“射頻測(cè)量技術(shù)”實(shí)訓(xùn)課程的探索與實(shí)踐

魏 兵，皇甫江濤，金曉峰

（1.浙江大學(xué)工程師學(xué)院 工程創(chuàng)新與訓(xùn)練中心，浙江 杭州 310015；2.浙江大學(xué) 信息與電子工程學(xué)院，浙江 杭州 310058）

隨著我國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)，各領(lǐng)域?qū)?yīng)用型、復(fù)合型、創(chuàng)新型的工程科技人才需求不斷增大。尤其是隨著我國“中國制造2025”戰(zhàn)略的提出與推進(jìn)，新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新模式、新產(chǎn)業(yè)驅(qū)動(dòng)的新經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)復(fù)合型工程科技人才培養(yǎng)提出了新要求，現(xiàn)有的專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)模式面臨諸多挑戰(zhàn)［1］，表現(xiàn)為專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)計(jì)劃缺乏創(chuàng)新、實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)少等。專業(yè)學(xué)位研究生培養(yǎng)方案往往沿用傳統(tǒng)學(xué)術(shù)型研究生的培養(yǎng)模式，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力及職業(yè)技能的認(rèn)識(shí)和重視程度明顯不足［2］。在教學(xué)環(huán)節(jié)上，表現(xiàn)為教學(xué)理念陳舊、工程訓(xùn)練與產(chǎn)業(yè)脫節(jié)、工程教學(xué)邊緣化等，缺少對(duì)學(xué)生獨(dú)立思考能力和工程應(yīng)用能力的培養(yǎng)。

射頻測(cè)量技術(shù)是現(xiàn)代通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗等系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的重要手段，也是電子與通信專業(yè)學(xué)生必須掌握的核心工程技術(shù)［3］。為提高專業(yè)學(xué)位研究生的工程實(shí)踐能力，培養(yǎng)造就大批電子通信與工程專業(yè)高端工程創(chuàng)新人才，浙江大學(xué)工程師學(xué)院聯(lián)合是德科技、羅德與施瓦茨等公司開設(shè)了“射頻測(cè)量技術(shù)”課程。課程以實(shí)踐訓(xùn)練為主、課堂教學(xué)為輔，并引入行業(yè)內(nèi)頂級(jí)專家講授射頻測(cè)量前沿技術(shù)及實(shí)際工程案例，注重加強(qiáng)研究生技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新和工程專業(yè)實(shí)踐訓(xùn)練。本文總結(jié)了“射頻測(cè)量技術(shù)”課程教學(xué)的經(jīng)驗(yàn)和方法，可為電子通信工程專業(yè)相關(guān)實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革提供一定的參考。

一、教學(xué)目標(biāo)

“射頻測(cè)量技術(shù)”課程主要面向國家對(duì)信息技術(shù)領(lǐng)域工程技術(shù)創(chuàng)新人才的強(qiáng)大需求，開展射頻測(cè)量技術(shù)的工程實(shí)訓(xùn)與創(chuàng)新實(shí)踐能力的培養(yǎng)。課程內(nèi)容圍繞射頻測(cè)試原理技術(shù)、系統(tǒng)測(cè)量誤差與數(shù)據(jù)處理、射頻元器件性能測(cè)量、射頻T/R組件測(cè)量、射頻模擬/數(shù)字高頻高速傳輸系統(tǒng)測(cè)量等方面，主要培養(yǎng)學(xué)生以下四方面的工程實(shí)踐能力。

1.射頻測(cè)量通用儀器實(shí)驗(yàn)操作能力。包括頻譜分析儀、信號(hào)源、示波器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的規(guī)范使用與熟練操作等相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作能力，以及對(duì)射頻測(cè)量仿真軟件及綜合測(cè)試平臺(tái)軟件的使用與開發(fā)能力。

2.射頻測(cè)量工程技術(shù)與創(chuàng)新能力。針對(duì)射頻測(cè)量技術(shù)工程應(yīng)用需要，如無源器件測(cè)量、有源器件性能測(cè)量、射頻源性能測(cè)量、射頻T/R組件以及射頻傳輸系統(tǒng)性能測(cè)量與系統(tǒng)評(píng)估等方面，開展創(chuàng)新實(shí)踐與訓(xùn)練，培養(yǎng)滿足射頻測(cè)量工程技術(shù)與創(chuàng)新能力應(yīng)用需求的人才。

