周 沛 牛 娟

（1.蘇州大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州215006；2.蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州215006）

0 引言

工程教育是我國高等教育中的重要組成部分；其在實(shí)現(xiàn)國家工業(yè)化以及形成我國獨(dú)立完整的工業(yè)體系過程中，具有不可替代的作用。現(xiàn)階段，我國的普通高校工科專業(yè)的畢業(yè)生及在校生總規(guī)模已位居世界第一。通過開展工程教育專業(yè)認(rèn)證，對(duì)本專業(yè)學(xué)生培養(yǎng)目標(biāo)、質(zhì)量、師資隊(duì)伍、課程設(shè)置、實(shí)驗(yàn)設(shè)備、教學(xué)管理、各種教學(xué)文件及原始資料等方面的評(píng)估，有助于各高校明確工程教育專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)和要求，形成自己的專業(yè)特色；加強(qiáng)高校工程教育與社會(huì)及產(chǎn)業(yè)界的聯(lián)系，提高高等教育的適應(yīng)性，培養(yǎng)合格的工程師；促進(jìn)我國高等工程教育參與國際交流，實(shí)現(xiàn)國際接軌，提高教育質(zhì)量[1-2]。

2014年，蘇州大學(xué)在原現(xiàn)代光學(xué)技術(shù)研究所、原信息光學(xué)工程研究所和原物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院光電技術(shù)系的基礎(chǔ)上合并組建成立了物理與光電能源學(xué)部光電信息科學(xué)與工程學(xué)院。2018年，學(xué)院獨(dú)立設(shè)置，并更名為光電科學(xué)與工程學(xué)院。學(xué)院現(xiàn)有三個(gè)電子信息類本科專業(yè)：光電信息科學(xué)與工程、電子信息科學(xué)與技術(shù)、測(cè)控技術(shù)與儀器。依托該學(xué)院，蘇州大學(xué)正積極籌備相關(guān)專業(yè)的工程教育專業(yè)認(rèn)證，其中課程體系是否設(shè)置完整、核心課程的教學(xué)內(nèi)容是否能夠支撐達(dá)成本專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)是專業(yè)認(rèn)證考察的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)?！陡哳l電路》是電子信息類專業(yè)的一門核心專業(yè)基礎(chǔ)課程，是培養(yǎng)工程師硬件能力的基本入門課，同時(shí)是一門工程性實(shí)踐很強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用課。通過學(xué)習(xí)該課程，能夠培養(yǎng)學(xué)生高頻電路與系統(tǒng)的研究分析能力、工程設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐動(dòng)手能力。為了更好地服務(wù)蘇州大學(xué)相關(guān)專業(yè)的工程教育專業(yè)認(rèn)證，有必要對(duì)《高頻電路》課程的教學(xué)建設(shè)、教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行深入的分析和探討。本文以作者所在的蘇州大學(xué)光電信息系教研室的授課經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，以西安電子科技大學(xué)曾興雯教授主編的經(jīng)典教材《高頻電子線路》[3]為基礎(chǔ)，對(duì)《高頻電路》課程建設(shè)和發(fā)展過程中的一些關(guān)鍵問題進(jìn)行了闡述。

1 《高頻電路》課程的教學(xué)內(nèi)容及特點(diǎn)分析

1.1 《高頻電路》課程內(nèi)容

本文作者講授的《高頻電路》課程共包括54課時(shí)，分為18講，其中課堂習(xí)題及自學(xué)占3課時(shí)。該課程的研究對(duì)象是以無線通信系統(tǒng)為代表的各類高頻電子與通信系統(tǒng)以及其系統(tǒng)中高頻基本元器件、基本電路與功能單元，特別是對(duì)其中高頻電子線路的電路結(jié)構(gòu)、工作原理、性能參數(shù)分析進(jìn)行重點(diǎn)講授。圖1是無線通信系統(tǒng)的基本組成框圖。如圖1所示，典型的無線通信系統(tǒng)包括發(fā)信機(jī)和收信機(jī)兩大部分；其中發(fā)信機(jī)的任務(wù)是將信息以無線電手段發(fā)射到遠(yuǎn)處的對(duì)方，收信機(jī)的任務(wù)是接收電磁波信號(hào)，還原出傳輸信息。在發(fā)信機(jī)中：信源（話筒）輸出信號(hào)經(jīng)過低頻放大器放大；低頻放大器輸出信號(hào)控制載波振蕩器的某些參數(shù)（如幅度或相位）實(shí)現(xiàn)調(diào)制；調(diào)制后的信號(hào)經(jīng)過變頻器實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻率的變換；高頻信號(hào)經(jīng)過功率放大器提高信號(hào)幅度以滿足末級(jí)天線發(fā)射的需求，隨后天線將信號(hào)輻射到空間中。在收信機(jī)中，接收天線接收的微弱信號(hào)輸入到高頻小信號(hào)諧振放大器，實(shí)現(xiàn)信號(hào)放大和選頻功能；放大后的高頻信號(hào)經(jīng)由混頻器和本地振蕩器組成的頻率變換單元下變頻為中頻信號(hào)；該中頻信號(hào)經(jīng)過中頻放大和濾波器后輸入解調(diào)器進(jìn)行解調(diào)，恢復(fù)出原輸入信息；經(jīng)過低頻放大器放大后輸入到通信終端的信宿（揚(yáng)聲器）。從上述無線通信系統(tǒng)的基本組成中可以得出《高頻電路》課程的核心知識(shí)單元，包括高頻電路基礎(chǔ)、高頻放大器、高頻振蕩器、調(diào)制與解調(diào)電路、混頻電路。

