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2022年11月第44期Nov. 2022No.44教育教学论坛EDUCATION AND TEACHING FORUM“天线与电波传播”课程中运用电磁仿真的探索郑月军，丁 亮，陈 强，付云起，刘 燚（国防科技大学 电子科学学院，湖南 长沙 410073）［摘 要 ］“天线与电波传播”是电子信息类本科专业核心课程，是电磁场理论课程的深化与应用拓展，更加注重基础理论与实际应用的结合。
为了提高课程的教学效果，提升课程知识与工程实际联系程度，在课程教学中采用电磁仿真模型、图片、动画、现象对抽象概念和烦琐公式进行具象讲解，让学生掌握使用电磁仿真进行天线仿真设计的方法。
通过在课程中运用电磁仿真有利于化抽象的概念为具象、动态的图像、增加课堂互动，活跃课堂氛围，拓展课程形成性评价的维度，有利于学生运用电磁仿真强化课程知识理解，增强理论与实际的联系，消除对课程学习的恐惧情绪。
运用电磁仿真可有效提升学生学习本课程的效率和兴趣，使学生走出课堂就能走向工程应用。
［关键词］ 天线与电波传播；电磁仿真；HFSS［基金项目］ 2020年度国家自然科学基金委青年基金“基于电磁超构表面的阵列天线辐射散射一体化调控技术研究”（61901493）；2020年度湖南省自然科学基金委青年基金“天线辐射与反射一体化设计技术研究”（2020JJ5676）［作者简介］ 郑月军（1989—），男，江西玉山人，博士，国防科技大学电子科学学院副教授，主要从事电磁功能材料与低可探测天线研究；丁 亮（1985—），男，浙江嘉兴人，博士，国防科技大学电子科学学院副教授，主要从事相变材料与可调天线研究；陈 强（1991—），男，河南信阳人，博士，国防科技大学电子科学学院副研究员，主要从事电磁功能材料与低可探测天线研究。
［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1674-9324（2022）44-0114-04 ［收稿日期］ 2021-11-12“天线与电波传播”是电子信息类本科专业的核心课程，主要学习天线辐射的基本原理、主要参数、典型天线及阵列、电波传播的基础方法及手段等。
隹Isl^iSls V12021年第02期(总第218期)5G有源天线系统的OTA设计与实现刘荣伍(诺基亚通信系统技术(北京)有限公司上海分公司，上海201206)摘要:Massive MIMO技术已经在5G移动通信网络中被广泛地采用，从产晶测试角度来看，鉴于5G有源天线系统设备中的天线被集成到射频RRU单元上，以及5G引入了更高的FR2频段，传统4G基站射频指标测试所采用的传导测试方法，在5G中将被OTA(空中接口)方式取替,OTA测试也成为FR1频段产晶的推荐测试用例，FR2频段产品的默认测试用例。
目前基于测试距离的不同可分为三大类OTA测试方案，远场、紧缩场、近场，远场是最直接的方案，但是路径损耗比较大，可用于测量功率水平比较高的指标；紧缩场是将电磁球面波在近距离转换为平面波后进行测量的一种方案；近场测试方案虽然路径损耗比远场低得多，宽带信号模式下相位的校准以及获得参考相位是难点，射频辐射测试结果与期望值略也有差异。
本文拟在通过分析近场OTA测量系统稳定性的关键因素，提供一种通过自校准解决参考相位的问题并以较低成本、高效地进行多探头近场OTA测试方案，并对实际测试业务信号模式下的测量结果进行对比分析。
关键词:5G;有源天线系统;OTA测试中图分类号:TN929.5文献标识码:B文章编号：2096-9759(2021)02-0015-050引言3GPP协议规定5G移动通信网络主要使用两段分离的频谱:FR1(Sub6GHz)频段和FR2(mmWave)频段。
产品与天线部分与无线RRU集成为一体，Beamforming的性能和一致性测试是5G产品质量的重要衡量指标,从有源天线系统的硬件结构角度上，影响着传统4G的RRU的射频性能的因素仍然继续存在，此外由天线集成所带来的对系统射频性能以及对系统波束方向图的影响需要准确的测量和补偿。
有源天线系统收发信机前端与天线阵列集成在一起,传统的射频输出端口成为系统内部接口，无法用于射频指标的测量验证。
