专业基础课的起承转合——以“微波技术”课程为例

全绍辉

(北京航空航天大学 电子信息工程学院， 北京 100083)

专业基础课的起承转合
——以“微波技术”课程为例

全绍辉

(北京航空航天大学 电子信息工程学院， 北京 100083)

完整的专业基础课教学应包括起、承、转、合四要素。对“微波技术”课程而言，“起”是开篇或引论，指通过说明课程名称含义、发展历史及与其他课程关系，引出本课程将要学习的特色内容。“承”是继承和发展，指在先修课基础上，对课程主题进行分层次的阐述和讲解。“转”是转折或转换，指对后续课程和相关内容的学习展望和说明。“合”是结果或结论，指从系统、整体的观点梳理和总结课程的学习要点和主要结论。

起承转合；微波技术；电磁场与电磁波

0 引言

专业基础课兼具专业课和基础课特点。学生在专业基础课阶段开始进入一个全新学习领域，即专业基础课应该保证学生可以学习到具有足够深度和特色的专业概念和基本原理。同时，专业基础课又需提供具有足够广度的学科知识储备，为学生后续学习各门专业课打下基础[1]。

专业基础课不应该孤立存在于课程体系中。我们认为完整的专业基础课教学设计应该包括四要素：起、承、转、合。“起”是开篇或引论，需要以自然、合理的方式将本专业基础课内容导入，明确其与先修课的关系，引出课程特色内容。“承”是继承和发展，在此过程中，应在先修课基础上，阐明本课程需要重点学习的主题。“转”是转折或转换，指在课程结束阶段应该引出与本课程相关的后续课程。“合”是结果或结论，是对本课程的学习内容进行总结。

从定位看，其中，“承”是课程的主体，“合”是课程的概括，两者使课程教学自洽完整，构成课程的内涵。而“起”联系先修课程，“转”引出后续课程，两者使课程教学融入整体学科和专业课程体系，构成其中的有效一环而不是成为课程孤岛。

电磁场与微波技术是电子科学与技术一级学科下的二级学科。在本科阶段，支撑该学科的专业基础课主要有两门，一门是“电磁场与电磁波”，有的高校以“电磁场理论”命名；一门是“微波技术”，有的学校则补充部分天线基础内容，以“微波技术与天线”命名。与其他电子信息类专业基础课相比，电磁场微波领域的知识抽象难懂。如果教学不当，学生不容易理解这些基础课程在电子信息类专业中的定位和重要性，也不清楚学科专业发展的背景和前途是什么。因而在“微波技术”课程教学中建立有效的起承转合关系十分重要。

1 “起”

作为开篇或引论的“起”会使学生对专业基础课的内容形成第一印象，对其后续学习有很大影响。对“微波技术”课程而言，我们认为在“起”的过程中需要重点说明以下三方面问题。

1.1 微波技术含义

对一门专业基础课的学习，首先要理解课程名称的含义。对“微波技术”课程，首先要理解微波和微波技术的含义是什么。

对微波的概念，我们总结成如下几点：①微波的“波”是指其为电磁波，因而所有电磁波的性质微波都具备。②微波的“微”是指其波长小，这种小是相对自然空间的波长而言的。③通常规定微波的频率是300 MHz到3000 GHz；对应的自由空间波长是1米到0.1毫米。

对微波技术，分为广义和狭义两种：①广义的微波技术是指包括任何与微波频率电磁波有关的技术。②狭义的微波技术主要考虑微波传输问题，一般作为电子信息工程、通信工程、电磁场与无线技术等专业的本科阶段微波技术课所要学习的内容，是研究其他微波技术问题的基础。

1.2 微波技术发展历史

课程发展历史会引起学生的浓厚兴趣，而且了解这些历史传承对学习一门专业基础课的起步也是非常必要的。

根据文献资料并结合我们自己的理解[2-3]，以二次世界大战(1939年-1945年)美国辐射实验室存在时间(1940年-1945年)和摩托罗拉公司发明世界上第一台移动电话的时间点(1973年)为参考，把微波技术发展历史分为四个阶段(如图1所示)：

图1 微波技术发展历史

第一阶段：二次世界大战中的辐射实验室成立以前，属于实验室的理论研究和实验验证阶段。

第二阶段：二次世界大战期间，以美国辐射实验室为依托，以雷达技术需求为牵引，主要面向军事应用领域，微波技术进入快速发展应用阶段。

第三阶段：二次世界大战之后到70年代，属于微波技术的广泛应用阶段。

第四阶段：从70年代以后，随着世界上第一台移动电话出现，进入以民用通信技术为标志的新的发展阶段。1991年，第一台国产“大哥大”诞生。

军用雷达技术和民用通信技术代表着微波技术发展的两个高峰，是微波技术应用的两类重要领域。在这些领域里，涌现出的一大批射频工程师、微波工程师、天线工程师队伍，均要依托电磁场与微波技术学科培养，而“微波技术”是从事这些职业的入门课程。

