為物聯網工程專業本科生開設天線設計課程正當其時

潘勇 熊江 高子林

【摘要】作為物聯網工程專業特色課程的射頻識別技術與無線傳感網絡，天線都是其中的重要組成部分。在高校物聯網工程專業開設天線設計課程，有利于學生對物聯網知識的全面掌握，符合社會對天線設計人才的需求，有助于提升物聯網工程專業高校畢業生的實踐動手能力和就業競爭力，也為射頻電路與天線設計、電磁場與微波等學科培養了后備人才。

【關鍵詞】物聯網 天線設計 高等教育 課程

【基金項目】重慶市教委科研基金（KJ131108）。

【中圖分類號】G640 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）07-0252-01 1.開設天線設計課程的意義

物聯網技術的三大基礎技術之一即為通信技術，而且主要集中在無線通信。目前得到廣泛應用的無線通信設備，諸如手機、射頻識別（RFID）、藍牙（Bluetooth）、無線局域網（WLAN）網卡以及全球衛星定位系統（GPS）等產品都需要使用天線來發射和接收無線電信號。而以上產品均為物聯網的構成部分。當下，社會對天線設計人才的需求與日俱增。國內高校和科研院所對天線設計的研究取得了不少成果，東南大學、天津大學等高校目前集中在研究針對多種無線通信終端使用的多頻段、可重構天線，發表了大量的高水平論文，而且設計的天線均經過實際測試，具備了應用的水平。圍繞天線的設計、測試與安裝應用等工程問題，很多電子與通信企業也進行了不少研究工作。華為、中興都有自己專屬的天線設計部門，從事通信設備與終端的天線研發。蘋果、三星均具備多個天線設計專利而且根據應用不斷改進自身天線設計。天線設計工程師缺口是很大的，因此，作為物聯網工程專業本科生，掌握天線設計技能，對于未來的工作和就業很有幫助。

作為物聯網特色專業課的RFID技術和無線傳感網絡，天線都是其重要組成部分。如在RFID系統中，標簽天線的性能決定了標簽的性能。由于射頻識別處理芯片本身技術的成熟性，考慮到成本、體積、封裝方式、通信距離等諸多因素，標簽天線的設計往往成為了標簽設計的重點。在無線傳感網絡系統中，同樣要根據工程應用需求進行節點天線的設計，節點天線不僅需要滿足通信距離、穩定性能和輻射性能要求，并且很多場合還要具備一定的繞射能力。可以看出，離開天線設計的RFID技術課程和無線傳感網絡課程是不完整的。

有鑒于此， 有必要在高等院校物聯網工程專業開設天線設計課程。此舉有利于學生對物聯網知識的全面掌握，符合社會對天線設計人才的需求，有助于提升物聯網工程專業高校畢業生的實踐動手能力和就業競爭力，具有重大的現實意義。

2.開設天線設計課程的條件和方式

2.1開設天線設計課程的基本條件

天線理論學習難度比較大，包含大量的公式和復雜的運算。但學習天線的設計技術并不困難。學習天線設計，只需要對天線的重要參數指標有整體了解和把握。著重對天線的效率，增益，方向圖以及極化概念進行理解，尤其對回波損耗特性有深入的把握。而這些概念的講授，學生接受起來并無難點。學生掌握了以上概念，再具備基本電路知識和熟悉一款經典天線仿真設計軟件的操作方法，就可以學習天線的設計。而我國高校只要具備電子信息工程背景的專業，大多都開設了高頻電路、電磁場以及電子電路CAD類課程。有以上課程作為基礎，很多國內高校實際已經具備了開設天線設計課程的基本條件。

2.2開設天線設計課程的方式

獨立開設天線設計課程，效果無疑是最好的。具體實施過程中，教材可以選用李明洋工程師的教材《HFSS天線設計》。這部教材，立足于工程設計與應用，借助于當前射頻電路和天線設計領域的經典仿真軟件HFSS講解天線設計，把復雜的理論直觀化，讓天線設計不再困難，利于學生接收。

講授過程中，第一章可以安排四個學時，首先講解輻射場的概念，然后進入天線性能參數的內容，這部分內容不必糾纏于太多的公式與計算，重點在講清概念，為學生的后續設計打下一個基礎。而第二章《HFSS設計流程》的內容主要是對HFSS軟件的使用進行一個介紹，本著應用的目的，這章不用安排太多課時，因為之后的經典實例設計，對熟悉軟件效果更佳，因此用兩個課時左右即可完成HFSS基本使用方法的介紹。第三章介紹偶極子和單極子天線設計思路和方法，本章為天線設計基礎，考慮到物聯網工程專業RFID技術和無線傳感網絡對天線設計的實際需求，可簡要介紹偶極子天線，重點講解單極子天線設計。以WLAN雙頻單極子天線為切入點，指導學生設計一個完整的實用的天線。本章講授至少投入四個課時。考慮到RFID標簽天線設計的內容，本章還可增加兩到四個課時，指導學生在雙頻WLAN天線基礎上設計一個雙頻RFID標簽天線。第四章《微帶天線設計》是本課程的重要教學內容，它包含了四個具體的微帶天線設計實例，涉及饋電方式、多頻段以及極化等一些天線的重要參數內容，在這一章應投入八個學時以上。學生可通過本章的學習進一步熟悉天線設計流程和設計方法，同時加深對天線重要參數的理解。第五章內容講解倒F天線，該天線是單極子天線的一種變形結構，是目前采用藍牙、WLAN等標準的通信設備的經典天線設計方案。本章介紹了倒F天線的設計技巧和設計思路。可安排兩個課時講授。第六章《平面倒F天線》承接第五章的內容，本章可重點讓學生練習GSM900手機PIFA天線的設計，建議在這一章至少要講授四個課時，有了前面的設計基礎，學生在本章的學習中將進一步加深對天線設計方法的印象，同時也對手機天線的設計有了感性認識。有條件的情況下，可視情況增加課時，再講解下GSM900和DCS1800雙頻PIFA天線的設計。第七章和第八章考慮到物聯網無線通信終端的天線使用現狀，對于喇叭天線的設計方法和Antenna Design Kit的使用只需簡單介紹就可以。學生若有興趣，可課下花時間去自學。

綜上，作為一門工程設計類課程，天線設計需要將更多的課時投入到實踐教學，因此有條件的高校可以直接在實驗室講授，然后讓學生練習。條件不允許的學校，可以保持24～26的課堂講授課時，其余課時盡量留給實驗課，一定要讓學生在實驗室親自動手設計，從而真正掌握這門技能。

在高校物聯網工程專業開設天線設計課程，有利于學生對物聯網知識的全面掌握，符合社會對天線設計人才的需求，有助于提升物聯網工程專業高校畢業生的實踐動手能力和就業競爭力，也為射頻電路與天線設計、電磁場與微波等學科培養了后備人才。對高等院校本身而言，開設天線設計課程，還可以造就一批熟悉天線設計思想和技術的教師，有利于高校在射頻電路和天線設計領域形成科研實力及儲備工程教學團隊。

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作者簡介：

潘勇(1981－),男,重慶萬州人，博士, 講師, 研究領域：物聯網通信，天線理論與設計。