微波电子线路课程的实验教学改革与实践
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微波电子线路课程的实验教学改革与实践

2021-10-25 04:08:11 投稿作者: 点击:

摘 要 微波电子线路实验教学是课堂教学不可或缺的补充和延伸。在深入分析该教学内容和课程特点的基础上,依托射频信息系统实验室建设,本着虚实结合的组训原则,通过扩展实验室功能以改善教学实验条件和改革实验内容,以及引导学员开发教学辅助软件攻克理论教学中的重难点内容等手段,有效提升学员的知识综合应用能力和创新思维能力,为今后从事装备维护保障打下坚实基础。

关键词 微波电子线路;实验教学;实践能力

中图分类号:G642.423 文献标识码:B

文章编号:1671-489X(2015)02-0134-04

1 引言

微波电子线路是微波无源器件与有源器件的有机组合,广泛应用于雷达、对抗、卫星通信等各种微波电子系统中,其研究内容是微波电子系统中各种功能模块的原理及设计,包括微波信号的产生、放大、变频和控制等,它们是微波发射机和接收机前端的核心组成部分[1]。该课程立足于微波电子线路的基本理论、基本概念和基本分析方法,具有理论性强、工程应用广、与信息化武器装备联系紧密等特点[2],因此,它是空军工程大学电子类专业的一门重要专业基础必修课,对学员掌握微波电子线路的基本理论、微波有源器件和微波电路的设计和使用等方面具有重要作用。

该课程的教学目标主要有两方面:一是夯实学员在微波电子器件(半导体和电真空器件)和微波电路的工作原理、性能参数和分析方法等方面的理论基础知识,为今后自主学习专业前沿知识提供有力的理论支撑;二是培养学员的实际动手和创新能力,主要体现为初步具备利用专用微波测量仪器测量相应模块技术参数的能力,具备利用史密斯圆图进行简便设计和运用ADS等软件对微波放大器和振荡器进行设计的能力,以及能对机载设备的基本微波部件进行分析、测试和维护的能力。

由于该课程是以电磁场理论和微波技术为理论基础,存在理论抽象难懂、公式推导多而复杂、技术难度高等特点,同时不断涌现的新材料使得微波器件更新换代快,相应的教学内容更新也较快。这就要求微波电子线路课程的教学要与时俱进,在教学方法上不但要注重理论知识的赋予与接受,还要注重综合能力的培养,以适应微波频段电子装备教学和维护工作的需要[2]。如何在有限的课时内,让学员牢固掌握微波电子线路的理论知识,培养分析电路、设计电路的能力,为装备维护实习和以后的装备维护保障工作打牢基础,是课题组需要紧密关注和思考的问题。

在军队院校本科生教育中,实验教学在加深学员对理论知识的理解、逐步提高实践动手能力、稳步提升其综合构建能力、进一步强化学员的工程意识和装备意识[3]等方面有着不可替代的作用。因此,积极建设相关实验室,利用现代微波EDA软件构建虚实结合的实验环境,对于帮助学员理解抽象的理论知识,提高动手实践能力及思维创新能力具有重要的现实意义。课题组通过对多年来课堂和实验教学的经验总结,在原有实验条件和实验科目的基础上,从以下几方面对实验教学模块进行了有力的探究与改革。

2 积极建设扩展实验室功能

由于微波电路分布参数的不确定性造成微波器件及仪器的制造成本很高,结果导致微波类实验室的建设经费很高,从而严重制约实验室的建设水平。2008年,依托军队“2110工程”实验室建设经费完成了射频信息系统实验室建设,购置了6套RF-2000射频电路的教学训练系统用于实践教学。系统主要包含RF2000主机和15个微波器件模块(如放大器、振荡器、混频器、功分器等),可以测量器件的S参数、输出频率及输出功率等。尽管如此,实验室仍处于实验设备不足、微波电路仿真软件功能不全、不能进行微波电路制作的境况,虽能勉强满足课程所需的基础实验部分,但仅仅只能满足演示性实验,还有许多实验环节无法实现,导致实验教学长时间停留在验证理论性阶段,实验内容较为陈旧。

为更好地解决实验平台承训能力不足、现有微波模块主要为集总参数电路等问题,必须对现有射频信息系统实验室进行扩建,从软硬件着手进一步改善教学实验条件。例如:通过购置多套分布参数电路,满足学员对微波电路的感性认识;引进光刻机、购置微带器件加工必需材料,实现微波电路的实际制作;完善ADS、Microwave Officer等微波设计软件,使实验室具备仿真设计、硬件制作、性能测试、数据处理等多种功能。

