無線通信系統(tǒng)電磁與微波技術(shù)教學(xué)的分層設(shè)計

全紹輝

【摘要】針對無線通信系統(tǒng)中的電磁與微波技術(shù)，提出將教學(xué)和實驗實踐劃分為從內(nèi)到外五個層次，包括：電磁傳播層、電磁散射層、天線層、射頻電路層、系統(tǒng)級參數(shù)層。對這些分層所包含的電磁與微波技術(shù)的基本概念、理論、實驗實踐進行了總結(jié)，給出了分層課程設(shè)計和內(nèi)容規(guī)劃。提出按年級進行分層培養(yǎng)的方案，并設(shè)計了包含基礎(chǔ)課程類、仿真實踐類、測量實踐類各欄目的微波學(xué)堂網(wǎng)（wbxt.buaa.edu.en）。

【關(guān)鍵詞】無線通信系統(tǒng)；電磁與微波技術(shù)教學(xué)；分層設(shè)計；微波學(xué)堂

【中圖分類號】G40-057【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A【論文編號】1009－8097（2012）12－0115－04

引言

隨著無線通信技術(shù)的迅速發(fā)展和普及，其教學(xué)研究也越來越受到重視。電磁與微波技術(shù)是無線通信系統(tǒng)的重要組成部分，無線通信行業(yè)的射頻工程師、微波工程師、天線工程師等崗位，通常都要依托工科“電磁場與微波技術(shù)”專業(yè)培養(yǎng)。

“電磁場與微波技術(shù)”是一級學(xué)科“電子科學(xué)與技術(shù)”下的二級學(xué)科，也是電子信息類、通信工程類的一個重要專業(yè)和研究方向，“電磁場理論”和“微波技術(shù)”等課程是該專業(yè)的基礎(chǔ)課，也是無線通信從業(yè)人員的必修課。

然而，在“電磁場理論”和“微波技術(shù)”等課程的實際教學(xué)中，卻經(jīng)常有學(xué)生困惑于這些課程和無線通信究竟有什么關(guān)系。之所以出現(xiàn)這種現(xiàn)象，一方面是這些課程理論抽象，實驗實踐難度大，初學(xué)者不容易消化理解；另一方面，是這些課程的設(shè)計和安排通常自成體系，教學(xué)內(nèi)容與無線通信系統(tǒng)的聯(lián)系不夠直觀明顯。這使得一些初學(xué)者對課程不感興趣，影響其學(xué)習(xí)效果。

為此，我們提出，可在一個完整的無線通信系統(tǒng)中，將涉及的電磁與微波技術(shù)從內(nèi)到外劃分為五個層次，分層進行教學(xué)和實驗實踐訓(xùn)練。這種安排可以使學(xué)生更清晰地了解自己所學(xué)課程的定位，提高學(xué)習(xí)興趣和主動性，為將來針對無線通信系統(tǒng)的課題研究和工作選擇做好準(zhǔn)備。

一、無線通信系統(tǒng)分層

圖1所示為通用無線通信系統(tǒng)基本構(gòu)成示意圖，主體部分通常包括：發(fā)射機、接收機、發(fā)射和接收天線等。其中發(fā)射機和接收機部分又可根據(jù)工作頻率的不同分為射頻單元和中頻單元。射頻單元和天線通過射頻傳輸線連接，射頻單元和中頻單元之間通過中頻電纜連接。發(fā)射天線輻射的無線信號在空間傳輸時，遇到障礙物可能產(chǎn)生散射。無線信號可以通過收發(fā)天線之間的視距（LineofSight，LOS）信道或者通過經(jīng)由障礙物散射的非視距（Non-LOS，NLOS）信道傳播。

如圖2所示，可將圖1所示無線通信系統(tǒng)涉及的電磁與微波技術(shù)從內(nèi)到外分為五層。最里面為并列的電磁傳播層和電磁散射層，再往外依次為：天線層、射頻電路層、系統(tǒng)級參數(shù)層。這些分層涉及的電磁與微波技術(shù)各有側(cè)重，通過分層之后，可以開展有針對性的教學(xué)。

