微波技术实践教学的三维设计方案

王亚飞，杨曙辉，李学华

(北京信息科技大学 信息与通信工程学院，北京 100101)

微波技术实践教学的三维设计方案

王亚飞，杨曙辉，李学华

(北京信息科技大学 信息与通信工程学院，北京 100101)

微波技术是通信工程专业一门重要的专业基础课。在教学中，构建课内实验、课外开放实验和课程设计的三维实践教学方案，有利于高素质应用型人才和卓越工程师的培养。特别是把传统的微波测量线系统、现代化的微波测量设备、先进的微波工程仿真软件和其他的编程软件结合起来应用到微波技术实践体系的构建中，提高了学生的工程实践能力，使其综合素质与人才市场需求接轨。

微波技术；实践教学；矢量网络分析仪；Smith圆图

为培养学生的动手能力，提高学生的就业能力，使学生的综合素质和人才市场需要接轨，各高校都重视学生实践能力的培养[1-4]，并增加了实验、实践类课程的设置。微波技术是通信工程专业一门重要的专业基础课。近些年，随着科学的发展，微波技术得到了广泛的应用，尤其是在通信行业，如微波卫星通信、微波散射通信、模拟微波通信和数字微波通信等[5]。微波技术的广泛应用也带动了就业市场的需求。

由于微波技术领域的特殊性，社会上招聘微波工程师和射频工程师的岗位都要求应聘者具有丰富的实践经验，能够熟练使用微波设计与仿真软件进行仿真优化设计，能够熟练使用常规的射频及微波仪器设备等[6]。为了应对人才市场的需求，许多高校都开设了微波技术实验、实践项目以培养学生的实践能力，主要是通过一些课内实验来锻炼学生的实践能力。比如，利用微波仿真软件(Advanced Design System，High Frequency Structure Simulator以及Microwave Office等)来进行基础验证型实验和创新设计型实验，或者利用传统的微波测量线装置进行验证型实验，或者利用矢量网络分析仪进行微波器件的测量和测试等实验[6-9]。这些实验项目的出发点不同，但都培养了学生对微波技术的理解和掌握能力，也锻炼了学生的实践能力。存在不足的地方是，由于微波技术课程的难度相对较大，对一些基本概念和原理需要真正的理解和实践才能掌握。因此，仅有课内的实验还不够，需要加大实验、实践的力度。

北京信息科技大学的人才培养目标是培养高素质应用型人才，通信工程专业又是教育部“卓越工程师教育培养计划”专业，如果仅有课内的实验项目，显然不能较好地实现培养目标。为此，我们设计了三维实践教学方案以促进人才培养目标的实现，所设计的微波技术实践教学方案如图1所示。通过课内实验、课外开放实验和课程设计三个维度来培养学生的基本能力、扩展能力和应用能力。三维实践教学方案能使学生的综合能力得到提高，与实际的人才市场需求相接轨。三维微波技术实践教学方案具体包括：(1)微波技术课内实验。这一部分实验利用微波测量线装置、矢量网络分析仪、频谱分析仪、微波矢量信号源等设备进行验证性和综合性实验。(2)微波技术课外实验。这一部分实验利用先进设计系统(advanced design system，ADS)软件和矢量网络分析仪等进行微波器件的设计、制作和测量等。(3)微波技术课程设计。这一部分是利用Visual C++，Visual Basic或者Matlab等进行Smith圆图软件的设计和制作。该三维实践教学方案包括了软件、硬件以及仪器设备的使用等内容，有效地训练了学生对微波技术的掌握，做到了理论验证和实际应用的连贯性。

图1 微波技术实践教学的三维设计方案

1 微波技术课内实验

微波技术课内实验主要包括两类：(1)基于传统的测量线装置进行驻波比、波导的波长等参数的测量和验证；(2)利用现代仪器设备进行负载阻抗、微波器件的S参数测量等综合性实验。这两部分实验主要是使学生理解和掌握微波技术基本原理，通过实验现象掌握微波技术中的重点内容，特别是通过对仪器设备的操作和使用，增强学生的动手和实践能力。

1.1 基于测量线装置的实验

测量线是测量微波传输系统中电场强弱和分布的精密仪器。对这部分实验，我们选用北京大华无线电仪器厂的DH406A0微波参数实验系统。利用测量线装置、微波信号源以及选频放大器等可以测量负载的驻波比。如图2所示，通过测量线装置，根据选频放大器的读数可以确定被测负载的驻波比，被测负载可以是匹配负载，也可以是失配负载。把图2中的被测负载换成可变电抗模块，可以测量波导的波长。测量线装置能把微波技术中的一些参数直观地展现在学生面前，让学生看得见、摸得着，特别是对微波器件的认识将丰富学生对微波技术的宏观认识和理解。

图2 微波参数实验系统

1.2 基于矢量网络分析仪等设备的实验

微波技术的发展离不开现代化的仪器设备，只有精密的测量设备才能了解微波器件的性能参数。为此，我们设置了基于矢量网络分析仪、频谱分析仪等设备的实验项目，包括测量微波带通滤波器的传输响应、测量二端口器件的S参数以及校准微波信号源等，图3为测量微波带通滤波器的S参数实验，图4为利用频谱分析仪校准微波信号源。

