常圍繞平時的大學(xué)生科研訓(xùn)練、創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目等，競賽為開放性實驗項目，需要借助實驗室資源、學(xué)術(shù)或市場調(diào)研才能完成。課賽結(jié)合的方式使得學(xué)生在完成競賽項目時需要經(jīng)過不同的進(jìn)程，并在每個進(jìn)程中要優(yōu)化控制，各進(jìn)程是否順利完成，學(xué)生們需要全方位地分析問題、原理、現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)制等。競賽項目不僅涉及所學(xué)的知識點，可能部分會超越所學(xué)知識，就需要向其他專業(yè)或高年級學(xué)生，甚至研究生請教或一起討論，獲得進(jìn)步。

競賽過程中，學(xué)生需要熟練使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀、直流電源，也需要掌握天線測試原理與方法。因此，競賽前，學(xué)生要查閱資料、咨詢高年級學(xué)生/研究生/指導(dǎo)教師，擴(kuò)展知識點的廣度。

2.3.2 工程化思維的培養(yǎng) 賽前，專門開設(shè)內(nèi)容培訓(xùn)、儀器使用規(guī)范、焊接實驗等操作，所有參賽學(xué)生以小班的形式參與，在一個開放式互動的教學(xué)場所進(jìn)行強(qiáng)化訓(xùn)練，提高競賽質(zhì)量。培訓(xùn)后，團(tuán)隊需要任務(wù)分工和思路引導(dǎo)，使學(xué)生在拿到競賽題目后，能快速進(jìn)行知識點關(guān)聯(lián)、課題調(diào)研（深入查閱科技論文、專利等資料）、指標(biāo)確定、元器件設(shè)計、系統(tǒng)集成設(shè)計、調(diào)試、測試等流程。同時，在組長帶領(lǐng)下要定期開會討論和PPT報告進(jìn)展，產(chǎn)生緊迫感，參與競賽的效率自然得到提高。每個成員不僅要對自身分工內(nèi)容負(fù)責(zé)，而且也要為團(tuán)隊中其他人員的工作負(fù)責(zé)，體現(xiàn)了團(tuán)隊的合作精神和責(zé)任感。

2.3.3 學(xué)生創(chuàng)新能力、動手能力的提高如前所述，在賽前安排一定的知識點講解（例如：本振信號電路、放大器電路、各類型天線的仿真設(shè)計）、測量儀器操作及規(guī)范、焊接操作等培訓(xùn)，可以提高學(xué)生的動手能力和分析能力。另外，競賽題目既要讓學(xué)生從中鞏固基礎(chǔ)、提升能力，又要有一定的挑戰(zhàn)性，供學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)造性，再結(jié)合指導(dǎo)教師的幫助，可深入查閱科技論文、專利等資料，培養(yǎng)學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新能力。

2.3.4 課程群與競賽互相促進(jìn)競賽的開展，使學(xué)生將理論知識運用到實際設(shè)計中，把各門課程中眾多孤立的知識點連成一個整體，加深了學(xué)生對理論知識的理解，構(gòu)筑課程群知識網(wǎng)絡(luò)。相應(yīng)地，教師將競賽項目及競賽過程中暴露的問題進(jìn)行匯總整理，并融入理論課程和實驗課程的講授中，就能夠優(yōu)化教學(xué)內(nèi)容，真正做到理論聯(lián)系實際。

3 存在問題與教學(xué)方法思考

3.1 存在問題雖然學(xué)生參與熱度較高，培養(yǎng)質(zhì)量也明顯得到提升，但仍存在如下問題：

（1）對仿真軟件不夠熟悉。參賽學(xué)生必須熟練掌握HFSS、ADS等電磁仿真軟件，但由于第一次接觸仿真軟件，加上使用時間較少，學(xué)生對一些元器件的參數(shù)特性都不知道如何提取，為后面的原理分析、仿真設(shè)計造成了困難。

