无线通信系统电磁及微波技术教学分层设计

1、无线通信系统电磁及微波技术教学分层设【摘要】针对无线通信系统中的电磁与微波技术，提出将 教学和实验实践划分为从内到外五个层次，包括：电磁传播 层、电磁散射层、天线层、射频电路层、系统级参数层。对 这些分层所包含的电磁与微波技术的基本概念、理论、实验 实践进行了总结，给出了分层课程设计和内容规划。提出按 年级进行分层培养的方案，并设计了包含基础课程类、仿真 实践类、测量实践类各栏目的微波学堂网 (wbxt. buaa. edu. en)o【关键词】无线通信系统；电磁与微波技术教学；分层 设计；微波学堂【中图分类号】g40-057【文献标识码】a【论文编 号】1009-8097 (2012) 12

2、-0115-04引言随着无线通信技术的迅速发展和普及，其教学研究也越 来越受到重视。电磁与微波技术是无线通信系统的重要组成 部分，无线通信行业的射频工程师、微波工程师、天线工程 师等岗位，通常都要依托工科“电磁场与微波技术”专业培 养。“电磁场与微波技术”是一级学科“电子科学与技 术”下的二级学科，也是电子信息类、通信工程类的一个重 要专业和研究方向，“电磁场理论”和“微波技术”等课程 是该专业的基础课，也是无线通信从业人员的必修课。然而，在“电磁场理论”和“微波技术”等课程的实际 教学中，却经常有学生困惑于这些课程和无线通信究竟有什 么关系。之所以出现这种现象，一方面是这些课程理论抽象, 实

3、验实践难度大，初学者不容易消化理解；另一方面，是这 些课程的设计和安排通常自成体系，教学内容与无线通信系 统的联系不够直观明显。这使得一些初学者对课程不感兴 趣，影响其学习效果。为此，我们提出，可在一个完整的无线通信系统中，将涉及的电磁与微波技术从内到外划分为五个层次，分层进行 教学和实验实践训练。这种安排可以使学生更清晰地了解自 己所学课程的定位，提高学习兴趣和主动性，为将来针对无 线通信系统的课题研究和工作选择做好准备。一、无线通信系统分层图1所示为通用无线通信系统基本构成示意图，主体部 分通常包括：发射机、接收机、发射和接收天线等。其中发 射机和接收机部分又可根据工作频率的不同分为射频单

4、元 和中频单元。射频单元和天线通过射频传输线连接，射频单 元和中频单元之间通过中频电缆连接。发射天线辐射的无线 信号在空间传输时，遇到障碍物可能产生散射。无线信号可 以通过收发天线之间的视距(line ofsight, los)信道或 者通过经由障碍物散射的非视距(non-los, nl0s)信道传 播。如图2所示，可将图1所示无线通信系统涉及的电磁与 微波技术从内到外分为五层。最里面为并列的电磁传播层和 电磁散射层，再往外依次为：天线层、射频电路层、系统级 参数层。这些分层涉及的电磁与微波技术各有侧重，通过分 层之后，可以开展有针对性的教学。二、分层课程设计和内容规划以北航电子信息工程学院所

5、开设课程为例，表1给出与 无线通信系统中电磁与微波技术分层相关的电磁与微波类 的主要课程列表。在本科阶段开设的必修课程一般有“电磁 场理论”和"微波技术”两门，其他为选修课。电磁与微波 技术大部分课程的系统学习通常在硕士研究生阶段进行。1、电磁传播层如表1所示，关于电磁传播层内容的学习通常在本科阶 段的“电磁场理论”和研究生阶段的“高等电磁理论”中 进行。电磁传播层所涉及的与无线通信相关的主要基本概念 和理论一般包括：(1)平面波和均匀平面波：(2)媒质中的 波：(3)波的合成：行波、驻波、行驻波；(4)波的合成： 线极化、圆极化、椭圆极化；(5)柱面波：(6)球面波；(7) 远场条

6、件和紧缩场。电磁传播层可以考虑安排的实验实践为：(1)线极化波、 圆极化波、椭圆极化波的产生；(2)线极化波、圆极化波、 椭圆极化波的检测。2、射频电路层如表1所示，射频电路层中的无源电路知识通常在本科 阶段的“微波技术”课和研究生阶段的“微波工程基础” 课中学习，而有源电路知识通常在本科或研究生的“微波电 路与器件”、“微波电子线路”等课程中学习。射频电路层所涉及的与无线通信有关的主要基本概念 和理论一般包括：(1)传输线；(2)长线和短线；(3)集总 参数和分布参数；(4)长线的分布参数电路模型及解；(5) 传播常数和特性阻抗；(6)匹配和失配：(7)传输线工作状 态参量：(8)史密斯圆图