1.3 微波技术与其他课程的关系

一门专业基础课不可能凭空产生，必然与课程体系中的一些先修课及后续课有若干联系。教师应该在课程开始就对学生讲清这种联系并以此说明学习该课程的重要性。

从理论和研究方法上来说，电子信息类专业基础课和专业课可以分为三类：路、场和系统，对应的主要专业基础课分别是“电路分析”、“电磁场与电磁波”、“信号与系统”。上述三门课为“微波技术”的先修课。

“微波技术”课程对此三门先修课均有补充[4]：“电路分析”课重点研究集总参数电路的模型、理论和方法，而微波技术课则补充研究分布参数电路模型、理论和方法。“电磁场与电磁波”课主要研究在无界和半无界媒质中传输的均匀平面电磁波，而“微波技术”课则研究经传输线或波导所导行的非均匀平面电磁波。“信号与系统”是从数学变换的角度分析电磁信号，而“微波技术”是从物理场的角度分析电磁信号。

在“微波技术”课程中，通常只学习微波无源电路的知识，研究对象主要涉及微波传输线、波导和微波元件。如图2所示，对电磁场与微波技术学科，在“微波技术”课之后，还要继续学习“天线”、“散射”、“微波电子线路”等方面的电磁场与微波技术专业课。

图2 微波技术的先修课和后续课

2 “承”

“承”意味着在先修课基础上的继承和发展，是课程学习的主体。表1列出“微波技术”课程主要章节内容，并通过与先修课关系对照，说明本课程内容的继承发展关系[2]。

在“微波技术”课中，我们删除了部分较复杂的传输线类型的教学，如脊波导、鳍线、介质波导等，并将微带传输线的内容全部整理作为《微波技术基础》一书的第六章[2]。将这些内容去掉并不影响对微波技术基础理论的学习。这些传输线均可以认为是从一些简单传输线变形而来，故可把它们作为面向实际工程应用的选学材料。鼓励学生在掌握基础理论的前提下，发挥自身积极性和主动性，通过电磁微波软件仿真计算等实践环节学习，为在实际中解决更复杂的科研和工程问题形成过渡。

3 “转”

“转”是指事件结果的转折，学完“微波技术”课后，还要向学生说明此后需要学习哪些课程和专业知识。

电磁场与微波技术学科发展至今，已经产生出多个细分领域。从研究方向来看，可包括微波电路与系统、天线技术、隐身技术、微波遥感、电磁兼容等。从工作机理和用途分，可包括：微波产生、微波传输、微波放大及滤波、微波调制和解调、微波发射和接收等。由此也产生了一系列电磁场与微波技术的相关课程。

表1：“微波技术”课主要内容

如图3所示，以无线系统为参考，根据其分层原理，可以将电磁场与微波技术共性基础问题分为三大类：①发射天线和接收天线之间，在近似无界空间中的电磁波传播问题；②构成发射机和接收机的电路与系统中的电磁波传播问题；③发射和接收天线上的电磁波传播、转换、辐射问题[5]。

图3 无线系统中的电磁波

在电磁场与微波技术学科课程体系中，可以用三门相对独立的课程学习上述三类知识，它们分别为：“电磁场与电磁波”、“微波技术”、“天线”。然而，由于学时的限制以及知识完整性的需要，在电子信息类专业本科阶段，这三方面知识通常又合并为两门或一门课程进行教学。

“微波技术”课程重点学习电路与系统中的电磁波，特别是射频和微波电路与系统中的电磁波。以图3所示无线系统的发射端为例(接收天线与发射天线具有互易性)，天线接在射频单元传输线的终端，很多情况下可以由传输线延伸扩展得到。例如：平行双导线终端延伸扩展可以形成振子天线，同轴线内导体延伸扩展可构成单极天线，矩形波导延伸扩展可形成方喇叭天线，圆波导延伸扩展可形成圆喇叭天线，微带线延伸扩展可形成微带天线，等等。

根据图3，对发射系统而言，天线可视为射频传输线终端的等效“负载”；对接收系统而言，天线可视为射频传输线始端的等效“波源”；天线将电路与系统中的电磁波转换为近似无界空间中的电磁波。如果将近似无界空间也视为广义的传输线，则对这一传输线系统而言，发射天线又可视为始端等效“波源”，接收天线又可视为终端等效“负载”。负载和波源与传输线的连接存在阻抗匹配问题，而这一问题正是微波技术传输线理论学习的核心。因此，在微波技术基础之后，学生可以从场路结合的角度，学习一些天线基础知识。

4 “合”

在“合”的部分，需要用简明、清晰的方式概括总结整个课程内容。

对“微波技术”课程来说，主要学习对象是各类传输线、波导以及由它们组合连接构成的微波元件。对波导或传输线，可以将其特征分为纵向和横向。研究其纵向特征，主要应用传输线理论；研究其横向特征，主要应用波导理论；对微波元件，可以在此基础上将其等效为微波网络。

各种各样的微波传输线实际有两种典型代表，即平行双导线和矩形波导，如图4、图5所示。前者代表双导体类型的传输线，后者代表单导体类型的传输线，其他双导体和单导体传输线都可以看作是这两种传输线演变而来。例如，平行双导线可以变形演变为同轴线、微带线、带状线等，矩形波导可以变形演变为圆波导、椭圆波导等。

