實驗簡介：

本課程依托于申請人承擔(dān)的國家自然科學(xué)基金杰出青年基金項目、江蘇省杰出青年基金項目、江蘇省重點研發(fā)計劃等相關(guān)項目，利用教師團隊在第三代半導(dǎo)體微波集成電路教學(xué)和科研方面的長期積累和前沿技術(shù)，將科研成果凝練并抽取出關(guān)鍵且適合教學(xué)的知識點而形成。該課程采用虛擬仿真手段模擬商用衛(wèi)星高可靠第三代半導(dǎo)體微波集成電路協(xié)同設(shè)計。學(xué)生在學(xué)習(xí)電磁場與微波技術(shù)、微波集成電路和微波測量等知識基礎(chǔ)上，針對平臺發(fā)布的任務(wù)，進行星地通信鏈路損耗計算，根據(jù)天線增益及接收機靈敏度確定星載微波系統(tǒng)發(fā)送端等效全向輻射功率。完成第三代半導(dǎo)體微波功率放大器設(shè)計，包括晶體管柵長和柵寬尺寸的確定、靜態(tài)工作點的合理選取等以滿足系統(tǒng)對功率放大器的輸出功率、效率和線性度等性能指標的要求。獲取微波功率放大器的散射參量，據(jù)此判斷放大器的穩(wěn)定性。探究太空中存在輻照以及漏氣導(dǎo)致的低氣壓環(huán)境對微波功率放大器性能的影響。實驗效果以誤比特率、傳送圖文信息、集成電路燒毀圖片等形式直觀形象地實時同步呈現(xiàn)。通過觀察和對比微波功率放大器在不同工作狀態(tài)下的通信效果，理解第三代半導(dǎo)體微波集成電路設(shè)計的關(guān)鍵理論知識。本課程是真實實驗在仿真環(huán)境下的實現(xiàn)，除沒有實際制作外，設(shè)計過程與設(shè)計結(jié)果與現(xiàn)實中的實驗高度一致。

實驗背景：

（1）半導(dǎo)體微波集成電路是服務(wù)國家“新基建”戰(zhàn)略需求，是國民經(jīng)濟發(fā)展和現(xiàn)代國防建設(shè)的重要支撐。微波集成電路方面的專業(yè)人才培養(yǎng)也是國家經(jīng)濟和國防建設(shè)的迫切需要。本虛擬仿真課程依托團隊在射頻與微波集成電路方面的教學(xué)和科研，服務(wù)國家戰(zhàn)略需求，培養(yǎng)半導(dǎo)體微波集成電路方面的工程精英人才。

（2）商用衛(wèi)星高可靠第三代半導(dǎo)體微波集成電路協(xié)同設(shè)計由于投資成本大，設(shè)計周期長，技術(shù)風(fēng)險高，無法給學(xué)生開設(shè)實體實驗，不僅是因為代價太大（采用氮化鎵（GaN）工藝設(shè)計集成電路的成本很高），還涉及到難以解決的極端環(huán)境（太空的輻照和低氣壓條件等）、實驗結(jié)果觀測（芯片內(nèi)部某些節(jié)點處的信號）等問題。傳統(tǒng)上這部分教學(xué)內(nèi)容多以理論授課為主，教學(xué)效率低、學(xué)生體驗差。

設(shè)計原則：

項目設(shè)計包含三部分，即衛(wèi)星鏈路基本組成等基礎(chǔ)知識，微波集成電路建模仿真集成，星載第三代微波集成電路綜合仿真與設(shè)計。其中微波集成電路建模仿真集成模塊包含器件設(shè)計、電路設(shè)計、環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計三個模塊。衛(wèi)星鏈路基本組成等基礎(chǔ)知識主要讓學(xué)生補充學(xué)習(xí)和認知實驗中的衛(wèi)星設(shè)計對象，設(shè)計指標和可設(shè)計的參數(shù)。微波集成電路建模仿真集成主要是通過后來電磁計算算法，建立了GaN器件的溝道寬長比、匹配、封裝等設(shè)計參數(shù)與功率、功耗、線性度等指標參數(shù)的關(guān)系，學(xué)生通過控制變量法，尋找設(shè)計參數(shù)。最后通過星載第三代微波集成電路綜合仿真與設(shè)計步驟，完成多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)北斗衛(wèi)星定位和短報文等功能要求。

半導(dǎo)體微波集成電路自主化是服務(wù)國家“新基建”戰(zhàn)略需求，半導(dǎo)體微波集成電路方面的人才培養(yǎng)是國家經(jīng)濟發(fā)展和國防建設(shè)的迫切需要。半導(dǎo)體微波集成電路設(shè)計及相關(guān)實驗室微電子科學(xué)與工程專業(yè)必修課程《微波技術(shù)》和《現(xiàn)代微波測量技術(shù)》的核心教學(xué)內(nèi)容。課程中，GaN器件的組成，器件中溝道寬長比、匹配、封裝等設(shè)計參數(shù)與功率、功耗、線性度等指標參數(shù)的影響機理是半導(dǎo)體微波集成電路的難點。其涉及到的理論知識點多、技術(shù)復(fù)雜，學(xué)生理解難度高。這部分內(nèi)容無法給學(xué)生開設(shè)實體實驗，不僅因為代價太大，還涉及到難以解決的安全、保密、實驗結(jié)果觀測等問題。針對上述問題，團隊以相關(guān)科研和教學(xué)成果為基礎(chǔ)，遵照“能實不虛，虛實結(jié)合”的原則自主研發(fā)了“商用衛(wèi)星高可靠第三代半導(dǎo)體微波集成電路協(xié)同設(shè)計虛擬仿真實驗”項目，基本設(shè)計原則如下：

