“射频通信与天线”课程群课赛结合培养模式探索与实践

王 平，邵 羽，叶志红，李 强

（重庆邮电大学通信与信息工程学院，重庆 400065）

蜂窝移动通信、微波卫星通信、航空航天的高速发展和广泛应用，使与无线通信技术紧密相关的射频工程师人才需求大增。为此，不少高校相继开设培养射频工程师、天线工程师的一系列课程，并把射频工程人才的培养纳入新培养方案中〔1-5〕。重庆邮电大学通信与信息工程学院利用2016版培养方案修订的契机，对电子信息工程专业方向培养方案进行调整，设置“射频通信与天线”课程群模块，培养学生“射频技术、天线新技术”的专业能力，于2015年组建了相应的教学团队，承担课程群相关课程的教学。同时，配合理论教学开设了“射频通信电路实验”“天线实验”课程（包括必要的电路元器件和仪器的实验测量、规范操作等内容）。但教学过程中存在如下问题：一是，射频技术与实践动手能力紧密联系，学生难以在灌输式的理论课堂中理解射频元器件的基本原理、各类型天线工作机理与指标标定以及射频通信系统的构成与各模块的功能，特别是课本上的实验现象直接呈现，学生难以理解透彻。二是，配置的实验多为验证性实验，由教师提前设计好，学生只需按照教师的指导就可实现。该教学模式下学生只掌握了相应元器件的测试方法，但对发生的现象及设计过程不太理解。三是，实验学时少，实验内容有限。学生没有经历从产品需求分析到系统设计，再到测试分析的完整过程。四是，大部分学生通常状态就是期末考试及格、获得相应学分即可，完全与培养计划和目标背道而驰。因此，为配合学校/学院构建一流学科人才培养体系，以新工科建设和工程教育专业认证为抓手，坚持以学生为中心、上课形式多样化、教学资源多样化，对学生科学“增负”，提升学生的专业素质和创新意识。

本文将课赛结合人才培养机制〔6-9〕引入课程群中，紧密结合课内教学、实验教学知识点，探索竞赛选题、赛前培训、仿真设计与开发、测试数据分析等过程的工程人才培养可行性。竞赛的开展，让学生在理论与验证性实验阶段的掌握提升到设计与实验制作、测试、数据分析各环节的训练，有效地培养了学生独立研究能力、团队协作能力、创新能力和综合设计能力，显著提高本科生培养质量。

1 课程群架构与实验平台建设

1.1 课程群架构为了培养射频/微波/毫米波工程方面的创新型人才，全体教师研讨该课程群如何与已有课程进行衔接，实现了课程群在电子信息工程专业人才培养过程中的前后紧密相关性，见图1。

图1 课程群与基础课程之间的关系与顺序

从知识结构来看，“复变函数与特殊函数”是数学基础课程，“电磁场与电磁波”属于物理基础课程，而“微波技术基础”和“通信天线”是其物理基础工程应用，要先理解电磁场与电磁波的物理基础，才能理解和推导微波技术、通信天线中涉及的工程应用分析。相比之，“射频通信电路”注重射频前端的电路元件讲解，例如放大器、滤波器、混频器等元件及系统集成设计，而“微波毫米波系统工程”课程具体讲解这些元器件在移动通信系统、雷达系统中的系统融合及工程应用。

从系统结构上来看，“射频通信电路”课程讲解元器件如何设计，如何实现信号的产生、放大、处理能力，“通信天线”课程主要集中在电磁信号的辐射和接收，主瓣方向、旁瓣电平、峰值增益、辐射效率等指标的描述。而“微波技术基础”课程集中能量传输（即场与波的传输）过程中所涉及的阻抗匹配、插入损耗、模式匹配或转换等过程。因此，该课程群集中在信号的产生、传输、辐射、接收、处理等物理过程，体现在“微波毫米波系统工程”课程中。

1.2 实验平台建设该模块课程概念抽象、数学公式繁杂，学生通常觉得枯燥无味，不易于理解和掌握。为了提高本科培养质量，实验中心开设了验证型和设计型实验，将抽象的理论与直接感观认知联系起来，实现对所学知识更快、更深入的理解和掌握，锻炼学生的动手能力和设计创新能力。