7、；(9)微波网络和网络参量；(10) 网络外特性参量；(11)同轴线、波导、微带线；(12)传输 线转换接头。射频电路层可以考虑安排的实验实践为：(1)网络分析 仪的学习与使用，包括传输线基本概念和圆图实验：(2)用 网络分析仪进行典型二端口、三端口、四端口射频元件的测 试；(3) 一些微波传输线和元件的仿真实验。3、天线层如表1所示，天线层所涉及的基本内容在本科阶段的“电磁场理论”、“通信天线与馈电系统”等课中均有所涉 及，更多内容的学习则一般要到研究生阶段的“天线理论与 工程”课中进行。也有一些院校将天线课和"微波技术”课 的内容合并整合为“微波技术与天线”课进行教学。天线层需要

8、了解和学习的主要基本概念和理论一般包 括：(1)电流元、磁流元、惠更斯元；(2)输入阻抗和驻波 比；(3)极化和交叉极化；(4)方向性和增益；(5)增益方 向图；(6)轴比方向图；(7)无线通信系统天线类型；(8) 天线参数测量原理。天线层可以考虑安排的实验实践为：(1)天线的极化; (2)圆极化天线的原理和实现；(3)天线驻波比测量；(4) 天线方向图测量：(5) 一些典型类型天线的仿真。4、电磁散射层如表1,电磁散射层的内容通常需要在研究生阶段的 “电磁散射理论及工程”、“几何绕射理论”等课程中学 习。电磁散射层需要掌握的主要基本概念和理论一般包括: (1)反射、衍射、干涉；(2)绕射；(

9、3)雷达散射截面(rcs)； (4) 一维成像；(5)二维成像；(6) rcs测量原理。 电 磁散射层可以考虑安排的实验实践包括：(1)波的衍射和干 涉；(2) 一些典型目标rcs测量实验，如金属球的谐振rcs 测量和二维成像，典型低剖面低rcs飞行器模拟目标测量等;（3）典型目标的rcs仿真。5、系统级参数层如表1所示，在研究生“微波通信系统”课程中，会对 无线通信系统电磁与微波技术的系统级参数层内容有所涉 及，还有一些内容分布在其他课程及一些工程科研文献中。系统级参数层需要掌握的主要基本概念和理论一般包 括：（1）等效全向辐射功率（eirp）和灵敏度；（2）弗西斯 公式和雷达方程；（3）菲

10、涅尔椭圆和菲涅尔区：（4）视距通 信；（5）非视距通信；（6）信道模拟和测量。对于实验实践，可考虑安排一些无线通信区的软件模 拟，具有下列功能：（1）无线通信发射单元模拟；（2）无线 通信接收单元模拟；（3）收发单元处于任意姿态和位置时， 水平、竖直、轴线方向的视距有效通信区；（4）存在典型障 碍物且收发单元处于任意姿态和位置时，水平、竖直、轴线 方向的非视距有效通信区；（5）单双站雷达探测区模拟。如果具备条件，也可以安排一些信道测量的演示性或验 证性实验。三、按年级分层培养方案设计对电子信息类、通信工程类专业的学生，尽管大多数电 磁与微波类课程的系统学习需要到研究生阶段进行，但对部 分感兴趣

11、、有余力的本科生，仍可以在本科阶段按照年级逐 渐实行电磁与微波技术分层培养的方案，表2给出具体方案 设计。按此方案，从大二开始，到大四结束，可以初步完成 一个完整轮次的分层培养和训练。如果具备条件，在研究生 阶段还可进一步深入学习和实践。四辅助教学网站设计分层培养是一个系统的工程。为扩展学生眼界，增强实 验实践训练，促进各级同学之间交流、各门课程之间交流， 我们设计了辅助教学网站：微波学堂网(wbxt. buaa. edu. cn)o考虑到无线通信系统分层的每一层的教学内容都涉及 基础理论、仿真方法、测量方法等三大类，我们将微波学堂 网的前几个主要版块分为三类：基础课程类、仿真实践类、 测量实践类。其名称、定位、内容简介如表3所示。五、结论本文提出将无线通信系统中的电磁与微波技术划分为 电磁传播层、电磁散射层、天线层、射频电路层、系统级参 数层，分层进行课程设计、内容规划和学习实践，设计了按 年级分层培养的方案，构建了辅助教学的微波学堂网站。这 种方法的特点和优点是：(1)可以解决传统教学中通信系统的电磁与微波技术 定位不清