潘勇 熊江 高子林

【摘要】作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)特色課程的射頻識別技術(shù)與無線傳感網(wǎng)絡(luò)，天線都是其中的重要組成部分。在高校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)開設(shè)天線設(shè)計(jì)課程，有利于學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)知識的全面掌握，符合社會對天線設(shè)計(jì)人才的需求，有助于提升物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)高校畢業(yè)生的實(shí)踐動手能力和就業(yè)競爭力，也為射頻電路與天線設(shè)計(jì)、電磁場與微波等學(xué)科培養(yǎng)了后備人才。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng) 天線設(shè)計(jì) 高等教育 課程

【基金項(xiàng)目】重慶市教委科研基金（KJ131108）。

【中圖分類號】G640 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A 【文章編號】2095-3089（2014）07-0252-01 1.開設(shè)天線設(shè)計(jì)課程的意義

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的三大基礎(chǔ)技術(shù)之一即為通信技術(shù)，而且主要集中在無線通信。目前得到廣泛應(yīng)用的無線通信設(shè)備，諸如手機(jī)、射頻識別（RFID）、藍(lán)牙（Bluetooth）、無線局域網(wǎng)（WLAN）網(wǎng)卡以及全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）等產(chǎn)品都需要使用天線來發(fā)射和接收無線電信號。而以上產(chǎn)品均為物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)成部分。當(dāng)下，社會對天線設(shè)計(jì)人才的需求與日俱增。國內(nèi)高校和科研院所對天線設(shè)計(jì)的研究取得了不少成果，東南大學(xué)、天津大學(xué)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(gòu)天線，發(fā)表了大量的高水平論文，而且設(shè)計(jì)的天線均經(jīng)過實(shí)際測試，具備了應(yīng)用的水平。圍繞天線的設(shè)計(jì)、測試與安裝應(yīng)用等工程問題，很多電子與通信企業(yè)也進(jìn)行了不少研究工作。華為、中興都有自己專屬的天線設(shè)計(jì)部門，從事通信設(shè)備與終端的天線研發(fā)。蘋果、三星均具備多個(gè)天線設(shè)計(jì)專利而且根據(jù)應(yīng)用不斷改進(jìn)自身天線設(shè)計(jì)。天線設(shè)計(jì)工程師缺口是很大的，因此，作為物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)本科生，掌握天線設(shè)計(jì)技能，對于未來的工作和就業(yè)很有幫助。

作為物聯(lián)網(wǎng)特色專業(yè)課的RFID技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)，天線都是其重要組成部分。如在RFID系統(tǒng)中，標(biāo)簽天線的性能決定了標(biāo)簽的性能。由于射頻識別處理芯片本身技術(shù)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(biāo)簽天線的設(shè)計(jì)往往成為了標(biāo)簽設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，同樣要根據(jù)工程應(yīng)用需求進(jìn)行節(jié)點(diǎn)天線的設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)天線不僅需要滿足通信距離、穩(wěn)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?？梢钥闯?，離開天線設(shè)計(jì)的RFID技術(shù)課程和無線傳感網(wǎng)絡(luò)課程是不完整的。

有鑒于此， 有必要在高等院校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)開設(shè)天線設(shè)計(jì)課程。此舉有利于學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)知識的全面掌握，符合社會對天線設(shè)計(jì)人才的需求，有助于提升物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)高校畢業(yè)生的實(shí)踐動手能力和就業(yè)競爭力，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

2.開設(shè)天線設(shè)計(jì)課程的條件和方式

2.1開設(shè)天線設(shè)計(jì)課程的基本條件

天線理論學(xué)習(xí)難度比較大，包含大量的公式和復(fù)雜的運(yùn)算。但學(xué)習(xí)天線的設(shè)計(jì)技術(shù)并不困難。學(xué)習(xí)天線設(shè)計(jì)，只需要對天線的重要參數(shù)指標(biāo)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(jìn)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(xué)生接受起來并無難點(diǎn)。學(xué)生掌握了以上概念，再具備基本電路知識和熟悉一款經(jīng)典天線仿真設(shè)計(jì)軟件的操作方法，就可以學(xué)習(xí)天線的設(shè)計(jì)。而我國高校只要具備電子信息工程背景的專業(yè)，大多都開設(shè)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(chǔ)，很多國內(nèi)高校實(shí)際已經(jīng)具備了開設(shè)天線設(shè)計(jì)課程的基本條件。

2.2開設(shè)天線設(shè)計(jì)課程的方式

獨(dú)立開設(shè)天線設(shè)計(jì)課程，效果無疑是最好的。具體實(shí)施過程中，教材可以選用李明洋工程師的教材《HFSS天線設(shè)計(jì)》。這部教材，立足于工程設(shè)計(jì)與應(yīng)用，借助于當(dāng)前射頻電路和天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域的經(jīng)典仿真軟件HFSS講解天線設(shè)計(jì)，把復(fù)雜的理論直觀化，讓天線設(shè)計(jì)不再困難，利于學(xué)生接收。

