通信电子线路专业课程设计的教学探索

摘要：将工科学生的理论知识转化为实际应用能力，是各高等院校培养单位致力于实现的目标。在这样的背景下，北京工业大学信息学部为高年级本科生设置了专业课程设计的相关课程，提升学生的理论应用能力。在课程的具体安排中，设计了无人集群应急通信虚拟仿真实验，通过科学设定实验目标、实验器材及参数、具体实验实施过程，以达到预期的教学目标。在虚拟实验教学过程中遵循“虚实结合、开放共享、能实不虚”的教学理念，激发学生学习兴趣，培养学生创新精神和实践能力，成为更符合现代社会需要的工科人才。

关键词：专业课程设计虚拟仿真无人集群通信电磁场与电磁波

TeachingExplorationofCurriculumDesignforCommunicationandElectronicCircuitMajors

——TakingtheVirtualSimulationExperimentofUnmannedClusterEmergencyCommunicationasanExample

GAOJu

SchoolofInformationScienceandTechnology，BeijingUniversityofTechnology，Beijing，100124China

Abstract：Thegoalofvarioushighereducationinstitutionsistotransformthetheoreticalknowledgeofengineeringstudentsintopracticalapplicationabilities.Inthiscontext，InformationScienceDepartmentofBeijingUniversityofTechnologyhassetuprelevantcoursesonprofessionalcurriculum designforseniorundergraduatestudentstoenhancetheirtheoreticalapplicationabilities.Inthespecificarrangementofthecourse，avirtualsimulationexperimentforunmannedclusteremergencycommunicationwasdesigned.Byscientificallysettingexperimentalobjectives，equipmentandparameters，andimplementingspecificexperimentalprocesses，theexpectedteachingobjectiveswereachieved.Intheprocessofvirtualexperimentteaching，weadheretotheteachingphilosophyof"combiningvirtualandvirtuality，，opensharing，beingpracticalbutnotvirtual"，stimulatestudents'interestinlearning，cultivatetheirinnovativespiritandpracticalability，andbecomeengineeringtalentsthatbettermeettheneedsofmodernsociety.

KeyWords：Professionalcoursedesign;Virtualsimulation;Unmannedclustercommunication;Electromagneticfieldsandwaves

当前社会对复合型人才的需求增多，对学生的实践能力和实际操作能力也越来越重视[1-4]。对于工科专业的本科生来说，将所学的理论知识转化成具体实验的能力就显得尤为重要。所以，很多高校加入了一定数量的实验课程、专业课程设计等，以期为学生提供相应的能力储备，为日后的专业领域工作打下坚实的基础。

通信电子线路专业课程设计的受众学生主要是电子信息工程专业、通信工程专业的高年级学生，基本上完成专业基础课程的学习，亟须所学转化成实际操作的能力，那么教师对于实验的有效设计可以很好地引导学生利用所学开启新的能力培养之路。本文以无人集群应急通信虚拟仿真实验为例，简要介绍一些教学探索。

1无人集群应急通信虚拟仿真设计

1.1试验目标与选择原因

该实验综合学习应急场景下无人机集群中的天线组成以及工作原理，将实验划分为天线的工作原理认知、天线性能仿真、天线发送的电磁波信号分析、搭载天线系统的无人机仿真与无人机群通信仿真4个实验模块，使学生了解天线的工作模式、电磁场与电磁波的基本原理以及通信原理，学习馈线、同轴线、SMA转换头以及天线的连接方法，掌握天线结构参数与辐射特性之间的对应关系并应用于应急场景中的通信系统调节[5，6]。本实验包括电磁场电磁波理论、偶极子天线、圆极化贴片天线、MIMO阵列天线以及主动缝隙天线的特性认知、特征参数认知及应用设计[7，8]。通过对天线仿真环境和天线系统的搭建方式进行学习，熟练掌握四种典型天线的尺寸、阻抗匹配、增益以及方向图特性，在不同的应急通信场景中选择合适的天线进行通信。本实验主要涉及知识点如下。