（1）典型天线演示实验平台设计〔10〕。以模块化方式搭建出相应的测试和演示平台，重现天线电磁辐射、传输、接收的物理现象，使学生深刻理解整个测量链路系统中所涉及的基本原理、测量技巧与操作规范。主要模块包括射频信号发射机、射频信号接收机、测试用电动转台、圆极化测试转台和各类型收发天线。

（2）射频通信电路测试实验平台设计。经中地共建项目资金的资助，采购了数台通信矢量信号发生器、射频通信信号分析仪、射频通信元器件组件、微波普通噪声源、微波噪声系数分析仪及相应的控制软件和演示平台。使学生对无线通信射频关键硬件电路和系统集成的设计、实现、指标等有更为深入的认识和了解。进一步夯实学生的理论基础，切实提高学生实际硬件电路设计、应用与动手能力，推动教学质量的进一步提高。

1.3 理论课程与实验内容之间的对应关系实验分为两大部分：微波天线实验部分和射频电路实验部分，与课程内容相结合的实验内容体现如下：

（1）天线端口阻抗匹配实验。课堂教学中要求计算对称偶极天线或单极天线的端口阻抗随频率的函数表达式，故阻抗匹配实验可以让学生更深刻地理解天线阻抗的变化规律。

（2）方向图测试实验。理论课程讲解了各类型天线的辐射方向图及频响特性。为了让学生更能从实际现象中理解课本知识，可设定两种特殊辐射方向图进行测试验证，即全向辐射方向图（单极天线实现）、端射或定向方向图（八木天线、对数周期天线）。

（3）圆极化天线测试实验。在理论课程中讲解了等角螺旋天线或阿基米德螺旋天线，实验项目对应设置了等角螺旋天线测试实验。

（4）多径效应实验。理论课程中，引入了天线测试基本原理、实验操作规范的讲解。因此，实验课程中选用10 GHz屏蔽箱进行测试分析。

（5）阻抗匹配网络实验。学生深刻理解阻抗变换的原理和设计匹配网络的方法，具备测试放大器输入/输出匹配网络性能和初步设计放大器输入/输出匹配电路的能力。

（6）选频回路实验。射频滤波器的测试参数有插损、带宽、带外衰减、品质因数、矩形系数等，并设计、装调射频滤波器。通过对测试结果的分析，加深对滤波器各种主要参数的理解。

（7）功率放大器实验。让学生了解功率放大器的基本结构、工作原理及其设计步骤，掌握功率放大器增益、输出功率、噪声系数、频率范围、线性度、效率和输入/输出端口驻波比等主要性能指标的测试方法。

（8）混频器实验。测试（环型二极管）混频器的主要特性参数（变频特性、变频损耗，1 dB压缩点、交调、三阶截点等），加深对信号时频域仪器操作的理解和掌握。

（9）本振信号产生实验。通过直接频率合成实验，使学生加深对直接频率合成（direct digital synthesizer，DDS）技术的理解，了解DDS芯片AD9959可以实现的多种功能，掌握直接数字频率合成芯片DDS的特性及功能。

2 课赛结合培养模式的探索与实践

2.1 课赛结合实施方法以“课赛结合，以赛促课”的原则，2019年春季采用课赛结合、创新学分获取、奖品奖励等多种方式激励电子信息工程专业学生积极参与竞赛，促进“射频通信电路”“通信天线”等课程的教学，见图2。

图2 课赛结合培养模式结构图

考虑到学生对知识点掌握程度不一致，竞赛题目不应过难，但也不应简单，而且要体现所学课程知识。经调研各相关领域学生竞赛的方法和经验，探索竞赛内容的拟定和考核办法。为了降低难度：（1）采用发射电路，而非接收电路；（2）发射电路仅需本振信号产生电路和放大器电路。其中，晶体管为指定晶体管（BFG505）〔11〕，提供信号放大，学生可查询其产品手册即可获得连接方式和参数；（3）工作频率选用较低频率，提高成功率。

学生在指定的时间内，建立一个无线发射机和一个天线，现场发射连续的2.8 GHz电磁波信号。通过发射机本振信号频率、S参数、天线方向图参数、品质因数等综合评价学生作品的发射机和天线性能。品质因数（Q）可定义为：