3.測(cè)試信號(hào)處理、測(cè)試誤差分析的能力。針對(duì)射頻測(cè)量的工程需求，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中的性能指標(biāo)與具體要求，培養(yǎng)學(xué)生在測(cè)試信號(hào)處理、測(cè)量結(jié)果分析以及測(cè)試誤差分析等方面的系統(tǒng)分析與評(píng)估能力。

4.射頻測(cè)量綜合系統(tǒng)創(chuàng)新實(shí)踐能力。針對(duì)射頻傳輸系統(tǒng)性能測(cè)量與系統(tǒng)評(píng)估等方面開展創(chuàng)新實(shí)踐與訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生的射頻測(cè)量工程技術(shù)與創(chuàng)新實(shí)踐能力，鍛煉與提升其綜合系統(tǒng)問題解決能力。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備組成

課程依托浙江大學(xué)工程師學(xué)院信息與微電子實(shí)驗(yàn)室提供的軟硬件環(huán)境，軟件方面主要利用專門應(yīng)用于電子系統(tǒng)級(jí)仿真設(shè)計(jì)的SystemVue，硬件方面主要包括由矢量信號(hào)源、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜分析儀組成的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)單元，同時(shí)實(shí)驗(yàn)室還具有40 GHz微波暗室用于天線及TR組件測(cè)試測(cè)量。

基于以上良好的實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件，結(jié)合濾波器、低噪聲放大器、隔離器、功率放大器、定向耦合器、鎖相環(huán)、標(biāo)準(zhǔn)天線等模塊，學(xué)生可以完成射頻鏈路的搭建，并與軟件仿真進(jìn)行相互驗(yàn)證。通過軟硬結(jié)合、理論仿真、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與互相驗(yàn)證的方式，進(jìn)一步深化學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解和掌握。

三、教學(xué)內(nèi)容

圍繞課程目標(biāo)，本課程打造了多層次、遞進(jìn)式教學(xué)體系，教學(xué)內(nèi)容涵蓋了基礎(chǔ)理論、射頻測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)、射頻測(cè)量工程實(shí)踐三個(gè)部分（見圖1），對(duì)學(xué)生開展階梯式射頻測(cè)量工程能力培養(yǎng)，使學(xué)生全流程一站式學(xué)習(xí)測(cè)試、驗(yàn)證、綜合系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用相關(guān)環(huán)節(jié)。

圖1 課程內(nèi)容架構(gòu)

基礎(chǔ)理論部分主要講授射頻測(cè)量相關(guān)的基本概念、儀器儀表原理與使用方法，以及測(cè)試測(cè)量的規(guī)范與流程。具體如下：（1）講授與射頻測(cè)試測(cè)量相關(guān)的基本概念和基本參數(shù)及含義；（2）介紹表征測(cè)試性能的相關(guān)參數(shù)的含義及計(jì)算方法，如線性度、重復(fù)性、精度、分辨率、誤差、不確定度等；（3）講授測(cè)試測(cè)量的六個(gè)流程：預(yù)測(cè)試、測(cè)試優(yōu)化、測(cè)試校準(zhǔn)、測(cè)量實(shí)施、測(cè)試數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)保存，使學(xué)生掌握測(cè)試的基本流程。射頻測(cè)量的關(guān)鍵技術(shù)部分，主要圍繞S參數(shù)測(cè)量、功率測(cè)量、頻率測(cè)量、頻譜測(cè)量、相位噪聲測(cè)量中涉及的測(cè)試方案進(jìn)行講解。

實(shí)踐是工程的基礎(chǔ)［4］，也是本課程的核心組成部分。在實(shí)踐訓(xùn)練環(huán)節(jié)，主要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，開展綜合案例實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練，提高學(xué)生分析問題、解決問題能力與綜合實(shí)踐能力。實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)涉及的主要實(shí)驗(yàn)包括以下幾方面。