2015届《微波射频》课程设计《微带天线设计与仿真》学生姓名邹海洋学号5021211133所属学院信息工程学院专业通信工程班级通信工程15-1指导教师石鲁珍教师职称讲师塔里木大学教务处制目录微带天线的设计与仿真.......................................... - 3 -摘要.......................................................... - 3 -关键词：微带天线ADS2009 . (3)微带天线的设计背景知识........................................ - 3 -1、微带天线的基础知识： (3)1、微带天线主要的优点：.................................... - 3 -2、微带天线的主要的缺点：.................................. - 3 -2、矩形微带天线： (4)3、工程设计方法 (4)4、主要技术指标 (5)矩形微带天线设计....................................................................................................................... - 6 -1、几何参数计算 .................................................................................................................... - 6 -2、微带天线具体设计与仿真的ADS仿真步骤： (8)微带天线匹配优化设计......................................... - 12 -1、设计步骤： (12)总结：....................................................... - 15 -参考文献：................................................... - 16 -微带天线的设计与仿真摘要天线是无线电设备的重要组成部分，其主要的功能是将电磁波发射只空气中或从空气中接收电磁波，所以天线也可视为射频收发电路与空气的信号耦合器。
第二代路侧单元RSU --相控阵智能定位天线系统研究点击率：105 作者：admin1 发表时间：2013-9-5 14:00:52摘要电子不停车收费ETC系统可以有效解决交通拥堵、收费舞弊等问题，是目前人工收费和半自动收费最理想的替代方案。
近年来，随着我国RFID技术科研能力的增强和交通状况的日益严峻,ETC系统受到了高度重视。
然而,现实应用中ETC系统还存在着兼容性差、跟车干扰、邻道干扰、交易成功率低、通车速度慢等诸多问题。
本文针对这些问题提出了ETC系统第二代路侧单元RSU——相控阵智能定位天线，重点阐述了该天线在性能设计、环境适应性设计、可维护性设计等多个方面的先进性。
提出了针对跟车干扰、邻道干扰等诸多问题的有效解决方案。
1.引言随着我国ETC行业的快速发展，ETC车道的车流量不断增加，在一些车流量很大的站点，已经出现了同向双车道或同向多车道的应用模式。
由于ETC车辆的逐渐增多，对整个ETC车道系统提出了更高的要求，主要体现在以下方面：（1）车流量增大引发跟车干扰问题：当车流量大时，RSU通讯区域内可能出现多个ETC车辆，或者ETC车辆紧跟无电子标签车辆，此时如果系统不能准确区分装有电子标签的车辆和误闯车辆，就会造成误放行等跟车干扰问题，严重损害到正常ETC车辆车主的利益，这就要求RSU 设备必须解决跟车干扰问题；（2）同向多车道的出现引发邻道干扰问题：在相邻的两条或多条ETC车道中，当装有电子标签的车辆驶入其中一条ETC车道时，会对其它相邻的ETC车道造成干扰，可能导致相邻车道中的ETC车辆无法正常通行，甚至重复扣费等问题。
