为物联网工程专业本科生开设天线设计课程正当其时

潘勇 熊江 高子林

【摘要】作为物联网工程专业特色课程的射频识别技术与无线传感网络，天线都是其中的重要组成部分。在高校物联网工程专业开设天线设计课程，有利于学生对物联网知识的全面掌握，符合社会对天线设计人才的需求，有助于提升物联网工程专业高校毕业生的实践动手能力和就业竞争力，也为射频电路与天线设计、电磁场与微波等学科培养了后备人才。

【关键词】物联网 天线设计 高等教育 课程

【基金项目】重庆市教委科研基金（KJ131108）。

【中图分类号】G640 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2014）07-0252-01 1.开设天线设计课程的意义

物联网技术的三大基础技术之一即为通信技术，而且主要集中在无线通信。目前得到广泛应用的无线通信设备，诸如手机、射频识别（RFID）、蓝牙（Bluetooth）、无线局域网（WLAN）网卡以及全球卫星定位系统（GPS）等产品都需要使用天线来发射和接收无线电信号。而以上产品均为物联网的构成部分。当下，社会对天线设计人才的需求与日俱增。国内高校和科研院所对天线设计的研究取得了不少成果，东南大学、天津大学等高校目前集中在研究针对多种无线通信终端使用的多频段、可重构天线，发表了大量的高水平论文，而且设计的天线均经过实际测试，具备了应用的水平。围绕天线的设计、测试与安装应用等工程问题，很多电子与通信企业也进行了不少研究工作。华为、中兴都有自己专属的天线设计部门，从事通信设备与终端的天线研发。苹果、三星均具备多个天线设计专利而且根据应用不断改进自身天线设计。天线设计工程师缺口是很大的，因此，作为物联网工程专业本科生，掌握天线设计技能，对于未来的工作和就业很有帮助。

作为物联网特色专业课的RFID技术和无线传感网络，天线都是其重要组成部分。如在RFID系统中，标签天线的性能决定了标签的性能。由于射频识别处理芯片本身技术的成熟性，考虑到成本、体积、封装方式、通信距离等诸多因素，标签天线的设计往往成为了标签设计的重点。在无线传感网络系统中，同样要根据工程应用需求进行节点天线的设计，节点天线不仅需要满足通信距离、稳定性能和辐射性能要求，并且很多场合还要具备一定的绕射能力。可以看出，离开天线设计的RFID技术课程和无线传感网络课程是不完整的。

有鉴于此， 有必要在高等院校物联网工程专业开设天线设计课程。此举有利于学生对物联网知识的全面掌握，符合社会对天线设计人才的需求，有助于提升物联网工程专业高校毕业生的实践动手能力和就业竞争力，具有重大的现实意义。

2.开设天线设计课程的条件和方式

2.1开设天线设计课程的基本条件

天线理论学习难度比较大，包含大量的公式和复杂的运算。但学习天线的设计技术并不困难。学习天线设计，只需要对天线的重要参数指标有整体了解和把握。着重对天线的效率，增益，方向图以及极化概念进行理解，尤其对回波损耗特性有深入的把握。而这些概念的讲授，学生接受起来并无难点。学生掌握了以上概念，再具备基本电路知识和熟悉一款经典天线仿真设计软件的操作方法，就可以学习天线的设计。而我国高校只要具备电子信息工程背景的专业，大多都开设了高频电路、电磁场以及电子电路CAD类课程。有以上课程作为基础，很多国内高校实际已经具备了开设天线设计课程的基本条件。

2.2开设天线设计课程的方式

独立开设天线设计课程，效果无疑是最好的。具体实施过程中，教材可以选用李明洋工程师的教材《HFSS天线设计》。这部教材，立足于工程设计与应用，借助于当前射频电路和天线设计领域的经典仿真软件HFSS讲解天线设计，把复杂的理论直观化，让天线设计不再困难，利于学生接收。

讲授过程中，第一章可以安排四个学时，首先讲解辐射场的概念，然后进入天线性能参数的内容，这部分内容不必纠缠于太多的公式与计算，重点在讲清概念，为学生的后续设计打下一个基础。而第二章《HFSS设计流程》的内容主要是对HFSS软件的使用进行一个介绍，本着应用的目的，这章不用安排太多课时，因为之后的经典实例设计，对熟悉软件效果更佳，因此用两个课时左右即可完成HFSS基本使用方法的介绍。第三章介绍偶极子和单极子天线设计思路和方法，本章为天线设计基础，考虑到物联网工程专业RFID技术和无线传感网络对天线设计的实际需求，可简要介绍偶极子天线，重点讲解单极子天线设计。以WLAN双频单极子天线为切入点，指导学生设计一个完整的实用的天线。本章讲授至少投入四个课时。考虑到RFID标签天线设计的内容，本章还可增加两到四个课时，指导学生在双频WLAN天线基础上设计一个双频RFID标签天线。第四章《微带天线设计》是本课程的重要教学内容，它包含了四个具体的微带天线设计实例，涉及馈电方式、多频段以及极化等一些天线的重要参数内容，在这一章应投入八个学时以上。学生可通过本章的学习进一步熟悉天线设计流程和设计方法，同时加深对天线重要参数的理解。第五章内容讲解倒F天线，该天线是单极子天线的一种变形结构，是目前采用蓝牙、WLAN等标准的通信设备的经典天线设计方案。本章介绍了倒F天线的设计技巧和设计思路。可安排两个课时讲授。第六章《平面倒F天线》承接第五章的内容，本章可重点让学生练习GSM900手机PIFA天线的设计，建议在这一章至少要讲授四个课时，有了前面的设计基础，学生在本章的学习中将进一步加深对天线设计方法的印象，同时也对手机天线的设计有了感性认识。有条件的情况下，可视情况增加课时，再讲解下GSM900和DCS1800双频PIFA天线的设计。第七章和第八章考虑到物联网无线通信终端的天线使用现状，对于喇叭天线的设计方法和Antenna Design Kit的使用只需简单介绍就可以。学生若有兴趣，可课下花时间去自学。

综上，作为一门工程设计类课程，天线设计需要将更多的课时投入到实践教学，因此有条件的高校可以直接在实验室讲授，然后让学生练习。条件不允许的学校，可以保持24～26的课堂讲授课时，其余课时尽量留给实验课，一定要让学生在实验室亲自动手设计，从而真正掌握这门技能。

在高校物联网工程专业开设天线设计课程，有利于学生对物联网知识的全面掌握，符合社会对天线设计人才的需求，有助于提升物联网工程专业高校毕业生的实践动手能力和就业竞争力，也为射频电路与天线设计、电磁场与微波等学科培养了后备人才。对高等院校本身而言，开设天线设计课程，还可以造就一批熟悉天线设计思想和技术的教师，有利于高校在射频电路和天线设计领域形成科研实力及储备工程教学团队。

参考文献：

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作者简介：

潘勇(1981－),男,重庆万州人，博士, 讲师, 研究领域：物联网通信，天线理论与设计。