（1）天线的仿真环境。天线的工作频率（上下截止频率）；天线的馈源：波导、同轴线、离散源；天线边界条件：开放边界条件、周期边界条件、电壁边界条件、磁壁边界条件。（2）偶极子天线。掌握50欧姆同轴线与SMA连接器的连接方法，将偶极子天线作为主要辐射单元，学习增益和方向图对信号传输的影响。主要知识点：偶极子天线的连接方法、方向图。（3）圆极化贴片天线。圆极化天线可以抑制雨雾干扰和多径效应，适合应用于环境不稳定的救援场景。圆极化天线的实现条件是要激励起两个极化方向正交、幅度相等的、相位相差90°的线极化波。根据圆极化波的特性，模拟圆极化天线的应用场景。主要知识点：圆极化贴片天线的结构、垂直正交线极化波的激发原理、贴片天线的辐射方向图和增益。（4）MIMO阵列天线。MIMO阵列天线是一种提高信道容量的天线，是现代通信的基础。利用多发多收，在不增加频谱资源和发射天线功率的前提下，充分利用空间资源，成倍提高系统信道容量，提高通信质量。主要知识点：MIMO的概念、MIMO系统的特点。（5）主动缝隙天线。主动缝隙天线也叫漏波天线，是一种在波导上开缝或开槽的雷达天线，使其具有向外辐射能量的功能，具有结构简单、低成本、频率扫描等特点。由于其工作波长的特性，兼具穿透性和成像精度，适合用于检测救援场景中被砂石掩埋的人或物。主要知识点：波导的工作原理、趋肤深度的概念、主动缝隙天线的辐射方向图和增益。通过实验，可以帮助学生更好地理解前面学习过的重要的基础理论。

选择这个主题进行虚拟仿真的原因有以下几个方面。第一，无人集群设备价格昂贵。无人集群系统需要对多种类型无人平台的协同管控能力、协同管控效果提供试验验证手段，提供万台并发的无人系统集群测试验证能力。受到成本约束、人力需求、实施难度、试验风险等因素制约，试验必然采用虚拟仿真和实物相结合的方法，试验过程面临硬件在环协同仿真、大规模时空关联测试数据管理、智能无人集群系统的任务管理等关键技术难题。第二，应急通信场景无法真实布局。应急通信主要应用于出现自然的、人为的突发性紧急情况的场景，如发生地震灾害、地质灾害、海洋灾害、气象灾害等自然灾害，或区域内举办大型活动时通信数据量剧增的情况。这类场景无法真实布局，只能通过虚拟仿真形式进行模拟。第三，电磁场微波物理本质与天线辐射特性无法直观展示。本实验项目涉及无人机集群中天线组成以及工作原理分析，对于天线的工作原理、天线辐射特性、天线发送的电磁波信号等均无法直观展示，需采用虚拟仿真方式来展现天线的电磁辐射特性及电磁场分布特性等[9-12]。

1.2实验器材及参数

1.2.1实验设备

实验过程中主要会运用到如下的实验仪器设备（装置或软件等），如图1至图4为实验会用到的实验设备。

1.2.2几种天线模型结构及参数

（1）偶极子天线及其参数。

仿真所采用的偶极子天线模型如图5所示。

（2）圆极化天线及参数。

天线工作在C频段，中心频点3.82GHz左右，能够实现圆极化性能。图6和表1所示为其示意图与详细参数。

（3）MIMO天线。

天线工作在Ku频段，工作带宽达到了4GHz左右，能够实现宽角扫描。图7和表2所示为MIMO天线阵列的示意图及详细参数。

1.3实验的实施过程及预期效果

1.3.1实验系统的设计

本实验项目的系统由课程实验仿真平台和虚拟实验教学管理系统两部分组成。仿真平台采用虚拟技术仿真实验中用到的器材和设备，提供与真实实验相似的实验环境；虚拟实验教学管理系统提供全方位的虚拟实验教学辅助功能，包括：实验前的预习、实验的开课管理、典型实验库的维护、实验教学安排、实验过程的指导、实验结果的批改、实验成绩统计查询等功能，为实验教学环境提供服务并开展应用。