1.射頻無源器件測(cè)量。該部分注重培養(yǎng)學(xué)生對(duì)射頻無源器件特性的測(cè)試測(cè)量能力，主要實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)包括：（1）測(cè)量濾波器S21參數(shù)，獲得其傳輸特性，計(jì)算其1 dB帶寬和3 dB邊界頻率點(diǎn)及工作帶寬，得出濾波器10 dB 衰減的頻點(diǎn)；（2）在濾波器1 dB 帶寬內(nèi)，測(cè)量通帶內(nèi)的幅度和相位特性；（3）測(cè)量功分器各個(gè)端口的S 參數(shù)，獲取其傳輸特性，給出其有效工作的頻率范圍和兩輸出端口的駐波比值；（4）在功分器工作頻帶內(nèi)，選取合適頻帶，測(cè)量并比較輸出端口的幅度和相位特性；（5）判斷定向耦合器輸出端口、耦合端口，測(cè)量S21和S31，給出其有效工作的頻率范圍和兩輸出端口的駐波比值；（6）在定向耦合器工作頻帶內(nèi)選取合適頻帶，比較輸出端口和耦合端口的幅度與相位特性。

2.射頻有源器件測(cè)量。圍繞射頻有源器件測(cè)量關(guān)鍵技術(shù)，主要針對(duì)放大器和混頻器兩類典型的射頻器件開展測(cè)試，放大器部分主要測(cè)試其線性增益和有效工作頻率范圍，選定合適的頻率點(diǎn)進(jìn)行以下測(cè)量：（1）測(cè)量放大器的輸入和輸出1 dB壓縮點(diǎn)，通過雙音頻輸入信號(hào)測(cè)量并計(jì)算放大器的輸入和輸出三階交調(diào)點(diǎn)。（2）測(cè)量放大器的噪聲系數(shù)，計(jì)算放大器的動(dòng)態(tài)范圍及其在1 dB壓縮點(diǎn)處的工作效率。在混頻器測(cè)試環(huán)節(jié)，主要進(jìn)行：（1）判斷混頻器是上/下變頻，正確設(shè)置本振和信號(hào)，獲得混頻器的有效頻率范圍，使其可以正常工作。（2）對(duì)混頻器的傳輸特性進(jìn)行測(cè)量，獲得變頻增益值并對(duì)混頻器各端口的駐波比進(jìn)行測(cè)量。（3）對(duì)混頻器各端口的隔離度進(jìn)行測(cè)量，獲得本振泄漏的測(cè)量值并對(duì)其混頻輸出的相位特性進(jìn)行測(cè)量。

3.微波天線測(cè)量。在微波天線測(cè)量環(huán)節(jié)，主要引導(dǎo)學(xué)生熟悉天線測(cè)試流程、天線測(cè)試系統(tǒng)搭建及天線測(cè)試軟件操作，并基于毫米波暗室對(duì)天線的輻射特性進(jìn)行測(cè)量，得出輻射特性參數(shù)，包括增益、半功率波束寬帶、前后比、交叉極化鑒別率及旁瓣抑制等。

4.矢量信號(hào)光纖-無線混合傳輸系統(tǒng)測(cè)量。搭建微波信號(hào)光纖-無線混合傳輸實(shí)驗(yàn)鏈路系統(tǒng)（見圖2），引入放大器、濾波器、衰減器和收發(fā)天線構(gòu)造完整的無線收發(fā)系統(tǒng)；測(cè)量微波信號(hào)光纖-無線混合傳輸實(shí)驗(yàn)鏈路系統(tǒng)的鏈路增益和噪聲系數(shù)；調(diào)整衰減器和放大器參數(shù)，測(cè)量增益變化對(duì)系統(tǒng)增益、信噪比參數(shù)的影響；改變收發(fā)天線的極化方向和天線的距離，測(cè)量無線信道特性變化對(duì)系統(tǒng)鏈路增益、信噪比參數(shù)的影響。

通過以上實(shí)驗(yàn)，有效地提高了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，使學(xué)生切實(shí)掌握從器件測(cè)量到綜合系統(tǒng)測(cè)量的射頻測(cè)量技術(shù)，為后續(xù)射頻工程系統(tǒng)開發(fā)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

