無線通信系統(tǒng)電磁及微波技術(shù)教學(xué)分層設(shè)計(jì)

1、無線通信系統(tǒng)電磁及微波技術(shù)教學(xué)分層設(shè)【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(shí)驗(yàn)實(shí)踐劃分為從內(nèi)到外五個(gè)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(shí)驗(yàn) 實(shí)踐進(jìn)行了總結(jié)，給出了分層課程設(shè)計(jì)和內(nèi)容規(guī)劃。提出按 年級進(jìn)行分層培養(yǎng)的方案，并設(shè)計(jì)了包含基礎(chǔ)課程類、仿真 實(shí)踐類、測量實(shí)踐類各欄目的微波學(xué)堂網(wǎng) (wbxt. buaa. edu. en)o【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(jì)；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

2、-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(gè)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(shí)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(shí)

3、驗(yàn)實(shí)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(jì)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(gè)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(gè)層次，分層進(jìn)行 教學(xué)和實(shí)驗(yàn)實(shí)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(jī)、接收機(jī)、發(fā)射和接收天線等。其中發(fā) 射機(jī)和接收機(jī)部分又可根據(jù)工作頻率的不同分為射頻單

4、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(shí)，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(line ofsight, los)信道或 者通過經(jīng)由障礙物散射的非視距(non-los, nl0s)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(jì)和內(nèi)容規(guī)劃以北航電子信息工程學(xué)院所

5、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(jìn)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(jìn)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

6、件和緊縮場。電磁傳播層可以考慮安排的實(shí)驗(yàn)實(shí)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

7、；(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(shí)驗(yàn)實(shí)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(shí)驗(yàn)：(2)用 網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)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(shí)驗(yàn)。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(jìn)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(jìn)行教學(xué)。天線層需要

8、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(shí)驗(yàn)實(shí)踐為：(1)天線的極化; (2)圓極化天線的原理和實(shí)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；(

9、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(shí)驗(yàn)實(shí)踐包括：(1)波的衍射和干 涉；(2) 一些典型目標(biāo)rcs測量實(shí)驗(yàn)，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

10、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(shí)驗(yàn)實(shí)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(shí)， 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(shí)，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(yàn) 證性實(shí)驗(yàn)。三、按年級分層培養(yǎng)方案設(shè)計(jì)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(jìn)行，但對部 分感興趣

11、、有余力的本科生，仍可以在本科階段按照年級逐 漸實(shí)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(jì)。按此方案，從大二開始，到大四結(jié)束，可以初步完成 一個(gè)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(jìn)一步深入學(xué)習(xí)和實(shí)踐。四輔助教學(xué)網(wǎng)站設(shè)計(jì)分層培養(yǎng)是一個(gè)系統(tǒng)的工程。為擴(kuò)展學(xué)生眼界，增強(qiáng)實(shí) 驗(yàn)實(shí)踐訓(xùn)練，促進(jìn)各級同學(xué)之間交流、各門課程之間交流， 我們設(shè)計(jì)了輔助教學(xué)網(wǎng)站：微波學(xué)堂網(wǎng)(wbxt. buaa. edu. cn)o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(gè)主要版塊分為三類：基礎(chǔ)課程類、仿真實(shí)踐類、 測量實(shí)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(jìn)行課程設(shè)計(jì)、內(nèi)容規(guī)劃和學(xué)習(xí)實(shí)踐，設(shè)計(jì)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(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)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