微波電子線路課程的實驗教學改革與實踐

彭芳++吳軍++唐書娟++盧丁丁++馬健

摘 要 微波電子線路實驗教學是課堂教學不可或缺的補充和延伸。在深入分析該教學內容和課程特點的基礎上，依托射頻信息系統實驗室建設，本著虛實結合的組訓原則，通過擴展實驗室功能以改善教學實驗條件和改革實驗內容，以及引導學員開發教學輔助軟件攻克理論教學中的重難點內容等手段，有效提升學員的知識綜合應用能力和創新思維能力，為今后從事裝備維護保障打下堅實基礎。

關鍵詞 微波電子線路；實驗教學；實踐能力

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2015）02-0134-04

1 引言

微波電子線路是微波無源器件與有源器件的有機組合，廣泛應用于雷達、對抗、衛星通信等各種微波電子系統中，其研究內容是微波電子系統中各種功能模塊的原理及設計，包括微波信號的產生、放大、變頻和控制等，它們是微波發射機和接收機前端的核心組成部分[1]。該課程立足于微波電子線路的基本理論、基本概念和基本分析方法，具有理論性強、工程應用廣、與信息化武器裝備聯系緊密等特點[2]，因此，它是空軍工程大學電子類專業的一門重要專業基礎必修課，對學員掌握微波電子線路的基本理論、微波有源器件和微波電路的設計和使用等方面具有重要作用。

該課程的教學目標主要有兩方面：一是夯實學員在微波電子器件（半導體和電真空器件）和微波電路的工作原理、性能參數和分析方法等方面的理論基礎知識，為今后自主學習專業前沿知識提供有力的理論支撐；二是培養學員的實際動手和創新能力，主要體現為初步具備利用專用微波測量儀器測量相應模塊技術參數的能力，具備利用史密斯圓圖進行簡便設計和運用ADS等軟件對微波放大器和振蕩器進行設計的能力，以及能對機載設備的基本微波部件進行分析、測試和維護的能力。

由于該課程是以電磁場理論和微波技術為理論基礎，存在理論抽象難懂、公式推導多而復雜、技術難度高等特點，同時不斷涌現的新材料使得微波器件更新換代快，相應的教學內容更新也較快。這就要求微波電子線路課程的教學要與時俱進，在教學方法上不但要注重理論知識的賦予與接受，還要注重綜合能力的培養，以適應微波頻段電子裝備教學和維護工作的需要[2]。如何在有限的課時內，讓學員牢固掌握微波電子線路的理論知識，培養分析電路、設計電路的能力，為裝備維護實習和以后的裝備維護保障工作打牢基礎，是課題組需要緊密關注和思考的問題。

在軍隊院校本科生教育中，實驗教學在加深學員對理論知識的理解、逐步提高實踐動手能力、穩步提升其綜合構建能力、進一步強化學員的工程意識和裝備意識[3]等方面有著不可替代的作用。因此，積極建設相關實驗室，利用現代微波EDA軟件構建虛實結合的實驗環境，對于幫助學員理解抽象的理論知識，提高動手實踐能力及思維創新能力具有重要的現實意義。課題組通過對多年來課堂和實驗教學的經驗總結，在原有實驗條件和實驗科目的基礎上，從以下幾方面對實驗教學模塊進行了有力的探究與改革。

2 積極建設擴展實驗室功能

由于微波電路分布參數的不確定性造成微波器件及儀器的制造成本很高，結果導致微波類實驗室的建設經費很高，從而嚴重制約實驗室的建設水平。2008年，依托軍隊“2110工程”實驗室建設經費完成了射頻信息系統實驗室建設，購置了6套RF-2000射頻電路的教學訓練系統用于實踐教學。系統主要包含RF2000主機和15個微波器件模塊（如放大器、振蕩器、混頻器、功分器等），可以測量器件的S參數、輸出頻率及輸出功率等。盡管如此，實驗室仍處于實驗設備不足、微波電路仿真軟件功能不全、不能進行微波電路制作的境況，雖能勉強滿足課程所需的基礎實驗部分，但僅僅只能滿足演示性實驗，還有許多實驗環節無法實現，導致實驗教學長時間停留在驗證理論性階段，實驗內容較為陳舊。