邻道干扰一方面影响了系统的整体交易成功率，另一方面损害到正常ETC用户的利益，这就要求RSU设备必须解决邻道干扰问题；（3）面对目前各个ETC设备厂家技术状态参差不齐的电子标签，如何提高ETC车道交易成功率问题：随着电子标签厂家越来越多，各厂家电子标签的性能表现参差不齐，这就导致ETC 系统交易质量下降，成功率降低。
超材料微带天线的研究进展周精浩;董焱章【摘要】汽车的智能网联化对车载雷达等智能车身传感器提出了更高的性能要求,其中内置微带天线的性能至关重要.超材料的新颖特性非常有利于提高微带天线的增益、小型化和集成化程度,这里超材料与微带天线的合理匹配是设计研究的重点.从天线结构角度来看,超材料微带天线的类型可分为超材料覆层型微带天线、超材料基板型微带天线、复合左右手传输线型微带天线.超材料微带天线在抑制天线表面波、提高天线方向性和天线多频化等方面具有很好的应用潜力.【期刊名称】《汽车实用技术》【年(卷),期】2019(000)007【总页数】7页(P200-206)【关键词】超材料;微带天线;小型化;增益;集成化【作者】周精浩;董焱章【作者单位】汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室,湖北汽车工业学院汽车工程学院,湖北十堰 442002;汽车动力传动与电子控制湖北省重点实验室,湖北汽车工业学院汽车工程学院,湖北十堰 442002【正文语种】中文【中图分类】U4451953年Deschamps首次提出微带天线，然而受限于覆铜、覆金介质基片光刻技术的落后，直到20世纪70年代Munson和Howel才制造出第一个实际意义上的微带天线[1]。
微带天线具有体积小、结构简单、成本低、易与与其他电磁器件共形、方便与馈电网络和其他有源器件集成等优点。
在汽车智能网连化蓬勃发展的过程中，对车载雷达等智能车身传感器的集成化和小型化提出了更高要求，因此微带天线成为车用雷达的新选择，目前己有采用微带天线阵的汽车雷达系统[2-3]。
但是传统的微带天线的增益普遍较低、性能受介质板材影响较大，易激励表面波导致能量损耗、功率容量较低、频带较窄、馈电与辐射元之间存在着隔离差、方向性比较差等缺点制约微带天线的进一步发展和应用。
上述问题亟需新的微带天线设计理论及研究，本世纪初脱颖而出的超材料设计理念[4-7]恰逢其时，随着超材料理论不断发展，目前超材料已经在天线、雷达、滤波器等领域得到应用，并取得较好的效果。
双频双圆极化北斗天线的设计钱建增;张辉;郭滨;邢红兵;王洪金【摘要】设计了一种的小型化的双频双圆极化微带天线.对两个工作于主模的正方形贴片,通过采用对角切角方法,在北斗卫星导航系统的S频段实现右圆极化.通过蚀刻不对称臂U型槽结构,在北斗卫星导航系统的L频段实现左圆极化与小型化.其相比对普通的圆极化天线尺寸减小了24％,使用HFSS进行仿真,仿真结果表明本天线可以达到北斗系统对天线的各项指标要求.【期刊名称】《电子科技》【年(卷),期】2015(028)006【总页数】4页(P111-114)【关键词】北斗卫星导航系统;微带天线;圆极化;小型化【作者】钱建增;张辉;郭滨;邢红兵;王洪金【作者单位】江苏大学计算机科学与通信工程学院,江苏镇江212013;江苏大学计算机科学与通信工程学院,江苏镇江212013;镇江红宝利电子有限公司,江苏镇江212000;镇江红宝利电子有限公司,江苏镇江212000;江苏大学计算机科学与通信工程学院,江苏镇江212013【正文语种】中文【中图分类】TN820.1+1;P228.4北斗卫星导航系统(BeiDou Navigation Satellite System，BDS)是我国自行研制的全球卫星定位与通信系统，是继美国全球卫星定位系统(Global Positioning System，GPS)和俄罗斯全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System，GLONASS)之后第3个成熟的卫星导航系统。
北斗卫星导航系统由空间端、地面端和用户端3部分组成。
空间端包括5颗静止轨道卫星和30颗非静止轨道卫星。
地面端包括主控站、注入站和监测站。
北斗卫星导航系统中的S频段和L频段可以实现位置定位和北斗短信的收发，在日常交通特别是在海洋运输和渔船劳作中发挥着重要的作用。
