高频电子线路教学改革探索

陶小鱼 重庆电子工程职业学院 通信工程学院

高频电子线路是通信、电子类专业的重要的专业基础课程，课程的主要内容包括无线通信系统射频前端的大信号高频放大、小信号高频放大、振荡器、混频器、模拟调制和解调，课程具有很强的理论性和工程性，这些内容对通信、电子类专业的学生建立通信电路的基本概念，为后续专业课的学习奠定了必要基础。

高频电子线路课程内容体系延续使用了三十余年，课程涉及的电路分析以分立有源器件三级管、二极管为主，接收电路采用超外差结构，以模拟广播电视中的收音机、电视机的高频部分作为教学的主要内容，振荡器、放大器和混频器电路主要以固定频率和窄带信号为主。课程内容比较抽象、知识容量大、公式多、分析复杂，教学和学习的难度很大，是教学中的难点。

随着移动通信技术的高速发展和半导体产业的持续变革，通信行业采用的半导体器件集成度越来越高，目前分离有源器件应用领域已发生了重大改变，分离有源器件主要应用于电源和功率控制电路，通信电路主要采用MMIC、HMIC、DSP、处理器和FPGA等高集成度芯片进行设计，降低设备整体尺寸、重量和功耗是通信电路设计持续追求的目标；无线通信系统架构从超外差逐步演变到零中频，多频段、多模式、宽带的应用越来越广泛，工作频段从几百MHz提高到了数十GHz；电路的实现方式也发生了根本性的变化，模拟调制解调基本被数字信号处理所取代，逐步实现软件决定的架构，以便能够动态改变、在现场更新或在工厂配置实施方案和工作模式。

高频电子线路的教学内容已无法适应通信电子行业高速展的需求，知识体系、课程内容与分析方法和实际的行业应用有较大的差距。为了促进应用型、技术技能型和复合型人才培养，对教学进行改革探索，结合产业和技术发展的需求，采用工程实例和EDA手段开展教学，深化学生对书本知识的认识，构建较完善的知识体系，培养学生的自学能力和解决工程问题的能力，能更好的走向工作岗位和适应社会经济发展的需求。

一、构建知识体系架构，加深知识理解

随着社会的不断发展，获取知识载体的方法和手段变得很容易，学生可以通过网络获取丰富的课程相关资源和知识，这也是实际工作中需要具备的重要能力。培养学生资料搜集和技术跟踪能力，增加对技术发展趋势的了解，学习目前通信系统天线、射频前端模块、射频收发模块以及基带信号处理器四部分主体架构。

射频前端芯片主要是实现信号在不同频率下的收发，包括射频功率放大器、射频低噪声放大器、射频开关、滤波器、双工器等，相关内容主要体现在高频电子线路的放大器部分，基本采用MMIC器件或者射频模块、组件进行电路设计实现；MMIC将高性能微波晶体管与低损耗无源元件和传输线相结合，形成具有多个互连的复杂电路，相对分立器件电路，MMIC在成本、功耗、尺寸和可靠性方面具有明显优势。超外差收发架构已有数十年历史，近年来随着模数转换器采样速率的迅速提高、嵌入式数字处理的采纳以及匹配通道的集成，普遍采用集成式射频收发器进行电路设计，集成式射频收发器提供一套完整的从RF到数字转换的信号链路，还包括射频控制环路所需要的全部功能，传统的振荡器、混频电路仅仅是集成式射频收发器重要组成部分。

学生通过对行业系统知识的了解，结合课程的内容加深对放大器、振荡器等知识的理解，构建高频通信电路的知识体系。

二、强化基础概念理论，提高知识的实用性

虽然目前电路设计主要采用数字或者模拟集成电路，实现方式和途径和教材内相比发生了很大变化，但是电路蕴含的数学原理和参数指标仍然是一致的，把基础概念和原理作为教学的重点，课程涉及到的具体电路比较陈旧可以适当删减，把目前主流工程设计采用的电路形式作为扩展内容，培养学生电路工程设计和应用的基础能力。

高频电路频率截至几百MHz，随着通信行业需求的发展、器件工艺和集成度的进步、和电磁环境的日益紧张复杂，通信的主要工作频率从几百MHz扩展到6GHz，甚至数十GHz的毫米波频段。小信号放大使用单片集成放大器，通过输出端的偏置电阻方便实现放大功能，选频网络通过声表滤波器或者集成可编程滤波器来实现，极大的简化了电路设计和分析。功率放大器件一般采用内部匹配50Ω阻抗，无需外部匹配便可实现全频段工作，甚至不需要外部电感便可实现放大器偏置，可以方便轻松集成到系统中。

虽然电路实现的方式简单了，但是放大电路涉及的工作频率、工作带宽、放大增益、1dB压缩输出功率、饱和输出功率、三阶交调电平、功率附加效率等概念和指标，仍然是放大电路设计关注的重点。振荡电路是课程的重点和难点，主要内容是基于分离器件的振荡电路，电路形式多、分析复杂；现在只有在高稳定度和高纯净度的需求条件下才采用分离器件设计振荡电路，比如测试仪器；目前行业普遍采用PLL + VCO（集成电压控制振荡器的锁相环）技术实现针对移动通信、微波无线电、军事等应用快速开发低相位噪声频率合成器，实现覆盖频率从数十 MHz到数十GHz的本振信号；在扩展讲授振荡器实现形式的基础上，频率稳定度、相位噪声、杂散指标、频率捷变时间依然是集成式振荡器的关键指标，这些内容仍然是教学的重点。

