專業(yè)基礎課的起承轉合
——以“微波技術”課程為例

全紹輝

(北京航空航天大學 電子信息工程學院， 北京 100083)

專業(yè)基礎課的起承轉合
——以“微波技術”課程為例

全紹輝

(北京航空航天大學 電子信息工程學院， 北京 100083)

完整的專業(yè)基礎課教學應包括起、承、轉、合四要素。對“微波技術”課程而言，“起”是開篇或引論，指通過說明課程名稱含義、發(fā)展歷史及與其他課程關系，引出本課程將要學習的特色內容?！俺小笔抢^承和發(fā)展，指在先修課基礎上，對課程主題進行分層次的闡述和講解。“轉”是轉折或轉換，指對后續(xù)課程和相關內容的學習展望和說明?！昂稀笔墙Y果或結論，指從系統(tǒng)、整體的觀點梳理和總結課程的學習要點和主要結論。

起承轉合；微波技術；電磁場與電磁波

0 引言

專業(yè)基礎課兼具專業(yè)課和基礎課特點。學生在專業(yè)基礎課階段開始進入一個全新學習領域，即專業(yè)基礎課應該保證學生可以學習到具有足夠深度和特色的專業(yè)概念和基本原理。同時，專業(yè)基礎課又需提供具有足夠廣度的學科知識儲備，為學生后續(xù)學習各門專業(yè)課打下基礎[1]。

專業(yè)基礎課不應該孤立存在于課程體系中。我們認為完整的專業(yè)基礎課教學設計應該包括四要素：起、承、轉、合?！捌稹笔情_篇或引論，需要以自然、合理的方式將本專業(yè)基礎課內容導入，明確其與先修課的關系，引出課程特色內容?！俺小笔抢^承和發(fā)展，在此過程中，應在先修課基礎上，闡明本課程需要重點學習的主題?！稗D”是轉折或轉換，指在課程結束階段應該引出與本課程相關的后續(xù)課程?！昂稀笔墙Y果或結論，是對本課程的學習內容進行總結。

從定位看，其中，“承”是課程的主體，“合”是課程的概括，兩者使課程教學自洽完整，構成課程的內涵。而“起”聯(lián)系先修課程，“轉”引出后續(xù)課程，兩者使課程教學融入整體學科和專業(yè)課程體系，構成其中的有效一環(huán)而不是成為課程孤島。

電磁場與微波技術是電子科學與技術一級學科下的二級學科。在本科階段，支撐該學科的專業(yè)基礎課主要有兩門，一門是“電磁場與電磁波”，有的高校以“電磁場理論”命名；一門是“微波技術”，有的學校則補充部分天線基礎內容，以“微波技術與天線”命名。與其他電子信息類專業(yè)基礎課相比，電磁場微波領域的知識抽象難懂。如果教學不當，學生不容易理解這些基礎課程在電子信息類專業(yè)中的定位和重要性，也不清楚學科專業(yè)發(fā)展的背景和前途是什么。因而在“微波技術”課程教學中建立有效的起承轉合關系十分重要。

1 “起”

作為開篇或引論的“起”會使學生對專業(yè)基礎課的內容形成第一印象，對其后續(xù)學習有很大影響。對“微波技術”課程而言，我們認為在“起”的過程中需要重點說明以下三方面問題。

1.1 微波技術含義

對一門專業(yè)基礎課的學習，首先要理解課程名稱的含義。對“微波技術”課程，首先要理解微波和微波技術的含義是什么。

對微波的概念，我們總結成如下幾點：①微波的“波”是指其為電磁波，因而所有電磁波的性質微波都具備。②微波的“微”是指其波長小，這種小是相對自然空間的波長而言的。③通常規(guī)定微波的頻率是300 MHz到3000 GHz；對應的自由空間波長是1米到0.1毫米。

對微波技術，分為廣義和狹義兩種：①廣義的微波技術是指包括任何與微波頻率電磁波有關的技術。②狹義的微波技術主要考慮微波傳輸問題，一般作為電子信息工程、通信工程、電磁場與無線技術等專業(yè)的本科階段微波技術課所要學習的內容，是研究其他微波技術問題的基礎。