四、課程特色與創(chuàng)新

1.注重校企合作，協(xié)同創(chuàng)新，與行業(yè)企業(yè)共建課程，將產(chǎn)業(yè)新興技術(shù)融入教學(xué)。引入行業(yè)頂尖專家報(bào)告與體系化的射頻測(cè)試原理技術(shù)授課相結(jié)合（部分專家報(bào)告見表1）。相關(guān)講座專家均來自產(chǎn)業(yè)一線，可將產(chǎn)業(yè)前沿及工程研發(fā)經(jīng)驗(yàn)轉(zhuǎn)化為課程教學(xué)，拓寬了學(xué)生的視野，加深了學(xué)生對(duì)實(shí)際工程開發(fā)的理解。

表1 行業(yè)專家報(bào)告匯總

2.注重實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練與案例視頻相結(jié)合。為便于學(xué)生課前預(yù)習(xí)及課后復(fù)習(xí)，同時(shí)加深學(xué)生對(duì)射頻知識(shí)難點(diǎn)及復(fù)雜測(cè)量過程的理解，課程團(tuán)隊(duì)拍攝了大量儀器操作視頻、實(shí)驗(yàn)教學(xué)視頻、案例教學(xué)視頻與專家報(bào)告視頻。學(xué)生可以通過反復(fù)觀看，掌握實(shí)驗(yàn)操作關(guān)鍵技術(shù)，激發(fā)了學(xué)生對(duì)射頻測(cè)量實(shí)訓(xùn)的興趣。

3.注重實(shí)踐能力考核，采取基本理論考試與實(shí)踐考核的方式對(duì)學(xué)生的掌握程度進(jìn)行考核。通過現(xiàn)場(chǎng)綜合實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)操作技能、實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫以及測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析評(píng)估學(xué)生的專業(yè)知識(shí)與技能以及綜合實(shí)踐創(chuàng)新能力。

五、課程成效

課程自開設(shè)以來，一共推薦了3批學(xué)生參加行業(yè)認(rèn)可的是德科技射頻測(cè)量技能資質(zhì)考試，目前已有多位學(xué)生通過該考試并取得是德科技頒發(fā)的射頻測(cè)量技能資質(zhì)考試合格證書。課程設(shè)計(jì)的案例教學(xué)視頻“矢量信號(hào)光纖射頻混合傳輸系統(tǒng)”入選中國專業(yè)學(xué)位教學(xué)案例中心—全國工程碩士專業(yè)學(xué)位研究生課程案例庫。

為了廣泛、全面、準(zhǔn)確地了解射頻測(cè)量課堂教學(xué)、專家講座和實(shí)訓(xùn)教學(xué)等方面的信息，每年度通過問卷調(diào)查進(jìn)行課程教學(xué)質(zhì)量評(píng)價(jià)調(diào)查。根據(jù)三年來的調(diào)查結(jié)果，我們對(duì)比了幾個(gè)比較關(guān)鍵的指標(biāo)（具體結(jié)果見圖3）。從學(xué)生的問卷調(diào)查反饋結(jié)果來看，隨著課程配套措施的不斷優(yōu)化與落實(shí)，學(xué)生對(duì)課程的整體滿意度不斷提高；通過不斷優(yōu)化課程理論內(nèi)容、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容及專家報(bào)告的比例，學(xué)生分析問題和解決問題的實(shí)際工程能力也不斷提高，可有效幫助其解決實(shí)際工作中遇到的問題。根據(jù)問卷調(diào)查反饋，本課程在課程建設(shè)內(nèi)容設(shè)計(jì)、教學(xué)方法改革、教學(xué)內(nèi)容安排、實(shí)踐環(huán)節(jié)比重、學(xué)科前沿性結(jié)合、考核方式與考核難度的設(shè)計(jì)等方面取得了大多數(shù)學(xué)生的認(rèn)可，表明課程建設(shè)取得了較好的成效。

圖3 課程滿意度調(diào)查結(jié)果

通過開設(shè)“射頻測(cè)量技術(shù)”實(shí)訓(xùn)課程，加深了學(xué)生對(duì)射頻測(cè)量基礎(chǔ)理論的理解，同時(shí)提高了學(xué)生的實(shí)踐操作能力以及系統(tǒng)分析問題與解決問題的能力。課程的開設(shè)為探索專業(yè)學(xué)位研究生工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供了先例，對(duì)后續(xù)實(shí)訓(xùn)課程的開設(shè)具有較好的指導(dǎo)意義。