高頻電子線路教學改革探索

陶小魚 重慶電子工程職業(yè)學院 通信工程學院

高頻電子線路是通信、電子類專業(yè)的重要的專業(yè)基礎課程，課程的主要內容包括無線通信系統(tǒng)射頻前端的大信號高頻放大、小信號高頻放大、振蕩器、混頻器、模擬調制和解調，課程具有很強的理論性和工程性，這些內容對通信、電子類專業(yè)的學生建立通信電路的基本概念，為后續(xù)專業(yè)課的學習奠定了必要基礎。

高頻電子線路課程內容體系延續(xù)使用了三十余年，課程涉及的電路分析以分立有源器件三級管、二極管為主，接收電路采用超外差結構，以模擬廣播電視中的收音機、電視機的高頻部分作為教學的主要內容，振蕩器、放大器和混頻器電路主要以固定頻率和窄帶信號為主。課程內容比較抽象、知識容量大、公式多、分析復雜，教學和學習的難度很大，是教學中的難點。

隨著移動通信技術的高速發(fā)展和半導體產業(yè)的持續(xù)變革，通信行業(yè)采用的半導體器件集成度越來越高，目前分離有源器件應用領域已發(fā)生了重大改變，分離有源器件主要應用于電源和功率控制電路，通信電路主要采用MMIC、HMIC、DSP、處理器和FPGA等高集成度芯片進行設計，降低設備整體尺寸、重量和功耗是通信電路設計持續(xù)追求的目標；無線通信系統(tǒng)架構從超外差逐步演變到零中頻，多頻段、多模式、寬帶的應用越來越廣泛，工作頻段從幾百MHz提高到了數十GHz；電路的實現方式也發(fā)生了根本性的變化，模擬調制解調基本被數字信號處理所取代，逐步實現軟件決定的架構，以便能夠動態(tài)改變、在現場更新或在工廠配置實施方案和工作模式。

高頻電子線路的教學內容已無法適應通信電子行業(yè)高速展的需求，知識體系、課程內容與分析方法和實際的行業(yè)應用有較大的差距。為了促進應用型、技術技能型和復合型人才培養(yǎng)，對教學進行改革探索，結合產業(yè)和技術發(fā)展的需求，采用工程實例和EDA手段開展教學，深化學生對書本知識的認識，構建較完善的知識體系，培養(yǎng)學生的自學能力和解決工程問題的能力，能更好的走向工作崗位和適應社會經濟發(fā)展的需求。

一、構建知識體系架構，加深知識理解

隨著社會的不斷發(fā)展，獲取知識載體的方法和手段變得很容易，學生可以通過網絡獲取豐富的課程相關資源和知識，這也是實際工作中需要具備的重要能力。培養(yǎng)學生資料搜集和技術跟蹤能力，增加對技術發(fā)展趨勢的了解，學習目前通信系統(tǒng)天線、射頻前端模塊、射頻收發(fā)模塊以及基帶信號處理器四部分主體架構。

射頻前端芯片主要是實現信號在不同頻率下的收發(fā)，包括射頻功率放大器、射頻低噪聲放大器、射頻開關、濾波器、雙工器等，相關內容主要體現在高頻電子線路的放大器部分，基本采用MMIC器件或者射頻模塊、組件進行電路設計實現；MMIC將高性能微波晶體管與低損耗無源元件和傳輸線相結合，形成具有多個互連的復雜電路，相對分立器件電路，MMIC在成本、功耗、尺寸和可靠性方面具有明顯優(yōu)勢。超外差收發(fā)架構已有數十年歷史，近年來隨著模數轉換器采樣速率的迅速提高、嵌入式數字處理的采納以及匹配通道的集成，普遍采用集成式射頻收發(fā)器進行電路設計，集成式射頻收發(fā)器提供一套完整的從RF到數字轉換的信號鏈路，還包括射頻控制環(huán)路所需要的全部功能，傳統(tǒng)的振蕩器、混頻電路僅僅是集成式射頻收發(fā)器重要組成部分。