為更好地解決實驗平臺承訓能力不足、現有微波模塊主要為集總參數電路等問題，必須對現有射頻信息系統實驗室進行擴建，從軟硬件著手進一步改善教學實驗條件。例如：通過購置多套分布參數電路，滿足學員對微波電路的感性認識；引進光刻機、購置微帶器件加工必需材料，實現微波電路的實際制作；完善ADS、Microwave Officer等微波設計軟件，使實驗室具備仿真設計、硬件制作、性能測試、數據處理等多種功能。

以上這些措施為學員提供了良好的實驗條件，克服以往只能在計算機上進行電路設計仿真的不足，完成“根據需求提出技術指標→計算機設計仿真，版圖繪制→電路（器件）制作→硬件測試→完善”的整個電路設計制作流程，實現具有設計性、自主性及綜合性實驗的實驗系統，加大實驗教學的開放程度和學員的自主實驗程度，從而起到提升學員動手能力和實踐能力的應有作用。

此外，還可利用與裝備緊密結合的雷達原理實驗室和某型機任務電子系統實驗室，開展基于微波電路的雷達發射接收系統的創新型及綜合型實驗。在裝備實驗、實訓中，引導學員將基本理論、基本分析方法應用于解決實際問題，在頭腦中建立起理論與實際的聯系，在邊學邊練中更深刻地領會所學理論知識，使學員實現由感性到理性的自然過渡，逐步提高學習能力和實踐技能，從而提升其發現問題、分析問題和解決問題的能力。

3 基于計算機軟件技術的教學輔助軟件開發

微波電子線路的主要特點在于工作頻率高，電路為基于傳輸線組成的分布參數電路，不僅涉及各種有源器件，且分布參數電路的分析和設計比集總參數電路要困難得多，專業理論內容抽象，公式推導過程復雜，且理論與工程實踐容易脫節，學員對學好基本理論、基本電路的分析和設計方法等內容有較大的難度。為解決以上問題，課程組通過深入分析半導體器件和電真空器件的不同工作原理，引導學員有針對性地開發教學輔助軟件，以達到提升動手實踐能力和打牢理論基礎的目的。

開發微波固態電路教學輔助軟件，掌握模塊設計流程 在微波固態電路的理論教學中，教學一般按以下思路進行：介紹器件的工作原理→給出電路指標定義→引用公式推導結論→解析清楚物理概念→舉例說明設計過程→強調電路設計要領。因此，在課堂教學中對相關模塊進行設計是學員需要掌握的重要知識點。endprint

例如，在學習微波晶體管放大器模塊時，通常在介紹相關器件以及模塊的增益和穩定性、噪聲系數等性能指標后開始學習設計。一個單端微波晶體管放大器的基本結構由有源器件、輸入和輸出匹配網絡組成，輸入匹配網絡用來實現微波晶體管的輸入端口與信源之間的匹配，輸出匹配網絡用來完成微波晶體管的輸出端口與負載之間的匹配，輸入和輸出匹配網絡的設計是微波晶體管放大器設計的重要環節，因為在阻抗失配時傳輸大功率易導致器件擊穿，其反射波也會使信號源工作不穩定，甚至不能正常工作。

要按照一定的指標要求完成阻抗匹配，可借助圖解法和計算機輔助設計法（CAD）實現。圖解法是利用史密斯圓圖進行數值計算，其優點是概念清楚、簡單、直觀，是窄帶放大器設計常用方法之一，適用于課堂教學；缺點是計算精度較低。CAD法是利用建立的數學模型，將設計、計算、優化、誤差分析全交給計算機完成，其優點是設計精度高，設計速度快，在寬帶放大器的設計中具有極大的優越性，適用于實驗教學。因此，利用史密斯圓圖進行簡單設計是課堂教學中需要掌握的重點內容，即在一定的設計準則或一定的指標要求下，如何利用史密斯圓圖來設計輸入和輸出匹配網絡，并用合適的微波電路去實現？