二、分層課程設(shè)計和內(nèi)容規(guī)劃

以北航電子信息工程學(xué)院所開設(shè)課程為例，表1給出與無線通信系統(tǒng)中電磁與微波技術(shù)分層相關(guān)的電磁與微波類的主要課程列表。在本科階段開設(shè)的必修課程一般有“電磁場理論”和“微波技術(shù)”兩門，其他為選修課。電磁與微波技術(shù)大部分課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)通常在碩士研究生階段進行。

1、電磁傳播層

如表1所示，關(guān)于電磁傳播層內(nèi)容的學(xué)習(xí)通常在本科階段的“電磁場理論”和研究生階段的“高等電磁理論”中進行。

電磁傳播層所涉及的與無線通信相關(guān)的主要基本概念和理論一般包括：（1）平面波和均勻平面波：（2）媒質(zhì)中的波：（3）波的合成：行波、駐波、行駐波；（4）波的合成：線極化、圓極化、橢圓極化；（5）柱面波：（6）球面波；（7）遠(yuǎn)場條件和緊縮場。

電磁傳播層可以考慮安排的實驗實踐為：（1）線極化波、圓極化波、橢圓極化波的產(chǎn)生；（2）線極化波、圓極化波、橢圓極化波的檢測。

2、射頻電路層

如表1所示，射頻電路層中的無源電路知識通常在本科階段的“微波技術(shù)”課和研究生階段的“微波工程基礎(chǔ)”課中學(xué)習(xí)，而有源電路知識通常在本科或研究生的“微波電路與器件”、“微波電子線路”等課程中學(xué)習(xí)。

射頻電路層所涉及的與無線通信有關(guān)的主要基本概念和理論一般包括：（1）傳輸線；（2）長線和短線；（3）集總參數(shù)和分布參數(shù)；（4）長線的分布參數(shù)電路模型及解；（5）傳播常數(shù)和特性阻抗；（6）匹配和失配：（7）傳輸線工作狀態(tài)參量：（8）史密斯圓圖；（9）微波網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)參量；（10）網(wǎng)絡(luò)外特性參量；（11）同軸線、波導(dǎo)、微帶線；（12）傳輸線轉(zhuǎn)換接頭。

射頻電路層可以考慮安排的實驗實踐為：（1）網(wǎng)絡(luò)分析儀的學(xué)習(xí)與使用，包括傳輸線基本概念和圓圖實驗：（2）用網(wǎng)絡(luò)分析儀進行典型二端口、三端口、四端口射頻元件的測試；（3）一些微波傳輸線和元件的仿真實驗。

3、天線層

如表1所示，天線層所涉及的基本內(nèi)容在本科階段的“電磁場理論”、“通信天線與饋電系統(tǒng)”等課中均有所涉及，更多內(nèi)容的學(xué)習(xí)則一般要到研究生階段的“天線理論與工程”課中進行。也有一些院校將天線課和“微波技術(shù)”課的內(nèi)容合并整合為“微波技術(shù)與天線”課進行教學(xué)。

天線層需要了解和學(xué)習(xí)的主要基本概念和理論一般包括：（1）電流元、磁流元、惠更斯元；（2）輸入阻抗和駐波比；（3）極化和交叉極化；（4）方向性和增益；（5）增益方向圖；（6）軸比方向圖；（7）無線通信系統(tǒng)天線類型；（8）天線參數(shù)測量原理。

天線層可以考慮安排的實驗實踐為：（1）天線的極化；（2）圓極化天線的原理和實現(xiàn)；（3）天線駐波比測量；（4）天線方向圖測量：（5）一些典型類型天線的仿真。

4、電磁散射層

如表1，電磁散射層的內(nèi)容通常需要在研究生階段的“電磁散射理論及工程”、“幾何繞射理論”等課程中學(xué)習(xí)…]。

電磁散射層需要掌握的主要基本概念和理論一般包括：（1）反射、衍射、干涉；（2）繞射；（3）雷達(dá)散射截面（RCS）；（4）一維成像；（5）二維成像；（6）RCS測量原理。

電磁散射層可以考慮安排的實驗實踐包括：（1）波的衍射和干涉；（2）一些典型目標(biāo)RCS測量實驗，如金屬球的諧振RCS測量和二維成像，典型低剖面低RCS飛行器模擬目標(biāo)測量等；（3）典型目標(biāo)的RCS仿真。