其中，Pr是频谱分析仪所测得的功率，PN是发射机输出信号偏移量为1 MHz时的相位噪声，Perr为所测得的输出信号频率fout与目标频率（fo=2.8 GHz）偏移量的函数，其计算值表示为：

另外，竞赛元器件的制作必须在给定的晶体管、给定的介质基板上全手工实现，测试方案见图3。

图3 评价学生作品的发射机和天线性能测试方案

2.2 实施状况通过前期规划，至今已进行了一次竞赛实践。7个学生组成一个管理团队负责竞赛的申请、报名、统计、材料购买和搬运、规划、场地安排等工作。竞赛材料需提前购买，包含晶体管、铜箔胶带、电阻、电容、电感、镊子、尖嘴钳、剪刀、直尺等一系列材料。报名学生自由组合为一个参赛团队，最多允许4人一组（通常3～4人：一人设计天线，一人设计发射机电路，1～2人熟悉测试和原理分析）。报名截止后，总共安排两场赛前培训，由本专业教师完成，根据竞赛内容进行培训讲解，正确引导学生结合理论知识进行仿真设计。

竞赛分为预赛、决赛两个过程。其中，预赛为仿真设计过程，每组必须准备详细的仿真设计报告来提交作品的原理图与仿真结果（不少于10页，需要转为pdf格式），并发送给学生竞赛评审专家。能提交初赛作品共29组（每组约4人），初赛作品由各竞赛评审专家交叉评阅打分，计算平均分，最终按平均分从高到低排序选取15组进行决赛。决赛是一个全手工封闭式操作环节，每组学生在指定的时间内，一般为6～8 h，需按照自己的分工进行制作、测试、分析等环节，建立一个无线发射机和一个天线现场传输连续的2.8 GHz电磁波信号，得出一个最佳性能的样品。评审时，可将样品分成三部分来评价：天线部分（20%）、发射机部分（20%）和系统部分（60%）。最后，决赛样品经实验测试和评审，评判出一等奖、二等奖、三等奖和优胜奖。最后，全体成员进行合影留念。下面是2019年度春季学期两个典型案例，见图4。

图4 学生竞赛作品

图4（a）为2019年春季决赛时第11组竞赛团队开发的相应本振信号产生电路和Yagi天线。通过本振电路作为信号的产生和发送部分，向天线提供功率，并通过天线辐射出电磁波。

图4（b）展现了第28组竞赛团队设计的本振信号产生电路和贴片天线，以此理解信号产生和天线辐射的物理过程。在接收端，一个标准同频段工作的喇叭天线连接到频谱分析仪上，并保持喇叭天线和信号发射的贴片天线最大方向在同一平面上且对齐。然后，在频谱分析仪上读取最大接收功率。

2.3 课赛结合效果

2.3.1 知识深度与广度的拓展竞赛内容通常围绕平时的大学生科研训练、创新创业项目等，竞赛为开放性实验项目，需要借助实验室资源、学术或市场调研才能完成。课赛结合的方式使得学生在完成竞赛项目时需要经过不同的进程，并在每个进程中要优化控制，各进程是否顺利完成，学生们需要全方位地分析问题、原理、现象产生机制等。竞赛项目不仅涉及所学的知识点，可能部分会超越所学知识，就需要向其他专业或高年级学生，甚至研究生请教或一起讨论，获得进步。

竞赛过程中，学生需要熟练使用矢量网络分析仪、频谱分析仪、直流电源，也需要掌握天线测试原理与方法。因此，竞赛前，学生要查阅资料、咨询高年级学生/研究生/指导教师，扩展知识点的广度。

2.3.2 工程化思维的培养 赛前，专门开设内容培训、仪器使用规范、焊接实验等操作，所有参赛学生以小班的形式参与，在一个开放式互动的教学场所进行强化训练，提高竞赛质量。培训后，团队需要任务分工和思路引导，使学生在拿到竞赛题目后，能快速进行知识点关联、课题调研（深入查阅科技论文、专利等资料）、指标确定、元器件设计、系统集成设计、调试、测试等流程。同时，在组长带领下要定期开会讨论和PPT报告进展，产生紧迫感，参与竞赛的效率自然得到提高。每个成员不仅要对自身分工内容负责，而且也要为团队中其他人员的工作负责，体现了团队的合作精神和责任感。