在課堂講授時，由于設計準則有多種選擇，如單向化條件和雙向化條件下的最大增益準則、最小噪聲系數準則等，不同的準則下參數取值不一樣，匹配網絡的結構也不一樣。另外還有學員對史密斯圓圖用得不熟練，往往反應較慢，聽得迷迷糊糊，似懂非懂。為了幫助學員掌握從指標要求→電路實現的整個設計流程，理清設計思路，打牢理論基礎，教員課后布置了開發教學輔助小軟件的任務，將教材中一個具體案例的設計過程用軟件（VB語言）實現，即：已知微波雙極晶體管的工作頻率為1.3 GHz時，在50 Ω測量系統中已測得其網絡參量（S參量）和噪聲參量，假設信源和負載阻抗均為50 Ω的純電阻，要求用史密斯圓圖按單向化低噪聲準則設計一單級微波晶體管放大器，并設定輸入匹配網絡采用終端開路的Γ型并聯支節微帶線，輸出匹配網絡采用終端短路的反Γ型并聯支節微帶線。軟件要求界面友好，并包含以下功能：能用已知S參量進行穩定性的判別，按照一定的設計準則確定等效信源反射系數和負載反射系數，輸入兩參數后利用史密斯圓圖能自動獲取并聯微帶電路的主線和支節線的電長度，將關鍵設計步驟形象化地展示出來。

圖1是根據已知的網絡S參量，利用微波晶體管放大器絕對穩定的充要條件來檢驗微波晶體管的穩定性。然后根據單向化低噪聲設計準則，選取合適的信源反射系數和負載反射系數，利用史密斯圓圖確定匹配網絡的結構（主線電長度和支節線電長度）。如在設計輸入匹配網絡時，軟件運行的具體步驟為：第一步，從Γsop沿等反射系數圓向負載方向旋轉，畫出等電導圓；第二步，從兩個交點中選擇線長較短的點進行設計，自動輸出主線的歸一化長度；第三步，過該點的等電納線與圓周相交于B點，從B點沿等反射系數單位圓向負載方向旋轉到終端開路點，輸出支節線的歸一化長度。圖2和圖3分別給出了輸入和輸出匹配網絡的設計步驟。

雖然軟件開發僅對一種設計準則下特定的微波電路結構進行了設計與實現，其功能比較有限，沒有考慮更多更復雜的因素（如潛在不穩定條件、最大增益準則、雙向化條件的設計等），但是通過這種方式不僅豐富了多樣化的教學手段，提高了學員的學習興趣，加深了對阻抗匹配概念及其重要性的認識，而且促進其對窄帶放大器中單向化低噪聲設計方法和流程的理解與掌握，為后面實驗教學中用專業微波軟件進行復雜電路的設計打下良好的基礎。而且該課件作為一種教學資源，還可繼續用于后續專業的課堂教學中。

開發微波電真空器件教學輔助軟件，深入剖析工作原理 隨著微波半導體工藝水平的迅速發展，半導體器件在中小功率方面正逐步取代微波電子管。但是微波電子管在大功率、高頻率、高效率、抗輻射和抗干擾方面的優勢仍是微波半導體器件無法取代的，真空電子器件仍是雷達、電子戰等現代信息化武器裝備的心臟，大功率微波振蕩和放大必須依靠如行波管、速調管、磁控管等微波電真空器件來實現。這些工作在微波波段的電子管其工作原理與微波半導體器件完全不同，均是基于動態控制理論的基本思想，即采用電子與波互作用原理，不再直接調制陰極發射電子流的密度，而是通過調制電子流的速度，再利用電子渡越時間把速度調制轉換成密度調制，從而完成直流能量向微波能量的轉換。不同的器件其速度調制、密度調制和能量交換的三大過程也不盡相同。在課堂教學中，如何把這些抽象的概念和過程給學員表述清楚是需要解決的一大問題。

