实验简介：
本课程依托于申请人承担的国家自然科学基金杰出青年基金项目、江苏省杰出青年基金项目、江苏省重点研发计划等相关项目，利用教师团队在第三代半导体微波集成电路教学和科研方面的长期积累和前沿技术，将科研成果凝练并抽取出关键且适合教学的知识点而形成。该课程采用虚拟仿真手段模拟商用卫星高可靠第三代半导体微波集成电路协同设计。学生在学习电磁场与微波技术、微波集成电路和微波测量等知识基础上，针对平台发布的任务，进行星地通信链路损耗计算，根据天线增益及接收机灵敏度确定星载微波系统发送端等效全向辐射功率。完成第三代半导体微波功率放大器设计，包括晶体管栅长和栅宽尺寸的确定、静态工作点的合理选取等以满足系统对功率放大器的输出功率、效率和线性度等性能指标的要求。获取微波功率放大器的散射参量，据此判断放大器的稳定性。探究太空中存在辐照以及漏气导致的低气压环境对微波功率放大器性能的影响。实验效果以误比特率、传送图文信息、集成电路烧毁图片等形式直观形象地实时同步呈现。通过观察和对比微波功率放大器在不同工作状态下的通信效果，理解第三代半导体微波集成电路设计的关键理论知识。本课程是真实实验在仿真环境下的实现，除没有实际制作外，设计过程与设计结果与现实中的实验高度一致。
实验背景：
（1）半导体微波集成电路是服务国家“新基建”战略需求，是国民经济发展和现代国防建设的重要支撑。微波集成电路方面的专业人才培养也是国家经济和国防建设的迫切需要。本虚拟仿真课程依托团队在射频与微波集成电路方面的教学和科研，服务国家战略需求，培养半导体微波集成电路方面的工程精英人才。
（2）商用卫星高可靠第三代半导体微波集成电路协同设计由于投资成本大，设计周期长，技术风险高，无法给学生开设实体实验，不仅是因为代价太大（采用氮化镓（GaN）工艺设计集成电路的成本很高），还涉及到难以解决的极端环境（太空的辐照和低气压条件等）、实验结果观测（芯片内部某些节点处的信号）等问题。传统上这部分教学内容多以理论授课为主，教学效率低、学生体验差。
设计原则：
项目设计包含三部分，即卫星链路基本组成等基础知识，微波集成电路建模仿真集成，星载第三代微波集成电路综合仿真与设计。其中微波集成电路建模仿真集成模块包含器件设计、电路设计、环境适应性设计三个模块。卫星链路基本组成等基础知识主要让学生补充学习和认知实验中的卫星设计对象，设计指标和可设计的参数。微波集成电路建模仿真集成主要是通过后来电磁计算算法，建立了GaN器件的沟道宽长比、匹配、封装等设计参数与功率、功耗、线性度等指标参数的关系，学生通过控制变量法，寻找设计参数。最后通过星载第三代微波集成电路综合仿真与设计步骤，完成多参数优化设计，实现北斗卫星定位和短报文等功能要求。
半导体微波集成电路自主化是服务国家“新基建”战略需求，半导体微波集成电路方面的人才培养是国家经济发展和国防建设的迫切需要。半导体微波集成电路设计及相关实验室微电子科学与工程专业必修课程《微波技术》和《现代微波测量技术》的核心教学内容。课程中，GaN器件的组成，器件中沟道宽长比、匹配、封装等设计参数与功率、功耗、线性度等指标参数的影响机理是半导体微波集成电路的难点。其涉及到的理论知识点多、技术复杂，学生理解难度高。这部分内容无法给学生开设实体实验，不仅因为代价太大，还涉及到难以解决的安全、保密、实验结果观测等问题。针对上述问题，团队以相关科研和教学成果为基础，遵照“能实不虚，虚实结合”的原则自主研发了“商用卫星高可靠第三代半导体微波集成电路协同设计虚拟仿真实验”项目，基本设计原则如下：
（a）坚持以学生为中心的教学理念，实验方案采用了问题导向的设计方法，实验情景吸引力强。本实验项目围绕高可靠第三代半导体微波集成电路协同设计中的GaN核心器件设计、攻防微波集成电路设计、太空环境适应性综合设计三种典型场景进行综合设计，将知识学习和能力提升有机融合，培养学生解决复杂工程问题的综合能力和探究式的思维方式。
（b）本实验项目的实验效果以I-V曲线、线性度、误码率、定位信息、波形等形式实时同步呈现。通过观察和对比不同条件下的通信传输效果，理解北斗卫星定位和短报文功能与半导体微波集成电路协调设计关键理论知识。
（c）本实验项目依托团队承担的江苏省重点研发计划等项目，将最新科研成果转化成教学资源，该项目是仿真环境下的真实验，核心要素逼真度高，具有较强的视听觉效果；通过随机给定卫星定位要求参数和太空环境等，实现实验任务和学生设计的互动，富有趣味性和挑战性。
（d）融入课程思政元素，润物细无声，培养学生的家国情怀。把我国射频与微波集成电路发展的艰辛历程、老一辈军工人服务国家、献身国防的先进事迹收录在实验项目的在线“知识角”中。学生通过自主学习，激发爱国情怀，增强民族使命感和责任感。
实验目标：
本虚拟仿真实验项目采用虚拟仿真手段模拟商用卫星高可靠第三代半导体微波集成电路协同设计，是《现代微波测量技术》专业实验课程中的一个重要组成部分，实验课程目标如下：
（1）帮助学生熟悉卫星链路基本组成，在了解卫星的定位和短报文功能中，掌握三代半导体微波集成电路基本工作原理，提高学生对功率放大器的认知能力。
（2）帮助学生熟悉GaN器件的沟道宽长比、匹配、封装等设计参数与功率、功耗、线性度等指标参数的关系和设计方法，提高学生的星载第三代半导体微波集成电路设计能力。
（3）帮助学生熟悉环境适应性对商用卫星第三代半导体微波集成电路的影响，掌握星载第三代半导体微波集成电路综合设计方法，提高学生解决复杂工程问题的能力。
实验要求：
（1）专业与年级要求
本实验所属课程为《射频/微波系统综合实验》，是南京理工大学电子信息工程，通信工程，电子科学与技术，微电子科学与工程专业骨干实验课程。本实验课程面向电子信息工程，通信工程，电子科学与技术，微电子科学与工程专业大三和大四学生必选。
（2）基本知识和能力要求
本实验课程先修理论课程包括：《电磁与与电磁波》、《微波技术》、《现代微波测量技术》三门专业必修理论课程。学生学习本门课程之前所需掌握的主要能力和知识结构
（a）要求学生掌握卫星通信系统的基本组成，误码性能等。
（b）要求学生掌握微波集成电路的设计原理，了解GaN器件的设计参数及性能指标。
（c）要求学生掌握GaN晶体管伏安特性曲线随晶体管尺寸及静态工作点的变化规律。
（d）要求学生掌握GaN晶体管构成的放大器散射参量的获取并能确定放大器的稳定性。
（e）要求学生掌握功率放大器设计中的阻抗匹配。
（f）要求学生了解功率放大器微波集成电路的设计原理及太空环境适应性。
值得一提的是，由于本项目的知识角提供了较多文献、视频学习资料，学生通过自主学习，能够较好的完成本实验所有环节的实验任务。