1.2 微波技術發(fā)展歷史

課程發(fā)展歷史會引起學生的濃厚興趣，而且了解這些歷史傳承對學習一門專業(yè)基礎課的起步也是非常必要的。

根據(jù)文獻資料并結合我們自己的理解[2-3]，以二次世界大戰(zhàn)(1939年-1945年)美國輻射實驗室存在時間(1940年-1945年)和摩托羅拉公司發(fā)明世界上第一臺移動電話的時間點(1973年)為參考，把微波技術發(fā)展歷史分為四個階段(如圖1所示)：

圖1 微波技術發(fā)展歷史

第一階段：二次世界大戰(zhàn)中的輻射實驗室成立以前，屬于實驗室的理論研究和實驗驗證階段。

第二階段：二次世界大戰(zhàn)期間，以美國輻射實驗室為依托，以雷達技術需求為牽引，主要面向軍事應用領域，微波技術進入快速發(fā)展應用階段。

第三階段：二次世界大戰(zhàn)之后到70年代，屬于微波技術的廣泛應用階段。

第四階段：從70年代以后，隨著世界上第一臺移動電話出現(xiàn)，進入以民用通信技術為標志的新的發(fā)展階段。1991年，第一臺國產“大哥大”誕生。

軍用雷達技術和民用通信技術代表著微波技術發(fā)展的兩個高峰，是微波技術應用的兩類重要領域。在這些領域里，涌現(xiàn)出的一大批射頻工程師、微波工程師、天線工程師隊伍，均要依托電磁場與微波技術學科培養(yǎng)，而“微波技術”是從事這些職業(yè)的入門課程。

1.3 微波技術與其他課程的關系

一門專業(yè)基礎課不可能憑空產生，必然與課程體系中的一些先修課及后續(xù)課有若干聯(lián)系。教師應該在課程開始就對學生講清這種聯(lián)系并以此說明學習該課程的重要性。

從理論和研究方法上來說，電子信息類專業(yè)基礎課和專業(yè)課可以分為三類：路、場和系統(tǒng)，對應的主要專業(yè)基礎課分別是“電路分析”、“電磁場與電磁波”、“信號與系統(tǒng)”。上述三門課為“微波技術”的先修課。

“微波技術”課程對此三門先修課均有補充[4]：“電路分析”課重點研究集總參數(shù)電路的模型、理論和方法，而微波技術課則補充研究分布參數(shù)電路模型、理論和方法。“電磁場與電磁波”課主要研究在無界和半無界媒質中傳輸?shù)木鶆蚱矫骐姶挪?，而“微波技術”課則研究經(jīng)傳輸線或波導所導行的非均勻平面電磁波。“信號與系統(tǒng)”是從數(shù)學變換的角度分析電磁信號，而“微波技術”是從物理場的角度分析電磁信號。

在“微波技術”課程中，通常只學習微波無源電路的知識，研究對象主要涉及微波傳輸線、波導和微波元件。如圖2所示，對電磁場與微波技術學科，在“微波技術”課之后，還要繼續(xù)學習“天線”、“散射”、“微波電子線路”等方面的電磁場與微波技術專業(yè)課。

圖2 微波技術的先修課和后續(xù)課

2 “承”

“承”意味著在先修課基礎上的繼承和發(fā)展，是課程學習的主體。表1列出“微波技術”課程主要章節(jié)內容，并通過與先修課關系對照，說明本課程內容的繼承發(fā)展關系[2]。

在“微波技術”課中，我們刪除了部分較復雜的傳輸線類型的教學，如脊波導、鰭線、介質波導等，并將微帶傳輸線的內容全部整理作為《微波技術基礎》一書的第六章[2]。將這些內容去掉并不影響對微波技術基礎理論的學習。這些傳輸線均可以認為是從一些簡單傳輸線變形而來，故可把它們作為面向實際工程應用的選學材料。鼓勵學生在掌握基礎理論的前提下，發(fā)揮自身積極性和主動性，通過電磁微波軟件仿真計算等實踐環(huán)節(jié)學習，為在實際中解決更復雜的科研和工程問題形成過渡。

3 “轉”

“轉”是指事件結果的轉折，學完“微波技術”課后，還要向學生說明此后需要學習哪些課程和專業(yè)知識。

電磁場與微波技術學科發(fā)展至今，已經(jīng)產生出多個細分領域。從研究方向來看，可包括微波電路與系統(tǒng)、天線技術、隱身技術、微波遙感、電磁兼容等。從工作機理和用途分，可包括：微波產生、微波傳輸、微波放大及濾波、微波調制和解調、微波發(fā)射和接收等。由此也產生了一系列電磁場與微波技術的相關課程。