為了讓學員更好地掌握這類器件的基本結構、工作原理和主要特性，針對微波電子管基本理論中的一些重、難點內容，開發相應的教學輔助軟件，如用Flash軟件制作雙腔速調管的電子運動時-空圖的動畫，將不同時刻進入漂移空間電子流的運動軌跡進行形象演示，幫助深刻理解時-空圖的物理含義，掌握電子群聚和密度調制等抽象概念。而學員在動畫制作前也要把相關理論融會貫通，通過該種方式可以把理論學習和動手實踐巧妙地結合起來。對于相似的教學內容，如行波管中電子流與行波場的變化情況、反射速調管中電子流返回諧振腔的運動軌跡等較難的知識點，都可以用動畫展示，在改善教學效果的同時也可積累更多素材。

通過近年來日常教學工作的摸索發現，對微波電子線路中不同模塊的理論教學開展相應實踐動手能力的培養，其切入點也應有所不同和側重，只有有的放矢才能達到理想的教學效果。微波電子線路是一門實踐性很強的課程，從以上的實踐活動可以看出，通過學員的小制作和參與科技創新等活動，可以提升其創新能力，在教學模式改革中也將實現由僅重視課堂教學向課堂教學和實踐教學相結合轉變。

4 改革實驗教學內容

明確實驗設計的指導思想 微波電子線路課程實驗教學作為教學過程的重要環節，是課堂教學不可或缺的補充和延伸，對于幫助學員更好地理解復雜抽象的微波電路原理，提升學員創新能力具有重要的現實意義[7]。依據空軍工程大學制訂的新版人才培養方案，本門課程的實驗教學將擴展為12學時，其中課內課外各6學時。學時的改變以及課內實驗學時的縮減，更加要求所開設的實驗體現以人為本、因材施教的教學特點，開展各層次、多樣化的實驗項目，要涵蓋各類模塊的驗證性、設計性、創新性和綜合性實驗，以契合學生由淺入深、階梯性不斷深入的學習特點。通過實驗教學達到增強學員動手能力、創新思維能力和綜合能力培養的目的。endprint

定位實驗開設的基本功能 學員在完成精心設計的各類實驗時，能加深對電路中各模塊理論知識的理解；能熟練操作和使用微波信號源、波導測量系統、頻譜儀、微波矢量網絡分析儀等專用儀器設備；為了解實驗模塊的基本特性，能正確完成單一實驗模塊、發射或接收系統整個實驗模組的實際參數測量；在學會ADS、Microwave Office等微波設計軟件的基礎上，能用其中一種仿真軟件實際設計一些常用的微波電路，完成這些電路的仿真實驗，找出影響這些電路性能的主要因素，并通過仿真進一步加深對微波電路和微波系統的認識；利用合適軟件和RF2000系統，能設計仿真整個信息傳輸系統的全過程。

合理設置實驗教學內容 依據目前人才培養的方向，課程組對微波電子線路實驗教學進行了詳細規劃和實踐改革。合理設置后的實驗教學內容按照實驗開設的功能定位，應包含演示性、驗證性、自主性、設計性和綜合性等各層次多類別的實驗項目。其中，開展演示性實驗和驗證性實驗的主要目的是培養學員的一般實驗技能，這是培養學員創新能力的基礎；而自主性、設計性和綜合性實驗對培養學員創新能力具有極其重要的作用，自主性和設計性實驗是創新能力培養的關鍵；綜合性實驗是培養學員創新能力的最終過程，其教學難度也最大，可以結合利用雷達原理實驗室和實際裝備，在學員已牢固掌握發射機、接收機等設計方法的基礎上，指導學員完善整個收發系統的優化組建和調試，實現對其綜合能力與素質的培養。

為更好發揮學員的主觀能動性，培養其創新能力，規劃創新性實驗的學時數必須達到一定的比例[5]（一般應不低于40%）。開設的實驗項目主要有：放大器的設計、制作與測試；振蕩器的設計、制作與測試；混頻器的設計、制作與測試；射頻前端發射機和接收機的設計、制作與測試；A/V信息傳輸系統的設計仿真；等等。