图4 平行双导线 图5 矩形波导

波导或传输线的纵向指沿其导引电磁功率传播的轴线方向，在简化分析时通常假设为无限长，电磁波为行波状态，用传播因子e∓γz来表示，表示向+z或-z方向传播。纵向波的衰减和相移特征由传播常数γ描述，其他参数如衰减常数α、相位常数β、相速度vp、相波长λp、群速度vg都可以由γ导出。根据传输线理论，在实际工作状态下，沿纵向可能存在行波、驻波、行驻波三种状态。行波状态即为阻抗匹配状态，行驻波状态即为阻抗失配状态。通过加入阻抗匹配器，可以将行驻波状态转换为行波状态。

波导或传输线横向波的特征由具体传输线或波导的边界条件确定。在横截面，从场的角度看，根据波导理论，不同的边界条件可以支撑不同结构的横向电磁场结构，从而产生不同的电磁场模式，即边界条件起到对波导模式的“筛选”作用。例如，已知横电磁(TEM)波横向电场和磁场满足静态场方程，可推出图4所示的双导体传输线可以传播TEM模式。这是因为从电场看，在横截面两根导体存在电势差，可以存在从一根导体指向另一根导体的横向静态电场；从磁场看，两根导体存在方向相反的电流，可以存在环绕每根导体的非零横向静态磁场。而对图5所示的单根空心导体管内部，由于导体是等位体且内部空间不存在载流导体，根据麦克斯韦方程，不可能存在非零的横向静态电场和磁场，因而也不能导通TEM波。

在横截面，从电路特征来看，根据传输线理论，特性阻抗Z0是描述横向波特征的一个重要参量。不同类型传输线的横截面边界条件不同，媒质不同，传播的模式不同，对应的特性阻抗Z0也不同。Z0与纵向传输线长度无关，但反映了沿纵向传播的导行电磁波匹配、反射的特征。

各种微波传输线组合连接在一起，形成微波系统中的不均匀区，即为微波元件，通常用微波结来表示，如图6所示。微波元件与外界功率的交换只能通过各端口传输线的各种电磁波模式进行。微波等效电路原理的基本思想是：在只考虑端口传输线的纵向波特征时，例如只考虑纵向波的传输功率时，则以图5矩形波导为例的各种波导所传输的电磁波模式都可以用图4所示的双导线模型来表示。

通过波导模式的横向电场和横向磁场，利用传输功率相等原则，可以建立等效双导线的线间等效电压和线上等效电流，从而应用传输线理论去研究波导模式的纵向波传播、反射问题。将图6所示微波结所有端口传输线电磁波模式都用上述等效双导线模型表示，即得到图7所示的微波网络模型[2]。表征各端口等效电压、等效电流之间关系的参量，即为微波网络参量。微波网络的特征可以用各种网络参量来表示，其中最具微波特色的网络参量是散射参量。

图6 微波元件对应的微波结 图7 微波结等效的微波网络

5 结语

起、承、转、合关系是一门专业基础课教学的四要素。“微波技术”作为电磁场与微波技术学科的重要专业基础课，正确地理解其起承转合关系有助于学生对学科整体课程和知识的学习掌握，防止学科知识碎片化。本文给出了“微波技术”课起承转合关系的要点，可供教师和学生在讲授和学习“微波技术”以及“天线”等课程时参考。

[1] 俎云霄等，基于课程群的电子信息类专业基础课教学改革[J]，北京：现代教育技术，2010，20(S1)：34-36。

[2] 全绍辉，微波技术基础[M]，北京：高等教育出版社，2011年4月。

[3] 廖承恩，微波技术基础[M]，北京：国防工业出版社，1984年12月。

[4] 全绍辉，构建“微波技术”课网上教学和实验实践学堂[J]，北京：实验技术与管理，2012(12)：159-163。

[5] 全绍辉，无线通信系统电磁与微波技术教学的分层设计[J]，北京：现代教育技术，2012(12)：115-118。

Opening, Developing, Changing and Concluding of Specialized Basic Courses

QUAN Shao-hui

(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,BeihangUniversity,Beijing100083,China)

Teaching of a specialized basic course comprises four elements, which are the opening, the developing, the changing and the concluding. For Microwave Technology course, in the opening, the course′s meaning, history, and relation with other courses should be introduced. Consequently the unique contents of the course are deduced. In the developing, based on advanced placement courses, the main topics are presented gradually. In the changing, the follow-up courses and knowledge are reviewed and explained to some extent. In conclusion, the main points and conclusions of the course are reorganized systematically and completely.

opening,developing,changing and concluding; microwave technology; electromagnetic field and wave

2016-06-29;

2016-09- 23

北京航空航天大学校级重点教改项目(编号：201409)

全绍辉(1971-)，男，博士，副教授，主要从事电磁场与微波技术方向的教学和科研工作，E-mail: quanshao@buaa.edu.cn

G642.1，TN015

A

1008-0686(2017)03-0047-05