天线作为收发信号的转换媒介对通信系统至关重要。
由于电磁波在穿透电离层时会发生法拉第旋转效应，线极化电波信号会产生极化面相对入射波的旋转，而圆极化对所有的平面极化效应相当且不需要地球平面作为参考，因此卫星通信中通常采用圆极化天线［1－2］。
ETC系统5.8GHz微带二元天线阵列设计与仿真代玲玉1，张立华21. 武汉理工大学电信系，武汉（430070）2. 总装驻3303厂军事代表室，武汉（430200）E-mail：sunlit1986@摘要：本文介绍了几种常用的天线，简要分析微带贴片天线工作原理，设计一种适用于ETC系统的工作在5.8GHz的微带二元贴片天线阵列。
并通过Ansoft HFSS V9.2软件仿真分析，结合Smith V2.0进行阻抗匹配，得到天线的方向图、输入阻抗以及S参数，仿真结果较好，为实际天线制作与测试提供十分有价值的参考信息。
关键词：ETC系统；5.8GHz；微带二元天线阵；Ansoft HFSS V9.2；Smith V2.01 引言随着社会的高速发展，交通阻塞、拥挤现象日趋严重，各国家利用电子、通信等高新技术来改造现有道路运输系统和管理体系，依此来大幅度提高路网通行能力和服务质量。
ETC(Electronic Toll Collection)即电子不停车收费系统，是一种用于道路、大桥和隧道的电子收费系统。
使用该系统，车主通过收费站时不需要停车，耗时不到两秒，该收费通道的通行能力是人工收费通道的5到10倍。
ETC系统通过安装于车辆上的车载装置和安装在收费站车道上的天线之间进行无线通信和信息交换。
车辆自动识别技术是其中最重要的技术，采用工作波段在5.8GHz的微波非接触式ID卡来完成识别工作，而天线是实现该项技术的重要元件。
其中采用Ansoft HFSSV9.2软件对所需天线进行仿真设计可以直观地看到天线的特性，减少很多工作量，进而更快更准确地设计出符合实际需求的天线[1]。
2天线天线的作用是把传输结构上的导波转换成自由空间波。
IEEE官方对天线的定义：“发射或接收系统中，经设计用于辐射或接收电磁波的部分。
”时变的电流和被加速的电荷都可以产生辐射，辐射产生的电磁能量能够在空间中传播。
天线能够定向辐射和接收电磁能量[2]。
天线按照工作性质可以分为发射天线和接收天线；按照用途可以分为通信天线、雷达天线、广播天线和电视天线等；按照波段可以分为长波天线、中波天线和短波天线等。
一般常见的天线结构为县天仙、环天线、（反射）面天线、喇叭天线、介质天线、微带天线和裂缝天线等，如图1所示。
为了实现特定的工程任务，天线经常也组成天线阵列。
线天线环天线微带天线喇叭天线 反射面天线 裂缝天线图1 部分天线的形式在天线的分析和设计中，主要的性能参数：方向图：天线的空间辐射（或接收）在不同方向是不同的，可以用方向性函数),(ϕθf 来描述。
根据方向性函数绘制的天线辐射（或接收）场强-振幅-方向三维特性的图形简称为方向图。
工程上也常采用两个相互正交主平面上的剖面图来描述天线的方向性，一般为俯仰面和水平面方向图。
方向性系数：发射天线的方向性系数表征天线辐射的能量在空间分布的集中能力，定义为相同辐射功率情况下，天线在给定方向的辐射强度与平均辐射强度之比：202),(),(E E D ϕθϕθ= 式（1） 式中，),(ϕθE 是该天线在),(ϕθ方向某点产生的场强；0E 是全方向电源天线在同一点产生的场强。
一般情况下所关心的均为最大辐射方向的方向性系数。
接收天线的方向性系数表征天线从空间接收电磁能量的能力，即在相同来波场强的情况下，天线在某方向接收时向负载输出的功率与点源天线在同方向接收时向负载输出的功率之比。
发射天线的方向性系数和接收天线的方向性系数虽然在定义上不同，但数值上是一样的。
增益：如果将式（1）定义的方向性系数中的辐射功率改为天线的输入功率，即考虑天线本身的能量转换效率，则该定义称为增益。
输入阻抗：天线的输入阻抗定义为输入端电压和电流之比。
接到发射机和接收机的天线，其输入阻抗等效为发射机或接收机的负载，表征了天线与发射机或接收机的匹配状况，体现了导行波和辐射波之间能量转换的好坏。
极化：天线的极化性质就是天线辐射的电磁波的极化特性。