學生通過對行業(yè)系統(tǒng)知識的了解，結合課程的內容加深對放大器、振蕩器等知識的理解，構建高頻通信電路的知識體系。

二、強化基礎概念理論，提高知識的實用性

雖然目前電路設計主要采用數字或者模擬集成電路，實現方式和途徑和教材內相比發(fā)生了很大變化，但是電路蘊含的數學原理和參數指標仍然是一致的，把基礎概念和原理作為教學的重點，課程涉及到的具體電路比較陳舊可以適當刪減，把目前主流工程設計采用的電路形式作為擴展內容，培養(yǎng)學生電路工程設計和應用的基礎能力。

高頻電路頻率截至幾百MHz，隨著通信行業(yè)需求的發(fā)展、器件工藝和集成度的進步、和電磁環(huán)境的日益緊張復雜，通信的主要工作頻率從幾百MHz擴展到6GHz，甚至數十GHz的毫米波頻段。小信號放大使用單片集成放大器，通過輸出端的偏置電阻方便實現放大功能，選頻網絡通過聲表濾波器或者集成可編程濾波器來實現，極大的簡化了電路設計和分析。功率放大器件一般采用內部匹配50Ω阻抗，無需外部匹配便可實現全頻段工作，甚至不需要外部電感便可實現放大器偏置，可以方便輕松集成到系統(tǒng)中。

雖然電路實現的方式簡單了，但是放大電路涉及的工作頻率、工作帶寬、放大增益、1dB壓縮輸出功率、飽和輸出功率、三階交調電平、功率附加效率等概念和指標，仍然是放大電路設計關注的重點。振蕩電路是課程的重點和難點，主要內容是基于分離器件的振蕩電路，電路形式多、分析復雜；現在只有在高穩(wěn)定度和高純凈度的需求條件下才采用分離器件設計振蕩電路，比如測試儀器；目前行業(yè)普遍采用PLL + VCO（集成電壓控制振蕩器的鎖相環(huán)）技術實現針對移動通信、微波無線電、軍事等應用快速開發(fā)低相位噪聲頻率合成器，實現覆蓋頻率從數十 MHz到數十GHz的本振信號；在擴展講授振蕩器實現形式的基礎上，頻率穩(wěn)定度、相位噪聲、雜散指標、頻率捷變時間依然是集成式振蕩器的關鍵指標，這些內容仍然是教學的重點。

三、掌握數學原理，兼顧知識延續(xù)和發(fā)展性

模擬幅度、角度調制是最基礎的調制方式，也是最早廣泛采用的傳輸方式，在調制技術發(fā)展歷程中具有里程碑的重要意義，通過課程學習學生掌握了模擬系統(tǒng)FM、PM調制與解調的原理，以及信號時域頻域波形、混頻、檢波、相位檢測、頻率檢測等通信系統(tǒng)涉及的基礎概念，此外對非線性失真、動態(tài)范圍、頻率偏差、解調門限等系統(tǒng)級的關鍵參數也有了一定的了解。

模擬調制技術存在頻譜效率低、抗干擾能力差、穩(wěn)定性等方面的問題，已被更高頻譜效率的OFDM、QAM、CPM等數字調制方式所取代，此外調制解調主要通過數字信號處理技術在基帶進行處理來提高傳輸的穩(wěn)定性和可靠性，傳統(tǒng)的模擬調制解調電路已經很少采用。但是實現模擬幅度、角度調制的數學基礎和原理，仍然是通過數字信號處理進行復雜波形設計的基礎，只有對信號的時域表達的數學原理充分理解，才能構建調制解調的傳輸模型，進行時域、頻域特性仿真分析和傳輸性能評估，然后通過DSP或者FPGA進行數字信號處理的編程設計，在基帶實現調制解調的算法驗證。

教學過程中把模擬幅度、角度調制的時域表達、頻譜結構、帶寬分析作為重點，具體到電路實現的內容可以采用數字信號處理技術作為補充，比如通過相位積分實現頻率調制、利用CORDIC算法進行相位計算并微分實現鑒頻等，并輔以EDA手段進行算法驗證，讓學生在理解調制解調數學原理的基礎上，通過模型構建和仿真，熟悉現在普遍采用的電路實現方式和設計手段，達到教學基礎性、發(fā)展性和應用性的目標。

四、分析工程案例，運用知識服務需求

高頻電子線路教學中的突出問題是對工作實踐的需求反應比較滯后，分離原件放大電路、振蕩電路、模擬調制電路等內容的知識過于陳舊，與實際需求脫節(jié)，這些電路在后續(xù)的工作中基本不會使用；同時電路的基礎知識偏理論化，實用性方面存在不足，學生對這些知識到底該如何應用感到困惑，從而對學習的興趣、動力和激情帶來負面的影響。