圖1 無線通信系統(tǒng)的基本組成框圖

從課程體系上來說，《高頻電路》的理論課程體系包括“系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)”“高頻基本元器件與基本電路”和“單元電路與功能電路”等部分。其中第一部分“系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)”包括第1章中無線通信概述、收發(fā)信機(jī)結(jié)構(gòu)、無線信道，第2章中電子噪聲、噪聲系數(shù)與接收靈敏度等內(nèi)容；第二部分“高頻基本元器件與基本電路”包括第2章中基本元器件、諧振回路、變壓器、晶體濾波器、衰減器等內(nèi)容；第三部分“單元電路與功能電路”包括第3～8章中放大器、振蕩器、頻譜變換電路和反饋控制電路等內(nèi)容。該課程涉及的基本概念、基本理論和基本方法都與實(shí)際的無線通信系統(tǒng)緊密相關(guān)，具有較強(qiáng)的工程性。其中《高頻電路》課程中的基本電路包括頻率選擇電路、阻抗匹配與阻抗變換電路、LC諧振放大電路、LC和晶體振蕩電路、乘法器電路、包絡(luò)檢波電路、變?nèi)荻O管調(diào)頻電路、鑒頻與鑒相電路、自動(dòng)增益/頻率控制電路、鎖相環(huán)電路和頻率合成器電路。

1.2 《高頻電路》課程特點(diǎn)分析

《高頻電路》課程的特點(diǎn)可以概括為“高頻”和“非線性”兩方面。該課程的難點(diǎn)主要體現(xiàn)在元器件和電路在高頻和非線性狀態(tài)時(shí)的分析和使用方法。對(duì)無線電波的頻率或者波長進(jìn)行分段，分別稱之為頻段或波段。表1是無線電波的頻（波）段劃分表。由于不同頻段的無線電波信號(hào)的電磁特性差異通常比較大，因而其生成手段、傳播特性、應(yīng)用場(chǎng)合也不盡相同。狹義的“高頻”信號(hào)是指短波波段，頻率范圍在3～30 MHz內(nèi)的信號(hào)。需要注意的是，本課程中“高頻”并非狹義的高頻，而是廣義的高頻，或者也被稱為“射頻”。本課程中“高頻”的頻率范圍可從數(shù)十kHz到數(shù)幾GHz的范圍；具體來說，是電路尺寸遠(yuǎn)小于工作波長，可以用“路”來實(shí)現(xiàn)某種特定功能的頻率范圍。工作在“高頻”范圍內(nèi)，需要考慮有源器件的高頻效應(yīng)及電路的高頻效應(yīng)帶來的影響。有源器件的高頻效應(yīng)包括：載流子的高頻效應(yīng)（如渡越時(shí)間影響、遷移率退化等）；非線性電抗效應(yīng)；引線電感；飽和壓降影響和噪聲。有源器件高頻效應(yīng)帶來的影響包括性能下降、參數(shù)變化、不穩(wěn)定、電磁干擾和電磁屏蔽以及分析測(cè)試的復(fù)雜化。電路的高頻效應(yīng)主要分布參數(shù)效應(yīng)、趨膚效應(yīng)和輻射效應(yīng)。分布參數(shù)效應(yīng)是指高頻電路中導(dǎo)體間、元器件與地間、元器件間存在寄生電容；連接元器件的導(dǎo)線存在電感和元件自身的寄生電感。上述寄生電容和寄生電感等寄生參數(shù)的存在，不僅使得電路特性受環(huán)境影響，而且使得分析與設(shè)計(jì)復(fù)雜。趨膚效應(yīng)指當(dāng)頻率升高時(shí)，電流趨于集中在導(dǎo)體表面，減小了有效導(dǎo)電面積，使得交流電阻遠(yuǎn)大于直流電阻，從而使導(dǎo)體損耗增加，惡化電流性能。輻射效應(yīng)則會(huì)使得信號(hào)泄露到空間中，不能全部傳輸?shù)截?fù)載上，產(chǎn)生能量損失和電磁干擾。

