电路教学与科研案例的结合—以最大功率传输定理为例

《电路》是电气、电子信息类专业的重要专业基础课程。本文在“电路原理”课程教学中，强调将课程基础知识与前沿科研案例相合，并以利用最大功率传输定理为例说明结合思路。实践表明，将课程基础知识与前沿科研案例结合对培养学生的研究能力和拓宽学生的学视眼非常有利。

《电路》是电类本科生必修的重要专业基础课，它具有很强的理论性，同时也有着较强的实践性， 又是后续技术基础课及专业课学习的必备基础。对电路理论及其分析方法掌握的好坏在相当程度上决定着学生对后续技术基础课及专业课学习的进程。然而令人不尽如意的是：由于“电路原理”课程内容的基础性较强，很难将教学内容与前沿的科学研究相结合，这对开拓学生的学术视眼、培养学生的研究兴趣和创新意识是不利的[1]。

笔者在“电路原理”课程教学中，尝试将电路原理基础知识与工程应用和科研相结合，并通过简单的科研案例对学生进行科研思路和方法训练，使学生深刻理解电路的基础知识和实用价值，掌握科学研究的基本方法，提高研究能力和研究兴趣，拓宽视野，培养创新意识。在传统“电路原理”教材和教学中，我们只强调对电路的基本分析方法和求解，而学生对电路模型的来源和应用并不理解。例如，学生都知道理最大功率传输定理， 但是， 对其实际应用却知之甚少。

在教学中， 通过分析最大功率传输定理， 说明一个典型的工程应用：阻抗匹配，并要求学生在课后搭建实际匹配电路，并进行测量和验证。

2. 教学与科研案例结合示例——最大功率传输定理 2.1. 最大功率传输定理 最大功率传输定理是电路原理的基本定理之一，有着重要的理论意义和广泛的工程应用背景。如图1 所示，最大功率传输定理可描述为“线性有源一端口网络向可变负载ZL 传输最大功率的条件是：当负载电阻ZL与一端口网络的内阻抗Z和ZL互为共轭， 即LZZ ∗=时， ZL可获得最大功率[ ]()2max4ReocPUZ=， 称为最大功率匹配条件，其中， [ ]Re Z 表示Z 的实部。” 2.2. 最大功率传输定理和科研案例的结合及其实施 实际系统的最大功率传输需要实现负载和电源(信号源)内阻的匹配， 因此匹配电路非常重要。

移动和无线传输设备已经得到了广泛的应用，例如移动电话、车载天线、蓝牙装置等。随着周围环境的改变， 天线的场分布也会受到影响而改变天线的阻抗值，这种易变性会导致天线负载与传输线的失配。匹配失调不仅会降低系统效率，还会带来许多不良的影响，例如信号会在传输线上形成驻波，导致温度过高， 甚至会损坏发射设备，产生振荡 辐射干扰等[2]-[4]。阻抗匹配是射频设计中的一部分，主要是指传输线上所有高频信号都能传至负载点，而不会有信号反射回源点，也可以认为负载阻抗与源级阻抗相互匹配得到最大功率输出。天线负载阻抗必须与激励源阻抗实现共轭匹配，才能满足功率输出最大化。这种匹配条件称为共轭匹配，否则为失配。