以上这些措施为学员提供了良好的实验条件,克服以往只能在计算机上进行电路设计仿真的不足,完成“根据需求提出技术指标→计算机设计仿真,版图绘制→电路(器件)制作→硬件测试→完善”的整个电路设计制作流程,实现具有设计性、自主性及综合性实验的实验系统,加大实验教学的开放程度和学员的自主实验程度,从而起到提升学员动手能力和实践能力的应有作用。

此外,还可利用与装备紧密结合的雷达原理实验室和某型机任务电子系统实验室,开展基于微波电路的雷达发射接收系统的创新型及综合型实验。在装备实验、实训中,引导学员将基本理论、基本分析方法应用于解决实际问题,在头脑中建立起理论与实际的联系,在边学边练中更深刻地领会所学理论知识,使学员实现由感性到理性的自然过渡,逐步提高学习能力和实践技能,从而提升其发现问题、分析问题和解决问题的能力。

3 基于计算机软件技术的教学辅助软件开发

微波电子线路的主要特点在于工作频率高,电路为基于传输线组成的分布参数电路,不仅涉及各种有源器件,且分布参数电路的分析和设计比集总参数电路要困难得多,专业理论内容抽象,公式推导过程复杂,且理论与工程实践容易脱节,学员对学好基本理论、基本电路的分析和设计方法等内容有较大的难度。为解决以上问题,课程组通过深入分析半导体器件和电真空器件的不同工作原理,引导学员有针对性地开发教学辅助软件,以达到提升动手实践能力和打牢理论基础的目的。

开发微波固态电路教学辅助软件,掌握模块设计流程 在微波固态电路的理论教学中,教学一般按以下思路进行:介绍器件的工作原理→给出电路指标定义→引用公式推导结论→解析清楚物理概念→举例说明设计过程→强调电路设计要领。因此,在课堂教学中对相关模块进行设计是学员需要掌握的重要知识点。

例如,在学习微波晶体管放大器模块时,通常在介绍相关器件以及模块的增益和稳定性、噪声系数等性能指标后开始学习设计。一个单端微波晶体管放大器的基本结构由有源器件、输入和输出匹配网络组成,输入匹配网络用来实现微波晶体管的输入端口与信源之间的匹配,输出匹配网络用来完成微波晶体管的输出端口与负载之间的匹配,输入和输出匹配网络的设计是微波晶体管放大器设计的重要环节,因为在阻抗失配时传输大功率易导致器件击穿,其反射波也会使信号源工作不稳定,甚至不能正常工作。

要按照一定的指标要求完成阻抗匹配,可借助图解法和计算机辅助设计法(CAD)实现。图解法是利用史密斯圆图进行数值计算,其优点是概念清楚、简单、直观,是窄带放大器设计常用方法之一,适用于课堂教学;缺点是计算精度较低。CAD法是利用建立的数学模型,将设计、计算、优化、误差分析全交给计算机完成,其优点是设计精度高,设计速度快,在宽带放大器的设计中具有极大的优越性,适用于实验教学。因此,利用史密斯圆图进行简单设计是课堂教学中需要掌握的重点内容,即在一定的设计准则或一定的指标要求下,如何利用史密斯圆图来设计输入和输出匹配网络,并用合适的微波电路去实现?

在课堂讲授时,由于设计准则有多种选择,如单向化条件和双向化条件下的最大增益准则、最小噪声系数准则等,不同的准则下参数取值不一样,匹配网络的结构也不一样。另外还有学员对史密斯圆图用得不熟练,往往反应较慢,听得迷迷糊糊,似懂非懂。为了帮助学员掌握从指标要求→电路实现的整个设计流程,理清设计思路,打牢理论基础,教员课后布置了开发教学辅助小软件的任务,将教材中一个具体案例的设计过程用软件(VB语言)实现,即:已知微波双极晶体管的工作频率为1.3 GHz时,在50 Ω测量系统中已测得其网络参量(S参量)和噪声参量,假设信源和负载阻抗均为50 Ω的纯电阻,要求用史密斯圆图按单向化低噪声准则设计一单级微波晶体管放大器,并设定输入匹配网络采用终端开路的Γ型并联支节微带线,输出匹配网络采用终端短路的反Γ型并联支节微带线。软件要求界面友好,并包含以下功能:能用已知S参量进行稳定性的判别,按照一定的设计准则确定等效信源反射系数和负载反射系数,输入两参数后利用史密斯圆图能自动获取并联微带电路的主线和支节线的电长度,将关键设计步骤形象化地展示出来。