（a）堅持以學(xué)生為中心的教學(xué)理念，實驗方案采用了問題導(dǎo)向的設(shè)計方法，實驗情景吸引力強。本實驗項目圍繞高可靠第三代半導(dǎo)體微波集成電路協(xié)同設(shè)計中的GaN核心器件設(shè)計、攻防微波集成電路設(shè)計、太空環(huán)境適應(yīng)性綜合設(shè)計三種典型場景進行綜合設(shè)計，將知識學(xué)習(xí)和能力提升有機融合，培養(yǎng)學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的綜合能力和探究式的思維方式。

（b）本實驗項目的實驗效果以I-V曲線、線性度、誤碼率、定位信息、波形等形式實時同步呈現(xiàn)。通過觀察和對比不同條件下的通信傳輸效果，理解北斗衛(wèi)星定位和短報文功能與半導(dǎo)體微波集成電路協(xié)調(diào)設(shè)計關(guān)鍵理論知識。

（c）本實驗項目依托團隊承擔(dān)的江蘇省重點研發(fā)計劃等項目，將最新科研成果轉(zhuǎn)化成教學(xué)資源，該項目是仿真環(huán)境下的真實驗，核心要素逼真度高，具有較強的視聽覺效果；通過隨機給定衛(wèi)星定位要求參數(shù)和太空環(huán)境等，實現(xiàn)實驗任務(wù)和學(xué)生設(shè)計的互動，富有趣味性和挑戰(zhàn)性。

（d）融入課程思政元素，潤物細無聲，培養(yǎng)學(xué)生的家國情懷。把我國射頻與微波集成電路發(fā)展的艱辛歷程、老一輩軍工人服務(wù)國家、獻身國防的先進事跡收錄在實驗項目的在線“知識角”中。學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)，激發(fā)愛國情懷，增強民族使命感和責(zé)任感。

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本虛擬仿真實驗項目采用虛擬仿真手段模擬商用衛(wèi)星高可靠第三代半導(dǎo)體微波集成電路協(xié)同設(shè)計，是《現(xiàn)代微波測量技術(shù)》專業(yè)實驗課程中的一個重要組成部分，實驗課程目標如下：

（1）幫助學(xué)生熟悉衛(wèi)星鏈路基本組成，在了解衛(wèi)星的定位和短報文功能中，掌握三代半導(dǎo)體微波集成電路基本工作原理，提高學(xué)生對功率放大器的認知能力。

（2）幫助學(xué)生熟悉GaN器件的溝道寬長比、匹配、封裝等設(shè)計參數(shù)與功率、功耗、線性度等指標參數(shù)的關(guān)系和設(shè)計方法，提高學(xué)生的星載第三代半導(dǎo)體微波集成電路設(shè)計能力。

（3）幫助學(xué)生熟悉環(huán)境適應(yīng)性對商用衛(wèi)星第三代半導(dǎo)體微波集成電路的影響，掌握星載第三代半導(dǎo)體微波集成電路綜合設(shè)計方法，提高學(xué)生解決復(fù)雜工程問題的能力。

實驗要求：

（1）專業(yè)與年級要求

本實驗所屬課程為《射頻/微波系統(tǒng)綜合實驗》，是南京理工大學(xué)電子信息工程，通信工程，電子科學(xué)與技術(shù)，微電子科學(xué)與工程專業(yè)骨干實驗課程。本實驗課程面向電子信息工程，通信工程，電子科學(xué)與技術(shù)，微電子科學(xué)與工程專業(yè)大三和大四學(xué)生必選。

（2）基本知識和能力要求

本實驗課程先修理論課程包括：《電磁與與電磁波》、《微波技術(shù)》、《現(xiàn)代微波測量技術(shù)》三門專業(yè)必修理論課程。學(xué)生學(xué)習(xí)本門課程之前所需掌握的主要能力和知識結(jié)構(gòu)

（a）要求學(xué)生掌握衛(wèi)星通信系統(tǒng)的基本組成，誤碼性能等。

（b）要求學(xué)生掌握微波集成電路的設(shè)計原理，了解GaN器件的設(shè)計參數(shù)及性能指標。

（c）要求學(xué)生掌握GaN晶體管伏安特性曲線隨晶體管尺寸及靜態(tài)工作點的變化規(guī)律。

（d）要求學(xué)生掌握GaN晶體管構(gòu)成的放大器散射參量的獲取并能確定放大器的穩(wěn)定性。

（e）要求學(xué)生掌握功率放大器設(shè)計中的阻抗匹配。

（f）要求學(xué)生了解功率放大器微波集成電路的設(shè)計原理及太空環(huán)境適應(yīng)性。

值得一提的是，由于本項目的知識角提供了較多文獻、視頻學(xué)習(xí)資料，學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)，能夠較好的完成本實驗所有環(huán)節(jié)的實驗任務(wù)。