2.3.3 学生创新能力、动手能力的提高如前所述，在赛前安排一定的知识点讲解（例如：本振信号电路、放大器电路、各类型天线的仿真设计）、测量仪器操作及规范、焊接操作等培训，可以提高学生的动手能力和分析能力。另外，竞赛题目既要让学生从中巩固基础、提升能力，又要有一定的挑战性，供学生发挥创造性，再结合指导教师的帮助，可深入查阅科技论文、专利等资料，培养学生的思维能力和创新能力。

2.3.4 课程群与竞赛互相促进竞赛的开展，使学生将理论知识运用到实际设计中，把各门课程中众多孤立的知识点连成一个整体，加深了学生对理论知识的理解，构筑课程群知识网络。相应地，教师将竞赛项目及竞赛过程中暴露的问题进行汇总整理，并融入理论课程和实验课程的讲授中，就能够优化教学内容，真正做到理论联系实际。

3 存在问题与教学方法思考

3.1 存在问题虽然学生参与热度较高，培养质量也明显得到提升，但仍存在如下问题：

（1）对仿真软件不够熟悉。参赛学生必须熟练掌握HFSS、ADS等电磁仿真软件，但由于第一次接触仿真软件，加上使用时间较少，学生对一些元器件的参数特性都不知道如何提取，为后面的原理分析、仿真设计造成了困难。

（2）焊台操作能力差。实践中大部分学生的焊接操作能力不足，甚至部分学生第一次使用焊台，导致大量锡焊接在电路板上，电路短路现象时有发生，特别是在焊接电感、电容、电阻时，尺寸较小，大部分学生都不能正确地、适当地焊接好。

（3）测量仪器使用不熟悉、不规范。虽在赛前进行了仪器操作培训，也有一定接触测试仪器的机会，但部分学生还是在操作电压源、频谱仪、矢量网络分析仪等仪器时，明显表现出不熟悉，使用流程也不规范。其主要原因是，在团队分工下，测量仪器的掌握仅限于团队的某一人，而其他人就会完全不接触测量仪器。

（4）电缆线连接操作不规范，经常电缆线外壳已断裂，学生还在继续使用，不够细心，缺乏动手能力。

3.2 改进方法（1）线上教学资源建设。仿真教程编写、课件制作和实验视频录制，上传至课程网站，供学生平时在线学习。线上教学主要讲授学生如何使用HFSS、ADS等仿真软件，让学生获得天线领域计算机辅助设计的能力。

（2）课堂教学优化。在课堂教学及课后作业中，引导学生积极学习仿真设计。实验课程中，进行简单的关键器件仿真设计。做得好的学生，可以资助他们加工天线样品和关键电路样品，并进行测试和分析。只有经过大量仿真和实物测试、分析等训练，学生才能获得更优异的成绩。

（3）参考竞赛题目，制作更为明确的培训资料和设计案例。从资料和案例明确指出与课程群专业课程的衔接关系，重点指出哪些章节、知识点内容、仪器设备使用等参考资料的掌握可以基本完成此案例。

（4）增加科研成果服务竞赛和教学，提高培养质量〔12〕。以教学团队教师科研方向、内容为主题，在课堂教学、实验教学、竞赛内容、培训中引入一定的科研成果。

（5）对于大赛样品较好的组，可以引导他们继续进行样品改进，更深入地进行仿真、设计、加工测试等过程，最终形成学生的本科毕业论文。

4 结语

“课赛结合、以赛促课”的培养方式牵引着学生在动手能力、团队合作、分工精神等方面得到加强，也提供了一种课程知识点检验和能力施展的平台。赛前需对竞赛题目和内容的拟定、竞赛实验材料与仪器、赛前培训及参考资料进行规划与建设。预赛、决赛中，根据培养目标、竞赛题目、提供的素材、不同层次的参赛学生等方面进行综合考虑，制定出相应的评审标准，含系统评审标准和元件评审标准。通过一年的实践证明，教学中引入课赛结合，能提高学生的动手能力、工程实践能力、分析问题的能力、解决问题的能力，能助力通信工程、电子信息工程、电磁场与无线技术、电子科学与技术等专业创新性人才的培养。