5、系統(tǒng)級參數(shù)層

如表1所示，在研究生“微波通信系統(tǒng)”課程中，會對無線通信系統(tǒng)電磁與微波技術(shù)的系統(tǒng)級參數(shù)層內(nèi)容有所涉及，還有一些內(nèi)容分布在其他課程及一些工程科研文獻(xiàn)中。

系統(tǒng)級參數(shù)層需要掌握的主要基本概念和理論一般包括：（1）等效全向輻射功率（EIRP）和靈敏度；（2）弗西斯公式和雷達(dá)方程；（3）菲涅爾橢圓和菲涅爾區(qū)：（4）視距通信；（5）非視距通信；（6）信道模擬和測量。

對于實驗實踐，可考慮安排一些無線通信區(qū)的軟件模擬，具有下列功能：（1）無線通信發(fā)射單元模擬；（2）無線通信接收單元模擬；（3）收發(fā)單元處于任意姿態(tài)和位置時，水平、豎直、軸線方向的視距有效通信區(qū)；（4）存在典型障礙物且收發(fā)單元處于任意姿態(tài)和位置時，水平、豎直、軸線方向的非視距有效通信區(qū)；（5）單雙站雷達(dá)探測區(qū)模擬。

如果具備條件，也可以安排一些信道測量的演示性或驗證性實驗。

三、按年級分層培養(yǎng)方案設(shè)計

對電子信息類、通信工程類專業(yè)的學(xué)生，盡管大多數(shù)電磁與微波類課程的系統(tǒng)學(xué)習(xí)需要到研究生階段進行，但對部分感興趣、有余力的本科生，仍可以在本科階段按照年級逐漸實行電磁與微波技術(shù)分層培養(yǎng)的方案，表2給出具體方案設(shè)計。按此方案，從大二開始，到大四結(jié)束，可以初步完成一個完整輪次的分層培養(yǎng)和訓(xùn)練。如果具備條件，在研究生階段還可進一步深入學(xué)習(xí)和實踐。四輔助教學(xué)網(wǎng)站設(shè)計

分層培養(yǎng)是一個系統(tǒng)的工程。為擴展學(xué)生眼界，增強實驗實踐訓(xùn)練，促進各級同學(xué)之間交流、各門課程之間交流，我們設(shè)計了輔助教學(xué)網(wǎng)站：微波學(xué)堂網(wǎng)（wbxt.buaa.edu.cn）。

考慮到無線通信系統(tǒng)分層的每一層的教學(xué)內(nèi)容都涉及基礎(chǔ)理論、仿真方法、測量方法等三大類，我們將微波學(xué)堂網(wǎng)的前幾個主要版塊分為三類：基礎(chǔ)課程類、仿真實踐類、測量實踐類。其名稱、定位、內(nèi)容簡介如表3所示。

五、結(jié)論

本文提出將無線通信系統(tǒng)中的電磁與微波技術(shù)劃分為電磁傳播層、電磁散射層、天線層、射頻電路層、系統(tǒng)級參數(shù)層，分層進行課程設(shè)計、內(nèi)容規(guī)劃和學(xué)習(xí)實踐，設(shè)計了按年級分層培養(yǎng)的方案，構(gòu)建了輔助教學(xué)的微波學(xué)堂網(wǎng)站。這種方法的特點和優(yōu)點是：

（1）可以解決傳統(tǒng)教學(xué)中通信系統(tǒng)的電磁與微波技術(shù)定位不清晰的問題。通過設(shè)計完整、完備的電磁與微波技術(shù)的分層學(xué)習(xí)和實驗實踐方案，可以使電磁與微波類課程學(xué)習(xí)與無線通信系統(tǒng)及實際科研工程緊密結(jié)合，提高了學(xué)習(xí)的針對性和效率。

（2）在分層學(xué)習(xí)和實驗實踐中，學(xué)習(xí)者既可掌握無線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵電磁與微波技術(shù)，又能充分了解系統(tǒng)整體構(gòu)成，從而為整個系統(tǒng)的設(shè)計和管理打下基礎(chǔ)，這更有利于培養(yǎng)無線通信領(lǐng)域的復(fù)合型人才和領(lǐng)導(dǎo)人才。