图1是根据已知的网络S参量,利用微波晶体管放大器绝对稳定的充要条件来检验微波晶体管的稳定性。然后根据单向化低噪声设计准则,选取合适的信源反射系数和负载反射系数,利用史密斯圆图确定匹配网络的结构(主线电长度和支节线电长度)。如在设计输入匹配网络时,软件运行的具体步骤为:第一步,从Γsop沿等反射系数圆向负载方向旋转,画出等电导圆;第二步,从两个交点中选择线长较短的点进行设计,自动输出主线的归一化长度;第三步,过该点的等电纳线与圆周相交于B点,从B点沿等反射系数单位圆向负载方向旋转到终端开路点,输出支节线的归一化长度。图2和图3分别给出了输入和输出匹配网络的设计步骤。

虽然软件开发仅对一种设计准则下特定的微波电路结构进行了设计与实现,其功能比较有限,没有考虑更多更复杂的因素(如潜在不稳定条件、最大增益准则、双向化条件的设计等),但是通过这种方式不仅丰富了多样化的教学手段,提高了学员的学习兴趣,加深了对阻抗匹配概念及其重要性的认识,而且促进其对窄带放大器中单向化低噪声设计方法和流程的理解与掌握,为后面实验教学中用专业微波软件进行复杂电路的设计打下良好的基础。而且该课件作为一种教学资源,还可继续用于后续专业的课堂教学中。

开发微波电真空器件教学辅助软件,深入剖析工作原理 随着微波半导体工艺水平的迅速发展,半导体器件在中小功率方面正逐步取代微波电子管。但是微波电子管在大功率、高频率、高效率、抗辐射和抗干扰方面的优势仍是微波半导体器件无法取代的,真空电子器件仍是雷达、电子战等现代信息化武器装备的心脏,大功率微波振荡和放大必须依靠如行波管、速调管、磁控管等微波电真空器件来实现。这些工作在微波波段的电子管其工作原理与微波半导体器件完全不同,均是基于动态控制理论的基本思想,即采用电子与波互作用原理,不再直接调制阴极发射电子流的密度,而是通过调制电子流的速度,再利用电子渡越时间把速度调制转换成密度调制,从而完成直流能量向微波能量的转换。不同的器件其速度调制、密度调制和能量交换的三大过程也不尽相同。在课堂教学中,如何把这些抽象的概念和过程给学员表述清楚是需要解决的一大问题。

为了让学员更好地掌握这类器件的基本结构、工作原理和主要特性,针对微波电子管基本理论中的一些重、难点内容,开发相应的教学辅助软件,如用Flash软件制作双腔速调管的电子运动时-空图的动画,将不同时刻进入漂移空间电子流的运动轨迹进行形象演示,帮助深刻理解时-空图的物理含义,掌握电子群聚和密度调制等抽象概念。而学员在动画制作前也要把相关理论融会贯通,通过该种方式可以把理论学习和动手实践巧妙地结合起来。对于相似的教学内容,如行波管中电子流与行波场的变化情况、反射速调管中电子流返回谐振腔的运动轨迹等较难的知识点,都可以用动画展示,在改善教学效果的同时也可积累更多素材

通过近年来日常教学工作的摸索发现,对微波电子线路中不同模块的理论教学开展相应实践动手能力的培养,其切入点也应有所不同和侧重,只有有的放矢才能达到理想的教学效果。微波电子线路是一门实践性很强的课程,从以上的实践活动可以看出,通过学员的小制作和参与科技创新等活动,可以提升其创新能力,在教学模式改革中也将实现由仅重视课堂教学向课堂教学和实践教学相结合转变。

4 改革实验教学内容

明确实验设计的指导思想 微波电子线路课程实验教学作为教学过程的重要环节,是课堂教学不可或缺的补充和延伸,对于帮助学员更好地理解复杂抽象的微波电路原理,提升学员创新能力具有重要的现实意义[7]。依据空军工程大学制订的新版人才培养方案,本门课程的实验教学将扩展为12学时,其中课内课外各6学时。学时的改变以及课内实验学时的缩减,更加要求所开设的实验体现以人为本、因材施教的教学特点,开展各层次、多样化的实验项目,要涵盖各类模块的验证性、设计性、创新性和综合性实验,以契合学生由浅入深、阶梯性不断深入的学习特点。通过实验教学达到增强学员动手能力、创新思维能力和综合能力培养的目的。

定位实验开设的基本功能 学员在完成精心设计的各类实验时,能加深对电路中各模块理论知识的理解;能熟练操作和使用微波信号源、波导测量系统、频谱仪、微波矢量网络分析仪等专用仪器设备;为了解实验模块的基本特性,能正确完成单一实验模块、发射或接收系统整个实验模组的实际参数测量;在学会ADS、Microwave Office等微波设计软件的基础上,能用其中一种仿真软件实际设计一些常用的微波电路,完成这些电路的仿真实验,找出影响这些电路性能的主要因素,并通过仿真进一步加深对微波电路和微波系统的认识;利用合适软件和RF2000系统,能设计仿真整个信息传输系统的全过程。