表1 無線電波的頻（波）段劃分表

所有實(shí)際電子元器件和電子電路都是非線性的，線性電路是一種理想化的概念和工程上的合理近似。非線性元器件的伏安特性是非線性的，對(duì)其描述通常涉及多個(gè)參數(shù)，如直流跨導(dǎo)、時(shí)變跨導(dǎo)和平均跨導(dǎo)等。相比于低頻線性電路，非線性電路的特性包括不滿足疊加定理以及能夠產(chǎn)生新的頻率分量。非線性電路的有利功能包括：（1）能量轉(zhuǎn)換功能。如功率放大器電路中非線性電路在輸入信號(hào)控制下，能夠把直流電能轉(zhuǎn)化為根據(jù)輸入變化的交流能量；振蕩器電路在無輸入信號(hào)控制下，能夠?qū)⒅绷麟娔苻D(zhuǎn)換為按特定頻率變化的交流能量。（2）頻率變換功能。包括頻譜線性搬移，如幅度調(diào)制、解調(diào)和混頻；頻譜非線性搬移，如相位調(diào)制和頻率調(diào)制。非線性電路的不利影響包括：諧波失真；互調(diào)與交調(diào)干擾；增益壓縮；飽和與動(dòng)態(tài)范圍降低；包絡(luò)失真；雜波響應(yīng)等。非線性電路的分析方法可以分為三大類，分別是（1）解析法求解非線性微分方程。這種方法較為復(fù)雜煩瑣，求解困難，通常不被采用。（2）數(shù)值分析法，這是一種有效的現(xiàn)代分析手段。（3）工程分析法。通過明晰電路工作過程與物理現(xiàn)象，以圖解法或指數(shù)函數(shù)分析法、折線近似分析法、開關(guān)函數(shù)分析法、線性時(shí)變電路分析法和頻譜法進(jìn)行求解。

2 《高頻電路》課程的教學(xué)方法探討

《高頻電路》是“電子線路”系列課程中承前啟后的課程，需要很多的先修課程知識(shí)，如《電路分析基礎(chǔ)》和《模擬電子線路》；同時(shí)與后續(xù)課程，如《微波技術(shù)》和《通信原理》等課程的有關(guān)內(nèi)容難以有效銜接。此外，《高頻電路》課程中各類原理電路和實(shí)際電路較多，且以非線性分析為主，分析方法也不統(tǒng)一，難以系統(tǒng)化梳理；因此該課程雖然與實(shí)際工程應(yīng)用聯(lián)系緊密，卻也是難教和難學(xué)的一門課程。為了提高本課程的教學(xué)質(zhì)量和整體的人才培養(yǎng)質(zhì)量，培養(yǎng)學(xué)生高頻電路與系統(tǒng)的研究分析能力、工程設(shè)計(jì)能力和實(shí)踐動(dòng)手能力，提高學(xué)生的適應(yīng)性，有必要對(duì)本課程的教學(xué)方法進(jìn)一步探討和改進(jìn)。

課程建設(shè)與教學(xué)手段方面可以改進(jìn)的方法包括：完善課程體系，理順相關(guān)課程和相關(guān)內(nèi)容的關(guān)系；強(qiáng)化系統(tǒng)觀念，處理好單元電路與系統(tǒng)的關(guān)系；對(duì)各種電路、分析方法等進(jìn)行歸納、總結(jié)和對(duì)比；有機(jī)結(jié)合板書和多媒體教學(xué)，有機(jī)結(jié)合講授和討論，形象生動(dòng)地講清、講透有關(guān)概念、電路和分析方法；加強(qiáng)例題與習(xí)題講解和課后輔導(dǎo)工作；強(qiáng)化實(shí)物演示、實(shí)驗(yàn)、和課程設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐環(huán)節(jié)。此外，還可以從提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣與積極性的角度改進(jìn)課程教學(xué)質(zhì)量[4]，可能的方法包括：在多種場(chǎng)合以多種方式向?qū)W生說明或展示本課程內(nèi)容的重要性和實(shí)用性；探求學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，圍繞無線通信習(xí)題的設(shè)計(jì)與應(yīng)用組織教學(xué)內(nèi)容，注重新穎性、先進(jìn)性和工程實(shí)用性；給學(xué)生留有時(shí)間，有目的地完成更深入的學(xué)習(xí)和實(shí)踐；發(fā)展配套教學(xué)資源，如電子教案和多媒體資源、國內(nèi)外相關(guān)的技術(shù)書籍、手冊(cè)或軟件工具。

3 結(jié)束語

在工程教育專業(yè)認(rèn)證的大背景下，工科教育需要回歸工程，要求培養(yǎng)學(xué)生具有扎實(shí)的專業(yè)理論，工程實(shí)踐能力，系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)能力，創(chuàng)新思維能力的綜合素質(zhì)。針對(duì)蘇州大學(xué)電子信息類本科專業(yè)核心專業(yè)基礎(chǔ)課程《高頻電路》的教學(xué)工作，本文首先闡述了該課程的主要理論教學(xué)內(nèi)容，包括核心知識(shí)點(diǎn)和知識(shí)單元；并對(duì)該課程的重點(diǎn)、特點(diǎn)以及教學(xué)難點(diǎn)進(jìn)行了分析討論；在此基礎(chǔ)上探討了《高頻電路》課程的進(jìn)一步建設(shè)與發(fā)展，提出了相應(yīng)的教學(xué)方法，以期通過該課程培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和實(shí)踐能力，培養(yǎng)其高頻電路與系統(tǒng)的分析與工程設(shè)計(jì)能力，提升其綜合競(jìng)爭力。