1.3.2实验项目的设计实施

本项目的设计目标是完整地仿真学习通信系统的工作过程，并直观感受电磁波的发射、传播以及接收的过程。本虚拟仿真实验涵盖通信电子线路基础、通信原理、电磁场与电磁波、信号与系统等基本理论知识点，将所要教授的知识点，生动准确地传达给学生。同时，学生能够动手操作练习所教授的内容，并且加入考核。

（1）教学。

将天线设计的过程拆分和细化，从材料的选择、工作频带、边界条件到天线的工作谐振模式、辐射特性，形象地将天线的工作原理以及对应的调控方式传递给学生。整个天线系统的搭建以及在不同应急场景下天线种类的选择，涉及通信电子线路、通信原理等通信领域的基本知识点，使学生更生动直观地了解信号的产生、传递、接受的过程。

（2）练习。

教学内容中，拆分的细节，都可反复自由操作和练习，如有错误应有相应的提示。

（3）考核。

检验学生的学习成果，在无任何提示的情况下，在该系统内完成一个应急场景下无人机基站的搭建，对整个操作过程有记录和考点设计机制，通过对记录和考点操作的统计，能够形成分值和报告。

1.3.3实验项目设计

（1）设备与辅材认知。

将所有系统中涉及的设备、辅材、工具单独建模，分别能够进行360°全方位的展示，并搭配文字说明，用于教学，让学生达到认知的效果；所有模型应在该模块的主界面中平铺显示，平铺显示的效果应该是图片加名称，点击某个图片进入该对应模型的具体展示。

（2）天线辐射方式教学演示。

该模块是对不同类型天线的认知以及调控方式的学习。首先，进入天线设计界面，对天线的工作上下截止频率、天线材料、边界条件以及馈源位置和方式进行设定。其次，在天线结果界面中的辐射结果中看该设计参数下天线的辐射方式，整个天线认知过程伴随有文字解说。

（3）系统搭建教学演示。

该模块是按照顺序演示一个无人机基站从无到有的搭建过程，要求首先按照需求场景中对辐射特性的需求选择合适的天线种类，依次按照指定顺序，调节天线的辐射方向图和工作频率。将射频器件逐个连接，安装在无人机上。通过调整天线的俯仰角度和无人机位置，完成无人机基站的搭建，过程中伴随有文字解说。

1.3.4预期效果

本实验项目弥补了目前通信电子线路课程中无射频前端工作原理演示的缺陷，通过对各种天线的仿真环境和辐射方式的认知，使学生了解掌握通信信号的发射、传递、接收的过程；通过无人机基站的实景搭建，了解在实际特定场景需求中通信设备的工作方式以及工作模式。不仅使学生加深了理论知识，而且也掌握了整个通信链路中各设备的安装与实际操作方式。经过虚拟实验加深了学生对各类天线辐射特性的了解，深刻掌握了不同天线的应用场景，并且通过设计实验使得学生具备了更强地解决实际工程问题的能力。

2结语

通过上述实验，可以帮助学生以更直观的形式回顾已学习的通信电子线路基础、通信原理、电磁场与电磁波、信号与系统等专业基础课和选修课只是，对基本理论知识有更深入地了解。借助搭建的实验平台提升学生的理论知识实际应用能力，为学生之后的工作或深入理论研究奠定更坚实的基础。这样的虚拟仿真实验教学就是依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，达到教学大纲要求的教学目标。因此，可以在虚拟实验教学中遵循“虚实结合、开放共享、能实不虚”的教学理念，激发学生学习兴趣，培养学生创新精神和实践能力。

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