“射频测量技术”实训课程的探索与实践

2023-09-27皇甫江涛金晓峰

教育教学论坛 2023年23期

魏兵，皇甫江涛，金晓峰

（1.浙江大学工程师学院工程创新与训练中心，浙江杭州 310015；2.浙江大学信息与电子工程学院，浙江杭州 310058）

随着我国经济转型升级，各领域对应用型、复合型、创新型的工程科技人才需求不断增大。尤其是随着我国“中国制造2025”战略的提出与推进，新技术、新业态、新模式、新产业驱动的新经济发展对复合型工程科技人才培养提出了新要求，现有的专业学位研究生培养模式面临诸多挑战［1］，表现为专业学位研究生培养计划缺乏创新、实践教学环节少等。专业学位研究生培养方案往往沿用传统学术型研究生的培养模式，对培养学生实践能力、创新能力及职业技能的认识和重视程度明显不足［2］。在教学环节上，表现为教学理念陈旧、工程训练与产业脱节、工程教学边缘化等，缺少对学生独立思考能力和工程应用能力的培养。

射频测量技术是现代通信、雷达、电子对抗等系统设计与验证的重要手段，也是电子与通信专业学生必须掌握的核心工程技术［3］。为提高专业学位研究生的工程实践能力，培养造就大批电子通信与工程专业高端工程创新人才，浙江大学工程师学院联合是德科技、罗德与施瓦茨等公司开设了“射频测量技术”课程。课程以实践训练为主、课堂教学为辅，并引入行业内顶级专家讲授射频测量前沿技术及实际工程案例，注重加强研究生技术应用创新和工程专业实践训练。本文总结了“射频测量技术”课程教学的经验和方法，可为电子通信工程专业相关实训教学改革提供一定的参考。

一、教学目标

“射频测量技术”课程主要面向国家对信息技术领域工程技术创新人才的强大需求，开展射频测量技术的工程实训与创新实践能力的培养。课程内容围绕射频测试原理技术、系统测量误差与数据处理、射频元器件性能测量、射频T/R组件测量、射频模拟/数字高频高速传输系统测量等方面，主要培养学生以下四方面的工程实践能力。

1.射频测量通用仪器实验操作能力。包括频谱分析仪、信号源、示波器、矢量网络分析仪的规范使用与熟练操作等相关的实验操作能力，以及对射频测量仿真软件及综合测试平台软件的使用与开发能力。

2.射频测量工程技术与创新能力。针对射频测量技术工程应用需要，如无源器件测量、有源器件性能测量、射频源性能测量、射频T/R组件以及射频传输系统性能测量与系统评估等方面，开展创新实践与训练，培养满足射频测量工程技术与创新能力应用需求的人才。

3.测试信号处理、测试误差分析的能力。针对射频测量的工程需求，根据实际应用中的性能指标与具体要求，培养学生在测试信号处理、测量结果分析以及测试误差分析等方面的系统分析与评估能力。

4.射频测量综合系统创新实践能力。针对射频传输系统性能测量与系统评估等方面开展创新实践与训练，培养学生的射频测量工程技术与创新实践能力，锻炼与提升其综合系统问题解决能力。

二、实验设备组成

课程依托浙江大学工程师学院信息与微电子实验室提供的软硬件环境，软件方面主要利用专门应用于电子系统级仿真设计的SystemVue，硬件方面主要包括由矢量信号源、矢量网络分析仪、频谱分析仪组成的基础实验单元，同时实验室还具有40 GHz微波暗室用于天线及TR组件测试测量。

基于以上良好的实验设备条件，结合滤波器、低噪声放大器、隔离器、功率放大器、定向耦合器、锁相环、标准天线等模块，学生可以完成射频链路的搭建，并与软件仿真进行相互验证。通过软硬结合、理论仿真、实验验证与互相验证的方式，进一步深化学生对知识点的理解和掌握。

三、教学内容

围绕课程目标，本课程打造了多层次、递进式教学体系，教学内容涵盖了基础理论、射频测量关键技术、射频测量工程实践三个部分（见图1），对学生开展阶梯式射频测量工程能力培养，使学生全流程一站式学习测试、验证、综合系统开发与应用相关环节。

图1 课程内容架构

基础理论部分主要讲授射频测量相关的基本概念、仪器仪表原理与使用方法，以及测试测量的规范与流程。具体如下：（1）讲授与射频测试测量相关的基本概念和基本参数及含义；（2）介绍表征测试性能的相关参数的含义及计算方法，如线性度、重复性、精度、分辨率、误差、不确定度等；（3）讲授测试测量的六个流程：预测试、测试优化、测试校准、测量实施、测试数据分析、数据保存，使学生掌握测试的基本流程。射频测量的关键技术部分，主要围绕S参数测量、功率测量、频率测量、频谱测量、相位噪声测量中涉及的测试方案进行讲解。

实践是工程的基础［4］，也是本课程的核心组成部分。在实践训练环节，主要结合实际应用场景，开展综合案例实验训练，提高学生分析问题、解决问题能力与综合实践能力。实训环节涉及的主要实验包括以下几方面。