表1：“微波技術”課主要內容

如圖3所示，以無線系統(tǒng)為參考，根據(jù)其分層原理，可以將電磁場與微波技術共性基礎問題分為三大類：①發(fā)射天線和接收天線之間，在近似無界空間中的電磁波傳播問題；②構成發(fā)射機和接收機的電路與系統(tǒng)中的電磁波傳播問題；③發(fā)射和接收天線上的電磁波傳播、轉換、輻射問題[5]。

圖3 無線系統(tǒng)中的電磁波

在電磁場與微波技術學科課程體系中，可以用三門相對獨立的課程學習上述三類知識，它們分別為：“電磁場與電磁波”、“微波技術”、“天線”。然而，由于學時的限制以及知識完整性的需要，在電子信息類專業(yè)本科階段，這三方面知識通常又合并為兩門或一門課程進行教學。

“微波技術”課程重點學習電路與系統(tǒng)中的電磁波，特別是射頻和微波電路與系統(tǒng)中的電磁波。以圖3所示無線系統(tǒng)的發(fā)射端為例(接收天線與發(fā)射天線具有互易性)，天線接在射頻單元傳輸線的終端，很多情況下可以由傳輸線延伸擴展得到。例如：平行雙導線終端延伸擴展可以形成振子天線，同軸線內導體延伸擴展可構成單極天線，矩形波導延伸擴展可形成方喇叭天線，圓波導延伸擴展可形成圓喇叭天線，微帶線延伸擴展可形成微帶天線，等等。

根據(jù)圖3，對發(fā)射系統(tǒng)而言，天線可視為射頻傳輸線終端的等效“負載”；對接收系統(tǒng)而言，天線可視為射頻傳輸線始端的等效“波源”；天線將電路與系統(tǒng)中的電磁波轉換為近似無界空間中的電磁波。如果將近似無界空間也視為廣義的傳輸線，則對這一傳輸線系統(tǒng)而言，發(fā)射天線又可視為始端等效“波源”，接收天線又可視為終端等效“負載”。負載和波源與傳輸線的連接存在阻抗匹配問題，而這一問題正是微波技術傳輸線理論學習的核心。因此，在微波技術基礎之后，學生可以從場路結合的角度，學習一些天線基礎知識。

4 “合”

在“合”的部分，需要用簡明、清晰的方式概括總結整個課程內容。

對“微波技術”課程來說，主要學習對象是各類傳輸線、波導以及由它們組合連接構成的微波元件。對波導或傳輸線，可以將其特征分為縱向和橫向。研究其縱向特征，主要應用傳輸線理論；研究其橫向特征，主要應用波導理論；對微波元件，可以在此基礎上將其等效為微波網(wǎng)絡。

各種各樣的微波傳輸線實際有兩種典型代表，即平行雙導線和矩形波導，如圖4、圖5所示。前者代表雙導體類型的傳輸線，后者代表單導體類型的傳輸線，其他雙導體和單導體傳輸線都可以看作是這兩種傳輸線演變而來。例如，平行雙導線可以變形演變?yōu)橥S線、微帶線、帶狀線等，矩形波導可以變形演變?yōu)閳A波導、橢圓波導等。

圖4 平行雙導線 圖5 矩形波導

波導或傳輸線的縱向指沿其導引電磁功率傳播的軸線方向，在簡化分析時通常假設為無限長，電磁波為行波狀態(tài)，用傳播因子e?γz來表示，表示向+z或-z方向傳播?？v向波的衰減和相移特征由傳播常數(shù)γ描述，其他參數(shù)如衰減常數(shù)α、相位常數(shù)β、相速度vp、相波長λp、群速度vg都可以由γ導出。根據(jù)傳輸線理論，在實際工作狀態(tài)下，沿縱向可能存在行波、駐波、行駐波三種狀態(tài)。行波狀態(tài)即為阻抗匹配狀態(tài)，行駐波狀態(tài)即為阻抗失配狀態(tài)。通過加入阻抗匹配器，可以將行駐波狀態(tài)轉換為行波狀態(tài)。