三、掌握数学原理，兼顾知识延续和发展性

模拟幅度、角度调制是最基础的调制方式，也是最早广泛采用的传输方式，在调制技术发展历程中具有里程碑的重要意义，通过课程学习学生掌握了模拟系统FM、PM调制与解调的原理，以及信号时域频域波形、混频、检波、相位检测、频率检测等通信系统涉及的基础概念，此外对非线性失真、动态范围、频率偏差、解调门限等系统级的关键参数也有了一定的了解。

模拟调制技术存在频谱效率低、抗干扰能力差、稳定性等方面的问题，已被更高频谱效率的OFDM、QAM、CPM等数字调制方式所取代，此外调制解调主要通过数字信号处理技术在基带进行处理来提高传输的稳定性和可靠性，传统的模拟调制解调电路已经很少采用。但是实现模拟幅度、角度调制的数学基础和原理，仍然是通过数字信号处理进行复杂波形设计的基础，只有对信号的时域表达的数学原理充分理解，才能构建调制解调的传输模型，进行时域、频域特性仿真分析和传输性能评估，然后通过DSP或者FPGA进行数字信号处理的编程设计，在基带实现调制解调的算法验证。

教学过程中把模拟幅度、角度调制的时域表达、频谱结构、带宽分析作为重点，具体到电路实现的内容可以采用数字信号处理技术作为补充，比如通过相位积分实现频率调制、利用CORDIC算法进行相位计算并微分实现鉴频等，并辅以EDA手段进行算法验证，让学生在理解调制解调数学原理的基础上，通过模型构建和仿真，熟悉现在普遍采用的电路实现方式和设计手段，达到教学基础性、发展性和应用性的目标。

四、分析工程案例，运用知识服务需求

高频电子线路教学中的突出问题是对工作实践的需求反应比较滞后，分离原件放大电路、振荡电路、模拟调制电路等内容的知识过于陈旧，与实际需求脱节，这些电路在后续的工作中基本不会使用；同时电路的基础知识偏理论化，实用性方面存在不足，学生对这些知识到底该如何应用感到困惑，从而对学习的兴趣、动力和激情带来负面的影响。

通过工程应用电路，让学生了解工作中的实际需求，并通过实践案例教学加深对知识的理解，打通理论知识和具体需求之间的通道。比如结合广泛使用的70MHz中频自动增益控制电路，让同学们熟悉和实践电路的设计流程：系统指标分配、器件选型、仿真模拟和物理验证；并把小信号放大、自动增益控制、电路匹配网络、带通滤波器、放大的非线性特性等知识点进行综合和融汇；同时通过电路分析加强对器件具体参数指标和性能的理解，包括：滤波器的幅频特性、通带增益、阻带衰减、驻波比、阻抗等，单片集成放大器的工作频率范围、内匹配、增益特性、回波损耗、反向隔离度、1dB压缩点、饱和输出功率、三阶交调、噪声系统等；此外利用链路仿真工具进行电路各级的时域、频域信号观察，对自动增益控制的响应时间、跟踪误差和跟踪范围等动态特性进行学习。

通过实际案例，促进学生对行业半导体器件、电路实现方式和设计手段的了解，对接社会发展需求，增强了知识的服务性，把知识直接或间接转化为生产力。

五、了解产业发展趋势，增强责任感和使命感

高频电子线路主要基于模拟有源、无源器件，实现信号放大、振荡器、混频和调制等电路，传统的分立元件二极管、三极管设计电路，存在稳定性差、体积大和功耗大的缺点，混频、放大和滤波器等前端处理基本被模拟集成电路和模拟前端模块所取代，调制编码等基带处理主要采用FPGA、ASIC芯片来实现。

消费级应用是通信行业发展的主要动力，而5G是开启工业数字化和物联网新时代的新一代基础生产力，5G需要满足全频谱接入、高频段乃至毫米波传输、高频谱效率三大基础性能，因此对器件和关键性半导体原材料的性能要求也相应提高。当前半导体模拟器件产业正在发生深刻的变革，以碳化硅、氮化镓等材料为代表的新材料半导体因其优异的性能而受到关注，我国已经成为全球最重要的半导体器件制造基地和全球最大的半导体器件市场。

近十年来随着国家鼓励政策的大力扶持，集成电路产业已成为先导性产业，更加重视芯片科技发展对工业制造转型升级和信息技术发展的推动力，半导体器件国产化趋势显现以及下游应用领域需求增长的拉升，我国半导体器件行业蕴含着巨大的发展契机。同时应该认识到，我国半导体产业和美、日、韩等发达地区还存在较大的差距，通信产业的元器件国产化率还不足50%，另外新一代信息技术产业在2025年的人才缺口近950万人，作为信息产业基础的集成电路芯片产业人才缺口更是巨大。

课堂教学是课程思政建设的主渠道，结合行业发展趋势和产业格局的变迁，通过高频电子线路的课程学习，为专业发展奠定基础，培养学生探索未知、追求真理、勇攀科学高峰的责任感和使命感，培养学生精益求精的大国工匠精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。

六、结语

对高频电子线路的教学进行探索，以期教学能满足社会经济发展和行业技术发展需求，培养学生的资料搜集整理能力，构建知识体系加深对知识的理解，加强对基础概念的认识，提高知识的实用性，数学原理是不同方式实现高频电子电路的基础，通过实践让同学们认识到理论基础的重要性，加强工程实例化教学，科教协同提高学生对知识的运用和应用水平，从课程所涉专业、行业、国家等角度，增加课程的广度和深度，激发学生的学习热情，增强学生的社会责任感和创新精神。