《射頻電路基礎(chǔ)》課程的實驗教學(xué)設(shè)計

舒若　蔡麗萍

摘要：針對《射頻電路基礎(chǔ)》課程的課堂教學(xué)內(nèi)容，設(shè)計了16個學(xué)時的基于ADS軟件的實驗教學(xué)內(nèi)容。相關(guān)實驗與課堂教學(xué)結(jié)合緊密、實踐性強，實施后提高了教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：射頻電路設(shè)計；實驗教學(xué)；先進設(shè)計系統(tǒng)

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）52-0273-02

一、引言

近年來，隨著通信技術(shù)和計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，電子系統(tǒng)的工作頻率越來越高，射頻電路應(yīng)用廣泛，國內(nèi)外都嚴重缺乏從事射頻電路設(shè)計的專業(yè)人才，目前相關(guān)課程已經(jīng)廣泛在國內(nèi)外高校開設(shè)[1]。

《射頻電路基礎(chǔ)》是我校在2014年通信工程專業(yè)本科培養(yǎng)方案中新開設(shè)的針對大三學(xué)生的限選課程，開設(shè)目的是希望通過傳授射頻電路基礎(chǔ)知識，為學(xué)生就業(yè)和升學(xué)提供一個“新”的方向，同時將本專業(yè)的與電路設(shè)計相關(guān)的教學(xué)內(nèi)容，從《電路分析》關(guān)注的低頻領(lǐng)域和《高頻電子線路》關(guān)注的高頻領(lǐng)域，擴展到射頻領(lǐng)域的電路設(shè)計。本門課程的學(xué)時情況是：課堂教學(xué)32個學(xué)時，實驗教學(xué)16個學(xué)時。

二、《射頻電路基礎(chǔ)》的課堂教學(xué)內(nèi)容

課堂教學(xué)內(nèi)容分為6章：第1章講主要講述射頻電路設(shè)計的背景、射頻頻譜范圍、基本量綱和單位、無源元件的射頻特性。第2章主要講述傳輸線理論，包括等效電路模型、傳輸線方程、特性阻抗和反射系數(shù)、典型終端條件等。第3章講述史密斯圓圖，包括阻抗圓圖和導(dǎo)納圓圖、圓圖上的串并聯(lián)頻率響應(yīng)等。第4章講授匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，包括各種匹配方案和匹配網(wǎng)絡(luò)中的帶寬問題。第5章講授多端口網(wǎng)絡(luò)和散射參量。第6章講授射頻放大器設(shè)計，包括射頻放大器的分類、特性指標、直流偏置電路設(shè)計、功率關(guān)系、匹配電路設(shè)計、穩(wěn)定性判別等內(nèi)容。

可以看出，本門課程涵蓋了射頻電路設(shè)計領(lǐng)域的基礎(chǔ)概念和理論、基本設(shè)計原則和方法，課堂教學(xué)之外必須設(shè)計對應(yīng)的實驗教學(xué)內(nèi)容以加深學(xué)生對課程知識點的掌握，同時實驗教學(xué)中需要傳授射頻電路設(shè)計工具的使用。

三、《射頻電路基礎(chǔ)》的實驗教學(xué)設(shè)計

ADS（Advanced Design System）是美國安捷倫公司所生產(chǎn)的電子設(shè)計自動化軟件，也是當今國內(nèi)各大學(xué)和研究所使用最多的射頻電路和通信系統(tǒng)仿真軟件[2]。我們設(shè)計的實驗內(nèi)容基于ADS軟件進行電路設(shè)計和仿真，共8個實驗，每個實驗2個學(xué)時，共16個學(xué)時。實驗教學(xué)根據(jù)課堂教學(xué)進度進行同步安排，單次實驗的人數(shù)為1個班級30人，3個班級輪流進行實驗教學(xué)。我們設(shè)計的具體每個實驗的名稱見圖1。

實驗一主要學(xué)習(xí)ADS軟件的使用，包括ADS軟件基礎(chǔ)操作講解、電路原理圖建立、仿真，以及Murata公司的元件庫安裝。實驗二依據(jù)傳輸線理論和射頻工程師法則進行電路分析和典型終端條件的設(shè)計。實驗三要求學(xué)生依據(jù)給出的負載阻抗和波源阻抗，使用史密斯圓圖應(yīng)用工具，分別采用分立元件和微帶線進行匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。實驗四采用具體電路板進行微帶線電路設(shè)計，包括微帶線的基片參數(shù)設(shè)置和ADS微帶線計算器的使用。實驗五進行晶體管偏置電路設(shè)計，包括晶體管直流特性分析、直流偏置電路設(shè)計、晶體管散射參數(shù)掃描、穩(wěn)定性因子和最大增益測量。實驗六基于負反饋電路進行射頻放大器的穩(wěn)定性設(shè)計。實驗七主要根據(jù)相關(guān)設(shè)計指標和噪聲系數(shù)圓與等功率增益圓設(shè)計輸入端匹配電路和輸出匹配電路，測量噪聲系數(shù)和功率增益。實驗八根據(jù)實驗七的電路原理圖進行版圖設(shè)計。