图3 利用矢量网络分析仪进行S参数测量

图4 利用频谱分析仪校准微波信号源

这些实验项目可以提高学生对现代微波测量仪器的认识，使他们熟悉矢量网络分析仪，更重要的是能正确使用矢量网络分析仪的基本功能，掌握用矢量网络分析仪进行二端口微波器件S参数测量的一般方法，锻炼学生的动手能力。

2 微波技术课外开放实验

课内实验作为课程整体的有机部分，发挥了不可替代的作用，但课内实验受学时数、难度等因素的限制，还不能很好地满足“卓越工程师”培养的需要。这就需要通过课外实验来补充。当今的微波工程师和射频工程师一般要利用已有的参考资料和强大的电子设计自动化工具来制作高效的电路，还必须有实践经验才能完成。根据这一特点并结合微波技术课程的内容，我们设置了课外开放实验。课外开放实验可以吸引对微波真正有兴趣的同学参与进来，扩展他们的视野并真正提升他们的能力。课外开放实验项目由教师提出申请，学校批准后并提供经费支持。课外开放实验的题目每年会根据具体情况进行调整。2013年设置的课外开放实验题目有：(1)发夹型微波滤波器的设计与制作；(2)平行耦合线微波滤波器的设计与制作。学生根据自己的兴趣选择题目进行实验，2～5名学生一组，相同题目不同组的指标参数不同，最终通过实物指标与设计指标的对比来考核学生，考核通过的学生由教务部门认定可以获得创新学分。

课外开放实验题目的实施过程为：(1)教师和学院公布本年度已批准的开放实验题目，学生自由组合申请并确定题目；(2)题目确定后，教师给定微波滤波器的设计指标；(3)学生按照进度安排，利用ADS软件自行设计微波滤波器的结构，并制作滤波器电路；(4)学生利用矢量网络分析仪测试制作好的滤波器，根据设计指标进行优化设计，以达到指标要求；(5)学生提交实验总结报告和实物，学院和学校进行审核，确定成绩。课外开放实验项目要求学生制作微波器件，需要经过仿真、制作、测量等流程。开放实验项目考核了微波滤波器的各项指标，对理解和掌握微波器件原理起到了很大的作用。对于学生来说，自行设计制作一个微波滤波器难度不小，这需要对设计软件和设计指标的熟悉，更需要熟练掌握测试设备的使用方法等。对于本科生来说，这些工作都是难点，但一旦掌握，又都是亮点。学生设计制作的发夹型微带滤波器如图5所示。

3 微波技术课程设计

有了课内实验和课外实验的组合，应该说基本锻炼和培养了学生的实践能力，若要进一步提升学生的素质，特别是要提高他们对理论的严谨程度和掌握程度，锻炼他们的综合能力，那么就需要设置相应的课程设计。目前，设置微波技术课程设计的高校很少。北京信息科技大学通信工程专业为了突出学生在射频和微波领域的能力，特设置了微波技术课程设计，给学生充足的时间去完成一个完整的项目，有效训练学生的设计能力和综合能力。

图5 学生制作的发夹型微带滤波器

Smith圆图是微波技术课程的重要内容，也是学生掌握微波技术的工具。1939年，菲利普·史密斯在贝尔实验室发明了Smith圆图，主要用于计算微波网络的阻抗、导纳及网络阻抗匹配设计等，还可用于设计微波元器件等。因此，微波技术课程设计的内容就是要求学生自行选择工具设计Smith圆图软件，要求Smith圆图软件正确可用、界面美观等。通过Smith圆图软件形象的演示可以深刻理解圆图的应用，基于对Smith圆图构成的基本原理和应用问题的分析，利用现代计算机技术可以解决圆图计算精度等问题，设计的Smith圆图软件既保留了圆图计算直观、便捷的大众性，又可以满足工程设计中相关参数的计算精度[10]。可以预见，制作Smith圆图软件将极大地锻炼学生解决问题的能力。

图6为微波技术课程设计中学生利用Matlab所设计的Smith圆图软件。

图6 学生利用Matlab设计的Smith圆图软件截图

Smith圆图软件能够形象准确地表征圆图中阻抗、导纳、反射系数以及相位角、波长等参数；具有查询、取点和计算等基本功能。除微波技术外，该课程设计涉及的课程有计算机高级语言编程(Matlab，Visual C++，Visual Basic等)[11]、电磁场与电磁波、多媒体技术等。通过具体的软件编程和多媒体制作，进一步加深了学生对微波技术的理解和掌握，提高了他们的设计能力以及解决实际问题的综合能力。

4 结束语

微波技术实践教学的三维设计方案注意到了微波技术课程的特点，既重理论又重实践，做到了理论验证和实际应用的全面性，有利于学生全面掌握微波技术并提高自身的工程实践能力。同时，在学校通信工程专业实施“卓越工程师教育培养计划”中，物联网是三个培养方向中的一个，其中的射频电路设计和射频识别技术等课程就需要学生有较好的微波技术基础。因此，微波技术实践教学的地位将更加突出，三维微波技术实践教学方案也将为“卓越工程师教育培养计划”的实施奠定良好的基础。

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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

北京高等学校青年英才计划基金资助项目(YET P1497)；北京信息科技大学2012年度教学改革基金资助项目(2012JGYB18)。

王亚飞(1981-)，男，博士，实验师，研究方向：通信工程专业实践教学，信号完整性等。

G642

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.04.022