工程教育专业认证背景下《高频电路》课程教学的探索

周 沛 牛 娟

（1.苏州大学 光电科学与工程学院，江苏 苏州215006；2.苏州大学 机电工程学院，江苏 苏州215006）

0 引言

工程教育是我国高等教育中的重要组成部分；其在实现国家工业化以及形成我国独立完整的工业体系过程中，具有不可替代的作用。现阶段，我国的普通高校工科专业的毕业生及在校生总规模已位居世界第一。通过开展工程教育专业认证，对本专业学生培养目标、质量、师资队伍、课程设置、实验设备、教学管理、各种教学文件及原始资料等方面的评估，有助于各高校明确工程教育专业的标准和要求，形成自己的专业特色；加强高校工程教育与社会及产业界的联系，提高高等教育的适应性，培养合格的工程师；促进我国高等工程教育参与国际交流，实现国际接轨，提高教育质量[1-2]。

2014年，苏州大学在原现代光学技术研究所、原信息光学工程研究所和原物理科学与技术学院光电技术系的基础上合并组建成立了物理与光电能源学部光电信息科学与工程学院。2018年，学院独立设置，并更名为光电科学与工程学院。学院现有三个电子信息类本科专业：光电信息科学与工程、电子信息科学与技术、测控技术与仪器。依托该学院，苏州大学正积极筹备相关专业的工程教育专业认证，其中课程体系是否设置完整、核心课程的教学内容是否能够支撑达成本专业培养目标是专业认证考察的一项关键指标。《高频电路》是电子信息类专业的一门核心专业基础课程，是培养工程师硬件能力的基本入门课，同时是一门工程性实践很强的实际应用课。通过学习该课程，能够培养学生高频电路与系统的研究分析能力、工程设计能力和实践动手能力。为了更好地服务苏州大学相关专业的工程教育专业认证，有必要对《高频电路》课程的教学建设、教学内容和教学方法进行深入的分析和探讨。本文以作者所在的苏州大学光电信息系教研室的授课经验出发，以西安电子科技大学曾兴雯教授主编的经典教材《高频电子线路》[3]为基础，对《高频电路》课程建设和发展过程中的一些关键问题进行了阐述。

1 《高频电路》课程的教学内容及特点分析

1.1 《高频电路》课程内容

本文作者讲授的《高频电路》课程共包括54课时，分为18讲，其中课堂习题及自学占3课时。该课程的研究对象是以无线通信系统为代表的各类高频电子与通信系统以及其系统中高频基本元器件、基本电路与功能单元，特别是对其中高频电子线路的电路结构、工作原理、性能参数分析进行重点讲授。图1是无线通信系统的基本组成框图。如图1所示，典型的无线通信系统包括发信机和收信机两大部分；其中发信机的任务是将信息以无线电手段发射到远处的对方，收信机的任务是接收电磁波信号，还原出传输信息。在发信机中：信源（话筒）输出信号经过低频放大器放大；低频放大器输出信号控制载波振荡器的某些参数（如幅度或相位）实现调制；调制后的信号经过变频器实现信号频率的变换；高频信号经过功率放大器提高信号幅度以满足末级天线发射的需求，随后天线将信号辐射到空间中。在收信机中，接收天线接收的微弱信号输入到高频小信号谐振放大器，实现信号放大和选频功能；放大后的高频信号经由混频器和本地振荡器组成的频率变换单元下变频为中频信号；该中频信号经过中频放大和滤波器后输入解调器进行解调，恢复出原输入信息；经过低频放大器放大后输入到通信终端的信宿（扬声器）。从上述无线通信系统的基本组成中可以得出《高频电路》课程的核心知识单元，包括高频电路基础、高频放大器、高频振荡器、调制与解调电路、混频电路。

图1 无线通信系统的基本组成框图

从课程体系上来说，《高频电路》的理论课程体系包括“系统分析与设计”“高频基本元器件与基本电路”和“单元电路与功能电路”等部分。其中第一部分“系统分析与设计”包括第1章中无线通信概述、收发信机结构、无线信道，第2章中电子噪声、噪声系数与接收灵敏度等内容；第二部分“高频基本元器件与基本电路”包括第2章中基本元器件、谐振回路、变压器、晶体滤波器、衰减器等内容；第三部分“单元电路与功能电路”包括第3～8章中放大器、振荡器、频谱变换电路和反馈控制电路等内容。该课程涉及的基本概念、基本理论和基本方法都与实际的无线通信系统紧密相关，具有较强的工程性。其中《高频电路》课程中的基本电路包括频率选择电路、阻抗匹配与阻抗变换电路、LC谐振放大电路、LC和晶体振荡电路、乘法器电路、包络检波电路、变容二极管调频电路、鉴频与鉴相电路、自动增益/频率控制电路、锁相环电路和频率合成器电路。