（2）焊臺操作能力差。實踐中大部分學(xué)生的焊接操作能力不足，甚至部分學(xué)生第一次使用焊臺，導(dǎo)致大量錫焊接在電路板上，電路短路現(xiàn)象時有發(fā)生，特別是在焊接電感、電容、電阻時，尺寸較小，大部分學(xué)生都不能正確地、適當(dāng)?shù)睾附雍谩?/p>

（3）測量儀器使用不熟悉、不規(guī)范。雖在賽前進(jìn)行了儀器操作培訓(xùn)，也有一定接觸測試儀器的機(jī)會，但部分學(xué)生還是在操作電壓源、頻譜儀、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等儀器時，明顯表現(xiàn)出不熟悉，使用流程也不規(guī)范。其主要原因是，在團(tuán)隊分工下，測量儀器的掌握僅限于團(tuán)隊的某一人，而其他人就會完全不接觸測量儀器。

（4）電纜線連接操作不規(guī)范，經(jīng)常電纜線外殼已斷裂，學(xué)生還在繼續(xù)使用，不夠細(xì)心，缺乏動手能力。

3.2 改進(jìn)方法（1）線上教學(xué)資源建設(shè)。仿真教程編寫、課件制作和實驗視頻錄制，上傳至課程網(wǎng)站，供學(xué)生平時在線學(xué)習(xí)。線上教學(xué)主要講授學(xué)生如何使用HFSS、ADS等仿真軟件，讓學(xué)生獲得天線領(lǐng)域計算機(jī)輔助設(shè)計的能力。

（2）課堂教學(xué)優(yōu)化。在課堂教學(xué)及課后作業(yè)中，引導(dǎo)學(xué)生積極學(xué)習(xí)仿真設(shè)計。實驗課程中，進(jìn)行簡單的關(guān)鍵器件仿真設(shè)計。做得好的學(xué)生，可以資助他們加工天線樣品和關(guān)鍵電路樣品，并進(jìn)行測試和分析。只有經(jīng)過大量仿真和實物測試、分析等訓(xùn)練，學(xué)生才能獲得更優(yōu)異的成績。

（3）參考競賽題目，制作更為明確的培訓(xùn)資料和設(shè)計案例。從資料和案例明確指出與課程群專業(yè)課程的銜接關(guān)系，重點指出哪些章節(jié)、知識點內(nèi)容、儀器設(shè)備使用等參考資料的掌握可以基本完成此案例。

（4）增加科研成果服務(wù)競賽和教學(xué)，提高培養(yǎng)質(zhì)量〔12〕。以教學(xué)團(tuán)隊教師科研方向、內(nèi)容為主題，在課堂教學(xué)、實驗教學(xué)、競賽內(nèi)容、培訓(xùn)中引入一定的科研成果。

（5）對于大賽樣品較好的組，可以引導(dǎo)他們繼續(xù)進(jìn)行樣品改進(jìn)，更深入地進(jìn)行仿真、設(shè)計、加工測試等過程，最終形成學(xué)生的本科畢業(yè)論文。

4 結(jié)語

“課賽結(jié)合、以賽促課”的培養(yǎng)方式牽引著學(xué)生在動手能力、團(tuán)隊合作、分工精神等方面得到加強(qiáng)，也提供了一種課程知識點檢驗和能力施展的平臺。賽前需對競賽題目和內(nèi)容的擬定、競賽實驗材料與儀器、賽前培訓(xùn)及參考資料進(jìn)行規(guī)劃與建設(shè)。預(yù)賽、決賽中，根據(jù)培養(yǎng)目標(biāo)、競賽題目、提供的素材、不同層次的參賽學(xué)生等方面進(jìn)行綜合考慮，制定出相應(yīng)的評審標(biāo)準(zhǔn)，含系統(tǒng)評審標(biāo)準(zhǔn)和元件評審標(biāo)準(zhǔn)。通過一年的實踐證明，教學(xué)中引入課賽結(jié)合，能提高學(xué)生的動手能力、工程實踐能力、分析問題的能力、解決問題的能力，能助力通信工程、電子信息工程、電磁場與無線技術(shù)、電子科學(xué)與技術(shù)等專業(yè)創(chuàng)新性人才的培養(yǎng)。