1.射频无源器件测量。该部分注重培养学生对射频无源器件特性的测试测量能力，主要实验环节包括：（1）测量滤波器S21参数，获得其传输特性，计算其1 dB带宽和3 dB边界频率点及工作带宽，得出滤波器10 dB 衰减的频点；（2）在滤波器1 dB 带宽内，测量通带内的幅度和相位特性；（3）测量功分器各个端口的S 参数，获取其传输特性，给出其有效工作的频率范围和两输出端口的驻波比值；（4）在功分器工作频带内，选取合适频带，测量并比较输出端口的幅度和相位特性；（5）判断定向耦合器输出端口、耦合端口，测量S21和S31，给出其有效工作的频率范围和两输出端口的驻波比值；（6）在定向耦合器工作频带内选取合适频带，比较输出端口和耦合端口的幅度与相位特性。

2.射频有源器件测量。围绕射频有源器件测量关键技术，主要针对放大器和混频器两类典型的射频器件开展测试，放大器部分主要测试其线性增益和有效工作频率范围，选定合适的频率点进行以下测量：（1）测量放大器的输入和输出1 dB压缩点，通过双音频输入信号测量并计算放大器的输入和输出三阶交调点。（2）测量放大器的噪声系数，计算放大器的动态范围及其在1 dB压缩点处的工作效率。在混频器测试环节，主要进行：（1）判断混频器是上/下变频，正确设置本振和信号，获得混频器的有效频率范围，使其可以正常工作。（2）对混频器的传输特性进行测量，获得变频增益值并对混频器各端口的驻波比进行测量。（3）对混频器各端口的隔离度进行测量，获得本振泄漏的测量值并对其混频输出的相位特性进行测量。

3.微波天线测量。在微波天线测量环节，主要引导学生熟悉天线测试流程、天线测试系统搭建及天线测试软件操作，并基于毫米波暗室对天线的辐射特性进行测量，得出辐射特性参数，包括增益、半功率波束宽带、前后比、交叉极化鉴别率及旁瓣抑制等。

4.矢量信号光纤-无线混合传输系统测量。搭建微波信号光纤-无线混合传输实验链路系统（见图2），引入放大器、滤波器、衰减器和收发天线构造完整的无线收发系统；测量微波信号光纤-无线混合传输实验链路系统的链路增益和噪声系数；调整衰减器和放大器参数，测量增益变化对系统增益、信噪比参数的影响；改变收发天线的极化方向和天线的距离，测量无线信道特性变化对系统链路增益、信噪比参数的影响。

通过以上实验，有效地提高了学生的动手实践能力，使学生切实掌握从器件测量到综合系统测量的射频测量技术，为后续射频工程系统开发奠定坚实的基础。

四、课程特色与创新

1.注重校企合作，协同创新，与行业企业共建课程，将产业新兴技术融入教学。引入行业顶尖专家报告与体系化的射频测试原理技术授课相结合（部分专家报告见表1）。相关讲座专家均来自产业一线，可将产业前沿及工程研发经验转化为课程教学，拓宽了学生的视野，加深了学生对实际工程开发的理解。

表1 行业专家报告汇总

2.注重实验训练与案例视频相结合。为便于学生课前预习及课后复习，同时加深学生对射频知识难点及复杂测量过程的理解，课程团队拍摄了大量仪器操作视频、实验教学视频、案例教学视频与专家报告视频。学生可以通过反复观看，掌握实验操作关键技术，激发了学生对射频测量实训的兴趣。

3.注重实践能力考核，采取基本理论考试与实践考核的方式对学生的掌握程度进行考核。通过现场综合实验的实验操作技能、实验报告撰写以及测试实验结果分析评估学生的专业知识与技能以及综合实践创新能力。

五、课程成效

课程自开设以来，一共推荐了3批学生参加行业认可的是德科技射频测量技能资质考试，目前已有多位学生通过该考试并取得是德科技颁发的射频测量技能资质考试合格证书。课程设计的案例教学视频“矢量信号光纤射频混合传输系统”入选中国专业学位教学案例中心—全国工程硕士专业学位研究生课程案例库。

为了广泛、全面、准确地了解射频测量课堂教学、专家讲座和实训教学等方面的信息，每年度通过问卷调查进行课程教学质量评价调查。根据三年来的调查结果，我们对比了几个比较关键的指标（具体结果见图3）。从学生的问卷调查反馈结果来看，随着课程配套措施的不断优化与落实，学生对课程的整体满意度不断提高；通过不断优化课程理论内容、实训内容及专家报告的比例，学生分析问题和解决问题的实际工程能力也不断提高，可有效帮助其解决实际工作中遇到的问题。根据问卷调查反馈，本课程在课程建设内容设计、教学方法改革、教学内容安排、实践环节比重、学科前沿性结合、考核方式与考核难度的设计等方面取得了大多数学生的认可，表明课程建设取得了较好的成效。