講授過程中，第一章可以安排四個(gè)學(xué)時(shí)，首先講解輻射場的概念，然后進(jìn)入天線性能參數(shù)的內(nèi)容，這部分內(nèi)容不必糾纏于太多的公式與計(jì)算，重點(diǎn)在講清概念，為學(xué)生的后續(xù)設(shè)計(jì)打下一個(gè)基礎(chǔ)。而第二章《HFSS設(shè)計(jì)流程》的內(nèi)容主要是對HFSS軟件的使用進(jìn)行一個(gè)介紹，本著應(yīng)用的目的，這章不用安排太多課時(shí)，因?yàn)橹蟮慕?jīng)典實(shí)例設(shè)計(jì)，對熟悉軟件效果更佳，因此用兩個(gè)課時(shí)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(shè)計(jì)思路和方法，本章為天線設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，考慮到物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)RFID技術(shù)和無線傳感網(wǎng)絡(luò)對天線設(shè)計(jì)的實(shí)際需求，可簡要介紹偶極子天線，重點(diǎn)講解單極子天線設(shè)計(jì)。以WLAN雙頻單極子天線為切入點(diǎn)，指導(dǎo)學(xué)生設(shè)計(jì)一個(gè)完整的實(shí)用的天線。本章講授至少投入四個(gè)課時(shí)。考慮到RFID標(biāo)簽天線設(shè)計(jì)的內(nèi)容，本章還可增加兩到四個(gè)課時(shí)，指導(dǎo)學(xué)生在雙頻WLAN天線基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)一個(gè)雙頻RFID標(biāo)簽天線。第四章《微帶天線設(shè)計(jì)》是本課程的重要教學(xué)內(nèi)容，它包含了四個(gè)具體的微帶天線設(shè)計(jì)實(shí)例，涉及饋電方式、多頻段以及極化等一些天線的重要參數(shù)內(nèi)容，在這一章應(yīng)投入八個(gè)學(xué)時(shí)以上。學(xué)生可通過本章的學(xué)習(xí)進(jìn)一步熟悉天線設(shè)計(jì)流程和設(shè)計(jì)方法，同時(shí)加深對天線重要參數(shù)的理解。第五章內(nèi)容講解倒F天線，該天線是單極子天線的一種變形結(jié)構(gòu)，是目前采用藍(lán)牙、WLAN等標(biāo)準(zhǔn)的通信設(shè)備的經(jīng)典天線設(shè)計(jì)方案。本章介紹了倒F天線的設(shè)計(jì)技巧和設(shè)計(jì)思路?？砂才艃蓚€(gè)課時(shí)講授。第六章《平面倒F天線》承接第五章的內(nèi)容，本章可重點(diǎn)讓學(xué)生練習(xí)GSM900手機(jī)PIFA天線的設(shè)計(jì)，建議在這一章至少要講授四個(gè)課時(shí)，有了前面的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，學(xué)生在本章的學(xué)習(xí)中將進(jìn)一步加深對天線設(shè)計(jì)方法的印象，同時(shí)也對手機(jī)天線的設(shè)計(jì)有了感性認(rèn)識。有條件的情況下，可視情況增加課時(shí)，再講解下GSM900和DCS1800雙頻PIFA天線的設(shè)計(jì)。第七章和第八章考慮到物聯(lián)網(wǎng)無線通信終端的天線使用現(xiàn)狀，對于喇叭天線的設(shè)計(jì)方法和Antenna Design Kit的使用只需簡單介紹就可以。學(xué)生若有興趣，可課下花時(shí)間去自學(xué)。

綜上，作為一門工程設(shè)計(jì)類課程，天線設(shè)計(jì)需要將更多的課時(shí)投入到實(shí)踐教學(xué)，因此有條件的高?？梢灾苯釉趯?shí)驗(yàn)室講授，然后讓學(xué)生練習(xí)。條件不允許的學(xué)校，可以保持24～26的課堂講授課時(shí)，其余課時(shí)盡量留給實(shí)驗(yàn)課，一定要讓學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室親自動手設(shè)計(jì)，從而真正掌握這門技能。

在高校物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)開設(shè)天線設(shè)計(jì)課程，有利于學(xué)生對物聯(lián)網(wǎng)知識的全面掌握，符合社會對天線設(shè)計(jì)人才的需求，有助于提升物聯(lián)網(wǎng)工程專業(yè)高校畢業(yè)生的實(shí)踐動手能力和就業(yè)競爭力，也為射頻電路與天線設(shè)計(jì)、電磁場與微波等學(xué)科培養(yǎng)了后備人才。對高等院校本身而言，開設(shè)天線設(shè)計(jì)課程，還可以造就一批熟悉天線設(shè)計(jì)思想和技術(shù)的教師，有利于高校在射頻電路和天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域形成科研實(shí)力及儲備工程教學(xué)團(tuán)隊(duì)。

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作者簡介：

潘勇(1981－),男,重慶萬州人，博士, 講師, 研究領(lǐng)域：物聯(lián)網(wǎng)通信，天線理論與設(shè)計(jì)。