在以上實驗項目中，ADS等微波電路仿真軟件的使用方法屬于演示性實驗（課外自學）；混頻器參數測量屬于驗證性實驗；微波放大器等各類模塊的設計屬于自主性和設計性實驗；A/V信息傳輸系統的設計仿真屬于綜合性實驗。當然，一個實驗項目也可能兼顧了自主性、設計性和驗證性。如在微波電路的設計中，其具體實驗流程為：教師機根據實際需求提出微波電路的具體設計指標，而后通過教師機發送給學員所在的學員機，學員接收到指標后利用微波電路設計軟件進行微波電路設計仿真，完成后將設計方案發送給教師機供教員審閱，教員審核修改后將優化方案反饋給學員，學員利用實驗室提供的電路設計散件，使用電路板刻制機進行微波電路的制作，最后通過測試儀器對設計好的微波電路進行性能指標測試，并提交總結報告。這項實驗實際上考查了學員在理論學習、資料收集、仿真軟件使用、微波模塊制作及調試、優化設計和性能測試等多方面的綜合能力。

另外，在電路設計的實驗環節中，為更好地與工程應用接軌，可設定一定的需求背景，提出相應的設計指標。如設計一個二次雷達接收機系統的低噪聲放大器，采用某公司的某型號高線性HEMT放大器件，要求其增益指標為21 dB。學員通過課外自學ADS軟件，建立ADS模型進行設計、優化和調試，最終可得到滿足指標要求的電路結構。

同時，在實驗教學中還要注意培養學員在實驗素養和實驗技能兩方面的日常養成[3]。從儀器的日常維護到實驗報告最終完成的整個過程，一方面要重視培養學員積極的實驗態度、實事求是的科學精神和一絲不茍的科學修養；另一方面要使學員在多次實驗中扎實掌握實驗技巧和一般儀器的使用方法，這些經驗和技巧對學員以后從事裝備維護保障工作是極其重要的。

5 結語

微波電子線路具有應用廣泛、技術難度高、內容更新較快的特點，促使課程教學也要不斷地探索和研究，才能適應微波頻段電子裝備教學和工作的需要。課程組以轉變教學理念為先導，以課程的知識體系、教學內容和教學方法及手段作為建設與改革的重點和難點，在探索與實踐中正確處理基本概念、基本原理與內容更新的關系、扎實的理論與實踐能力強的關系、傳統教學方法與現代教育技術應用的關系以及內容擴張與學時減少的矛盾[6]。課程考核也由單一考查學員對理論知識的掌握，轉變為對理論知識以及相應的實踐能力兩方面的綜合考查。

實踐動手能力是裝備維護人員實現軍事裝備維護保養、檢測調試、故障排除等技能的基礎，對該項能力的培養也是實驗教學的根本目的。因此，在學習過程中強調物理概念、原理分析、重視知識能力和素質的協調發展之余，也注重實踐能力和創新能力的培養。平時通過學員的小制作和參與科技創新活動等情況來評估其創新能力，改善實驗條件多開展融設計型與驗證型實驗于一體的實驗項目，對學生開展綜合能力的培養。

通過以上途徑，有效地激發了學生的學習興趣，調動了其主動學習以及應用理論知識去分析和解決問題的積極性，在培養學生的知識綜合應用能力和創新能力方面取得實效。從教學效果來看，學員對微波電子線路的有關理論有了深入的認識，順利地從集總參數的低頻電子線路跨入分布參數的微波器件和微波電子線路的分析運用，實驗技巧和動手能力得到鍛煉與加強。

參考文獻

[1]徐寶強.微波電子線路[M].北京：國防工業出版社，

2006：8.

[2]姬憲法，王寧.微波電子線路課程教學設計[J].中國教育技術裝備，2012（30）：56-57.

[3]盧丁丁，向建軍，等.實驗教學中對學員“一種意識”和“三種能力”的培養[J].中國電力教育，2011（7）：140-141.

[4]雷振亞.微波電子線路[M].西安：西安電子科技大學出版社，2009：3.

[5]孔德昭，卞長弘.微波專業實驗教學的新舉措[J].實驗技術與管理，2007，24（10）：131-133.

[6]張寶書.軍隊院校教育學[M].北京：軍事科學出版社，

2006.

[7]宋永臣，楊明軍，劉衛國，等.本科生專業實驗教學研究探討[J].實驗室研究與探索，2014，33（2）：161-165.endprint