1.2 《高频电路》课程特点分析

《高频电路》课程的特点可以概括为“高频”和“非线性”两方面。该课程的难点主要体现在元器件和电路在高频和非线性状态时的分析和使用方法。对无线电波的频率或者波长进行分段，分别称之为频段或波段。表1是无线电波的频（波）段划分表。由于不同频段的无线电波信号的电磁特性差异通常比较大，因而其生成手段、传播特性、应用场合也不尽相同。狭义的“高频”信号是指短波波段，频率范围在3～30 MHz内的信号。需要注意的是，本课程中“高频”并非狭义的高频，而是广义的高频，或者也被称为“射频”。本课程中“高频”的频率范围可从数十kHz到数几GHz的范围；具体来说，是电路尺寸远小于工作波长，可以用“路”来实现某种特定功能的频率范围。工作在“高频”范围内，需要考虑有源器件的高频效应及电路的高频效应带来的影响。有源器件的高频效应包括：载流子的高频效应（如渡越时间影响、迁移率退化等）；非线性电抗效应；引线电感；饱和压降影响和噪声。有源器件高频效应带来的影响包括性能下降、参数变化、不稳定、电磁干扰和电磁屏蔽以及分析测试的复杂化。电路的高频效应主要分布参数效应、趋肤效应和辐射效应。分布参数效应是指高频电路中导体间、元器件与地间、元器件间存在寄生电容；连接元器件的导线存在电感和元件自身的寄生电感。上述寄生电容和寄生电感等寄生参数的存在，不仅使得电路特性受环境影响，而且使得分析与设计复杂。趋肤效应指当频率升高时，电流趋于集中在导体表面，减小了有效导电面积，使得交流电阻远大于直流电阻，从而使导体损耗增加，恶化电流性能。辐射效应则会使得信号泄露到空间中，不能全部传输到负载上，产生能量损失和电磁干扰。

表1 无线电波的频（波）段划分表

所有实际电子元器件和电子电路都是非线性的，线性电路是一种理想化的概念和工程上的合理近似。非线性元器件的伏安特性是非线性的，对其描述通常涉及多个参数，如直流跨导、时变跨导和平均跨导等。相比于低频线性电路，非线性电路的特性包括不满足叠加定理以及能够产生新的频率分量。非线性电路的有利功能包括：（1）能量转换功能。如功率放大器电路中非线性电路在输入信号控制下，能够把直流电能转化为根据输入变化的交流能量；振荡器电路在无输入信号控制下，能够将直流电能转换为按特定频率变化的交流能量。（2）频率变换功能。包括频谱线性搬移，如幅度调制、解调和混频；频谱非线性搬移，如相位调制和频率调制。非线性电路的不利影响包括：谐波失真；互调与交调干扰；增益压缩；饱和与动态范围降低；包络失真；杂波响应等。非线性电路的分析方法可以分为三大类，分别是（1）解析法求解非线性微分方程。这种方法较为复杂烦琐，求解困难，通常不被采用。（2）数值分析法，这是一种有效的现代分析手段。（3）工程分析法。通过明晰电路工作过程与物理现象，以图解法或指数函数分析法、折线近似分析法、开关函数分析法、线性时变电路分析法和频谱法进行求解。

2 《高频电路》课程的教学方法探讨

《高频电路》是“电子线路”系列课程中承前启后的课程，需要很多的先修课程知识，如《电路分析基础》和《模拟电子线路》；同时与后续课程，如《微波技术》和《通信原理》等课程的有关内容难以有效衔接。此外，《高频电路》课程中各类原理电路和实际电路较多，且以非线性分析为主，分析方法也不统一，难以系统化梳理；因此该课程虽然与实际工程应用联系紧密，却也是难教和难学的一门课程。为了提高本课程的教学质量和整体的人才培养质量，培养学生高频电路与系统的研究分析能力、工程设计能力和实践动手能力，提高学生的适应性，有必要对本课程的教学方法进一步探讨和改进。

课程建设与教学手段方面可以改进的方法包括：完善课程体系，理顺相关课程和相关内容的关系；强化系统观念，处理好单元电路与系统的关系；对各种电路、分析方法等进行归纳、总结和对比；有机结合板书和多媒体教学，有机结合讲授和讨论，形象生动地讲清、讲透有关概念、电路和分析方法；加强例题与习题讲解和课后辅导工作；强化实物演示、实验、和课程设计等实验与实践环节。此外，还可以从提高学生学习兴趣与积极性的角度改进课程教学质量[4]，可能的方法包括：在多种场合以多种方式向学生说明或展示本课程内容的重要性和实用性；探求学生的认知规律，围绕无线通信习题的设计与应用组织教学内容，注重新颖性、先进性和工程实用性；给学生留有时间，有目的地完成更深入的学习和实践；发展配套教学资源，如电子教案和多媒体资源、国内外相关的技术书籍、手册或软件工具。

3 结束语

在工程教育专业认证的大背景下，工科教育需要回归工程，要求培养学生具有扎实的专业理论，工程实践能力，系统分析与设计能力，创新思维能力的综合素质。针对苏州大学电子信息类本科专业核心专业基础课程《高频电路》的教学工作，本文首先阐述了该课程的主要理论教学内容，包括核心知识点和知识单元；并对该课程的重点、特点以及教学难点进行了分析讨论；在此基础上探讨了《高频电路》课程的进一步建设与发展，提出了相应的教学方法，以期通过该课程培养学生的学习能力和实践能力，培养其高频电路与系统的分析与工程设计能力，提升其综合竞争力。