合理设置实验教学内容 依据目前人才培养的方向,课程组对微波电子线路实验教学进行了详细规划和实践改革。合理设置后的实验教学内容按照实验开设的功能定位,应包含演示性、验证性、自主性、设计性和综合性等各层次多类别的实验项目。其中,开展演示性实验和验证性实验的主要目的是培养学员的一般实验技能,这是培养学员创新能力的基础;而自主性、设计性和综合性实验对培养学员创新能力具有极其重要的作用,自主性和设计性实验是创新能力培养的关键;综合性实验是培养学员创新能力的最终过程,其教学难度也最大,可以结合利用雷达原理实验室和实际装备,在学员已牢固掌握发射机、接收机等设计方法的基础上,指导学员完善整个收发系统的优化组建和调试,实现对其综合能力与素质的培养。

为更好发挥学员的主观能动性,培养其创新能力,规划创新性实验的学时数必须达到一定的比例[5](一般应不低于40%)。开设的实验项目主要有:放大器的设计、制作与测试;振荡器的设计、制作与测试;混频器的设计、制作与测试;射频前端发射机和接收机的设计、制作与测试;A/V信息传输系统的设计仿真;等等。

在以上实验项目中,ADS等微波电路仿真软件的使用方法属于演示性实验(课外自学);混频器参数测量属于验证性实验;微波放大器等各类模块的设计属于自主性和设计性实验;A/V信息传输系统的设计仿真属于综合性实验。当然,一个实验项目也可能兼顾了自主性、设计性和验证性。如在微波电路的设计中,其具体实验流程为:教师机根据实际需求提出微波电路的具体设计指标,而后通过教师机发送给学员所在的学员机,学员接收到指标后利用微波电路设计软件进行微波电路设计仿真,完成后将设计方案发送给教师机供教员审阅,教员审核修改后将优化方案反馈给学员,学员利用实验室提供的电路设计散件,使用电路板刻制机进行微波电路的制作,最后通过测试仪器对设计好的微波电路进行性能指标测试,并提交总结报告。这项实验实际上考查了学员在理论学习、资料收集、仿真软件使用、微波模块制作及调试、优化设计和性能测试等多方面的综合能力。

另外,在电路设计的实验环节中,为更好地与工程应用接轨,可设定一定的需求背景,提出相应的设计指标。如设计一个二次雷达接收机系统的低噪声放大器,采用某公司的某型号高线性HEMT放大器件,要求其增益指标为21 dB。学员通过课外自学ADS软件,建立ADS模型进行设计、优化和调试,最终可得到满足指标要求的电路结构。

同时,在实验教学中还要注意培养学员在实验素养和实验技能两方面的日常养成[3]。从仪器的日常维护到实验报告最终完成的整个过程,一方面要重视培养学员积极的实验态度、实事求是的科学精神和一丝不苟的科学修养;另一方面要使学员在多次实验中扎实掌握实验技巧和一般仪器的使用方法,这些经验和技巧对学员以后从事装备维护保障工作是极其重要的。

5 结语

微波电子线路具有应用广泛、技术难度高、内容更新较快的特点,促使课程教学也要不断地探索和研究,才能适应微波频段电子装备教学和工作的需要。课程组以转变教学理念为先导,以课程的知识体系、教学内容和教学方法及手段作为建设与改革的重点和难点,在探索与实践中正确处理基本概念、基本原理与内容更新的关系、扎实的理论与实践能力强的关系、传统教学方法与现代教育技术应用的关系以及内容扩张与学时减少的矛盾[6]。课程考核也由单一考查学员对理论知识的掌握,转变为对理论知识以及相应的实践能力两方面的综合考查。

实践动手能力是装备维护人员实现军事装备维护保养、检测调试、故障排除等技能的基础,对该项能力的培养也是实验教学的根本目的。因此,在学习过程中强调物理概念、原理分析、重视知识能力和素质的协调发展之余,也注重实践能力和创新能力的培养。平时通过学员的小制作和参与科技创新活动等情况来评估其创新能力,改善实验条件多开展融设计型与验证型实验于一体的实验项目,对学生开展综合能力的培养。

通过以上途径,有效地激发了学生的学习兴趣,调动了其主动学习以及应用理论知识去分析和解决问题的积极性,在培养学生的知识综合应用能力和创新能力方面取得实效。从教学效果来看,学员对微波电子线路的有关理论有了深入的认识,顺利地从集总参数的低频电子线路跨入分布参数的微波器件和微波电子线路的分析运用,实验技巧和动手能力得到锻炼与加强。

参考文献

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[2]姬宪法,王宁.微波电子线路课程教学设计[J].中国教育技术装备,2012(30):56-57.

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