通過工程應用電路，讓學生了解工作中的實際需求，并通過實踐案例教學加深對知識的理解，打通理論知識和具體需求之間的通道。比如結合廣泛使用的70MHz中頻自動增益控制電路，讓同學們熟悉和實踐電路的設計流程：系統(tǒng)指標分配、器件選型、仿真模擬和物理驗證；并把小信號放大、自動增益控制、電路匹配網絡、帶通濾波器、放大的非線性特性等知識點進行綜合和融匯；同時通過電路分析加強對器件具體參數指標和性能的理解，包括：濾波器的幅頻特性、通帶增益、阻帶衰減、駐波比、阻抗等，單片集成放大器的工作頻率范圍、內匹配、增益特性、回波損耗、反向隔離度、1dB壓縮點、飽和輸出功率、三階交調、噪聲系統(tǒng)等；此外利用鏈路仿真工具進行電路各級的時域、頻域信號觀察，對自動增益控制的響應時間、跟蹤誤差和跟蹤范圍等動態(tài)特性進行學習。

通過實際案例，促進學生對行業(yè)半導體器件、電路實現方式和設計手段的了解，對接社會發(fā)展需求，增強了知識的服務性，把知識直接或間接轉化為生產力。

五、了解產業(yè)發(fā)展趨勢，增強責任感和使命感

高頻電子線路主要基于模擬有源、無源器件，實現信號放大、振蕩器、混頻和調制等電路，傳統(tǒng)的分立元件二極管、三極管設計電路，存在穩(wěn)定性差、體積大和功耗大的缺點，混頻、放大和濾波器等前端處理基本被模擬集成電路和模擬前端模塊所取代，調制編碼等基帶處理主要采用FPGA、ASIC芯片來實現。

消費級應用是通信行業(yè)發(fā)展的主要動力，而5G是開啟工業(yè)數字化和物聯網新時代的新一代基礎生產力，5G需要滿足全頻譜接入、高頻段乃至毫米波傳輸、高頻譜效率三大基礎性能，因此對器件和關鍵性半導體原材料的性能要求也相應提高。當前半導體模擬器件產業(yè)正在發(fā)生深刻的變革，以碳化硅、氮化鎵等材料為代表的新材料半導體因其優(yōu)異的性能而受到關注，我國已經成為全球最重要的半導體器件制造基地和全球最大的半導體器件市場。

近十年來隨著國家鼓勵政策的大力扶持，集成電路產業(yè)已成為先導性產業(yè)，更加重視芯片科技發(fā)展對工業(yè)制造轉型升級和信息技術發(fā)展的推動力，半導體器件國產化趨勢顯現以及下游應用領域需求增長的拉升，我國半導體器件行業(yè)蘊含著巨大的發(fā)展契機。同時應該認識到，我國半導體產業(yè)和美、日、韓等發(fā)達地區(qū)還存在較大的差距，通信產業(yè)的元器件國產化率還不足50%，另外新一代信息技術產業(yè)在2025年的人才缺口近950萬人，作為信息產業(yè)基礎的集成電路芯片產業(yè)人才缺口更是巨大。

課堂教學是課程思政建設的主渠道，結合行業(yè)發(fā)展趨勢和產業(yè)格局的變遷，通過高頻電子線路的課程學習，為專業(yè)發(fā)展奠定基礎，培養(yǎng)學生探索未知、追求真理、勇攀科學高峰的責任感和使命感，培養(yǎng)學生精益求精的大國工匠精神，激發(fā)學生科技報國的家國情懷和使命擔當。

六、結語

對高頻電子線路的教學進行探索，以期教學能滿足社會經濟發(fā)展和行業(yè)技術發(fā)展需求，培養(yǎng)學生的資料搜集整理能力，構建知識體系加深對知識的理解，加強對基礎概念的認識，提高知識的實用性，數學原理是不同方式實現高頻電子電路的基礎，通過實踐讓同學們認識到理論基礎的重要性，加強工程實例化教學，科教協同提高學生對知識的運用和應用水平，從課程所涉專業(yè)、行業(yè)、國家等角度，增加課程的廣度和深度，激發(fā)學生的學習熱情，增強學生的社會責任感和創(chuàng)新精神。