四、《射頻電路基礎(chǔ)》實驗教學(xué)的特點

通過上述實驗內(nèi)容的安排和組織，本課程實驗教學(xué)具有了以下特點：

1.與課堂教學(xué)知識點結(jié)合緊密。實驗完全覆蓋了課程的課堂教學(xué)內(nèi)容，針對教學(xué)重點和難點進行了實驗內(nèi)容設(shè)計，既注重射頻電路基礎(chǔ)知識的理解又注重ADS軟件設(shè)計技能的訓(xùn)練。比如實驗二的內(nèi)容完全依據(jù)傳輸線理論進行設(shè)計，要求學(xué)生自行設(shè)計電路驗證射頻工程師法則，驗證終端短路和開路的阻抗公式。課程所有實驗實施后，學(xué)生使用到了ADS軟件的多個元件庫和智能控件，掌握了基礎(chǔ)的基于射頻無源元件、微帶線和射頻放大器的電路設(shè)計技巧。

2.工程實踐性強，大幅度使用半導(dǎo)體公司的射頻元件。多個實驗中用到了Murata公司的元件庫，實驗四以FR4為電路板材料進行微帶線參數(shù)計算和設(shè)計，實驗五、六、七對安捷倫公司的ATF54143射頻放大器進行低噪聲功率放大器設(shè)計。上述一些元件的使用需要下載和安裝相應(yīng)公司的元件模型，需要閱讀產(chǎn)品說明和分析典型電路，在此基礎(chǔ)上再進行電路設(shè)計。

3.組織方式合理，設(shè)計型實驗和綜合型實驗比例高。我們將每次實驗課堂內(nèi)容分為教師講解部分和學(xué)生操作部分，教師先講解本次實驗中ADS相關(guān)控件的使用方法，并且演示如何進行電路設(shè)計和仿真。學(xué)生在后續(xù)操作中，針對具體任務(wù)進行電路設(shè)計。實驗內(nèi)容有一定難度，多數(shù)是設(shè)計型實驗或綜合型實驗。

4.實驗前后關(guān)聯(lián)性強，設(shè)置合理。8個實驗前后聯(lián)系緊密，比如實驗二的傳輸線電路設(shè)計是實驗六中射頻放大器負反饋電路設(shè)計的基礎(chǔ)，實驗三的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計是實驗七中射頻放大器前后端匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的應(yīng)用基礎(chǔ)。課堂教學(xué)的第6章射頻放大器設(shè)計是課程的難點，學(xué)生較難掌握，我們將其主要知識點進行分解，在實驗五、六、七中分別設(shè)計實驗內(nèi)容，讓學(xué)生在同一個ADS工程中進行電路的逐次設(shè)計，最后完成了射頻放大器電路的全部設(shè)計工作。

5.使用了小班授課和云課堂教學(xué)。我校通信工程專業(yè)每屆學(xué)生為3個班90人，本門課程連續(xù)3年選課人數(shù)在80人左右。每次實驗人數(shù)約為1個班30人的規(guī)模，實驗指導(dǎo)教師有2人，可以充分保證在現(xiàn)場及時地對學(xué)生進行答疑和輔導(dǎo)，并且我們在本校云課堂上進行了該課程的建設(shè)，上傳了實驗教學(xué)的教師講解部分的視頻，學(xué)生可以控制視頻的觀看速度和復(fù)習(xí)回顧。

五、結(jié)論

《射頻電路基礎(chǔ)》是我校通信工程專業(yè)的一門新開課，課程內(nèi)容定位為傳授射頻電路設(shè)計領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論和基本電路設(shè)計方法。相對于32個學(xué)時的課堂教學(xué)，16個學(xué)時的實驗教學(xué)學(xué)時量比較大，這樣設(shè)置的根本原因是為了充分保障學(xué)生學(xué)習(xí)更多的具有實際應(yīng)用價值的設(shè)計實例，培養(yǎng)學(xué)生電路設(shè)計軟件的操作能力。本門課程內(nèi)容較多而且很抽象，理論知識和工程應(yīng)用結(jié)合緊密，學(xué)生學(xué)習(xí)起來比較困難，因此實驗教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計非常關(guān)鍵。

我們的實驗教學(xué)設(shè)計充分考慮了相關(guān)理論知識在電路設(shè)計中的體現(xiàn)和ADS設(shè)計軟件的訓(xùn)練，并且采用實際半導(dǎo)體公司產(chǎn)品進行電路設(shè)計，實驗內(nèi)容安排合理，組織得當，工程實踐性較好。實驗實施后，學(xué)生評價較高，取得了極好的教學(xué)效果。

參考文獻：

[1]Reinhold Ludwig，Gene Bogdanov.射頻電路設(shè)計——理論與應(yīng)用[M].第2版.北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[2]徐興福.ADS2011射頻電路設(shè)計與仿真實例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014.