波導或傳輸線橫向波的特征由具體傳輸線或波導的邊界條件確定。在橫截面，從場的角度看，根據(jù)波導理論，不同的邊界條件可以支撐不同結構的橫向電磁場結構，從而產生不同的電磁場模式，即邊界條件起到對波導模式的“篩選”作用。例如，已知橫電磁(TEM)波橫向電場和磁場滿足靜態(tài)場方程，可推出圖4所示的雙導體傳輸線可以傳播TEM模式。這是因為從電場看，在橫截面兩根導體存在電勢差，可以存在從一根導體指向另一根導體的橫向靜態(tài)電場；從磁場看，兩根導體存在方向相反的電流，可以存在環(huán)繞每根導體的非零橫向靜態(tài)磁場。而對圖5所示的單根空心導體管內部，由于導體是等位體且內部空間不存在載流導體，根據(jù)麥克斯韋方程，不可能存在非零的橫向靜態(tài)電場和磁場，因而也不能導通TEM波。

在橫截面，從電路特征來看，根據(jù)傳輸線理論，特性阻抗Z0是描述橫向波特征的一個重要參量。不同類型傳輸線的橫截面邊界條件不同，媒質不同，傳播的模式不同，對應的特性阻抗Z0也不同。Z0與縱向傳輸線長度無關，但反映了沿縱向傳播的導行電磁波匹配、反射的特征。

各種微波傳輸線組合連接在一起，形成微波系統(tǒng)中的不均勻區(qū)，即為微波元件，通常用微波結來表示，如圖6所示。微波元件與外界功率的交換只能通過各端口傳輸線的各種電磁波模式進行。微波等效電路原理的基本思想是：在只考慮端口傳輸線的縱向波特征時，例如只考慮縱向波的傳輸功率時，則以圖5矩形波導為例的各種波導所傳輸?shù)碾姶挪Ｊ蕉伎梢杂脠D4所示的雙導線模型來表示。

通過波導模式的橫向電場和橫向磁場，利用傳輸功率相等原則，可以建立等效雙導線的線間等效電壓和線上等效電流，從而應用傳輸線理論去研究波導模式的縱向波傳播、反射問題。將圖6所示微波結所有端口傳輸線電磁波模式都用上述等效雙導線模型表示，即得到圖7所示的微波網(wǎng)絡模型[2]。表征各端口等效電壓、等效電流之間關系的參量，即為微波網(wǎng)絡參量。微波網(wǎng)絡的特征可以用各種網(wǎng)絡參量來表示，其中最具微波特色的網(wǎng)絡參量是散射參量。

圖6 微波元件對應的微波結 圖7 微波結等效的微波網(wǎng)絡

5 結語

起、承、轉、合關系是一門專業(yè)基礎課教學的四要素?！拔⒉夹g”作為電磁場與微波技術學科的重要專業(yè)基礎課，正確地理解其起承轉合關系有助于學生對學科整體課程和知識的學習掌握，防止學科知識碎片化。本文給出了“微波技術”課起承轉合關系的要點，可供教師和學生在講授和學習“微波技術”以及“天線”等課程時參考。

[1] 俎云霄等，基于課程群的電子信息類專業(yè)基礎課教學改革[J]，北京：現(xiàn)代教育技術，2010，20(S1)：34-36。

[2] 全紹輝，微波技術基礎[M]，北京：高等教育出版社，2011年4月。

[3] 廖承恩，微波技術基礎[M]，北京：國防工業(yè)出版社，1984年12月。

[4] 全紹輝，構建“微波技術”課網(wǎng)上教學和實驗實踐學堂[J]，北京：實驗技術與管理，2012(12)：159-163。

[5] 全紹輝，無線通信系統(tǒng)電磁與微波技術教學的分層設計[J]，北京：現(xiàn)代教育技術，2012(12)：115-118。

Opening, Developing, Changing and Concluding of Specialized Basic Courses

QUAN Shao-hui

(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,BeihangUniversity,Beijing100083,China)

Teaching of a specialized basic course comprises four elements, which are the opening, the developing, the changing and the concluding. For Microwave Technology course, in the opening, the course′s meaning, history, and relation with other courses should be introduced. Consequently the unique contents of the course are deduced. In the developing, based on advanced placement courses, the main topics are presented gradually. In the changing, the follow-up courses and knowledge are reviewed and explained to some extent. In conclusion, the main points and conclusions of the course are reorganized systematically and completely.

opening,developing,changing and concluding; microwave technology; electromagnetic field and wave

2016-06-29;

2016-09- 23

北京航空航天大學校級重點教改項目(編號：201409)

全紹輝(1971-)，男，博士，副教授，主要從事電磁場與微波技術方向的教學和科研工作，E-mail: quanshao@buaa.edu.cn

G642.1，TN015

A

1008-0686(2017)03-0047-05