带宽：每个天线都有其中心工作频率，在偏离中心工作频率时，天线的某些电性能（输入阻抗或增益等）将会下降，电性能下降到允许值的频率范围，就称为天线的带宽。
其表示方法有两种：一是绝对带宽，是指天线实际工作的频率范围；另一种是相对带宽，是绝对带宽与中心频率之比[3]。
3微带贴片天线及微带阵印制天线是用印制电路制造工艺构建的，其一部分金属层是起辐射作用的。
微带天线贴片与贴片阵是印制天线的最普通的形式，由于微带天线的体积小，重量轻，便于集成等优点，在各种无线通信中得到了人们的大力推广和应用，导弹上面的平面螺旋天线，军用头盔共形微带天线，卫星通信中的微带天线，及用微带贴片天线组成阵列天线在雷达上的应用。
微带装置的最简单形式是一个叠层结构，一层薄介质基片将两个平行导体面分开，下导体与地面的作用相同。
如果上面的金属是长窄带，就能构成微带传输线。
微带天线属于谐振天线类，其设计的主要挑战——获得适当的带宽。
典型使用频率是1GHz-100GHz 。
设计一个贴片，既具有延伸到空间的束缚场，同时又能将场紧束缚于馈电电路，最好达到高的辐射效率、预期的方向性、阻抗以及带宽。
常用的微带天线是由微带传输线馈电的矩形贴片。
在导体贴片和接地板之间激励起射频电磁场,并通过贴片与接地板间的缝隙向外辐射,因此微带天线也可看作为一种缝隙天线。
如图2所示,贴片尺寸为W×L,介质基板厚度为h,r ε介质基板介电常数。
提高介电常数有利于减小天线尺寸，但过高会限制缝隙的辐射场，降低辐射效率，并使带宽变窄，增加介质板厚度可以提高天线增益。
适当提高介电常数和介质板厚度可以提高天线的辐射功率，且对输入阻抗基本没有影响。
图2 矩形微带贴片天线微带贴片也可看成宽为W,长为L 的一段微带传输线,一般取2/g L λ≈ 式（2） 其中r g ελλ/= ，g λ是微带线上的波长,λ是自由空间的波长。
微带线的馈线可以有多种方式,如同轴馈线,微带馈线和耦合馈线。
矩形贴片的馈电沿着贴片中心的E 面，如图3所示。
这样可以避免激发与所需模式正交的第二个谐振模而导致的过度交叉极化。
可以通过微带传输线的四分之一波长匹配段，变换成边缘电贴片的阻抗，即天线的输入阻抗A Z 可以用一段四分之一波长（传输线中的波长）的传输线与传输线的特性阻抗o Z （通常是50Ω）相匹配。
该匹配段的特性阻抗由下式给出 o A oZ Z Z =′ 四分之一波长变换器 式（3） 微带天线阵的优点是馈电网络可以与辐射源一起印制，常制作在同一层印制板上。
通常这样选择阵元间隔：小于自由空间波长λ，以避免栅瓣；大于2/λ，以给馈线提供足够的空间、对给定的阵元数获得最高的增益并减小互耦[4]。
设计目的是获得最大增益，所以要求每个阵元的幅度和相位是均匀的。
4微带二元天线阵列结构设计与HFSS 仿真4.1矩形微带天线尺寸选取 考虑各种因素，依据以上分析，选取4.4=r ε的FR4为介质基板，工作频率GHz f r 8.5=，厚度mm h 57.1=,根据式（2）取mm W L 13==，利用Ansoft HFSS V 9.2软件画出单个矩形微带天线，如图3。
图3 单个矩形微带天线 图4 史密斯圆图4.2天线匹配网络的设计利用HFSS V9.2对图3中的天线进行仿真运算，得到其输入阻抗为（83.880-j118.330），如图4中的点1。
根据并联馈电平面微带天线阵的特点，将特性阻抗为100Ω的微带传输线连接到贴片即可完成阻抗匹配，得到预期的50Ω输入阻抗。
从图3中的单个微带天线HFSS V9.2仿真结果中可以看到：输入阻抗没有达到100Ω，这与50Ω的天线馈电系统不相匹配，天线不能够获得最大功率。
用微带线法结合史密斯圆图仿真计算完成了阻抗匹配网络的设计，即分别连接5O Ω到达点2和30.4Ω的微带线到达点3。
初始阵元距mm d 5.122/==λ，得到二元天线阵列，如图5。
图5 微带二元贴片天线阵列 图6方向图经过HFSS V9.2多次仿真，调整相关参数，取阵元间距mm d 24=，最终获得天线阵的特性图,包括方向图、输入阻抗图以及S 参数图，分别如图6、图7和图8所示，可知仿真结果能达到预期的效果。
E面和H面分别反映了天线在XOZ面和YOZ面上的增益大小。
图6可知天线的对称性较好，在Z轴方向上，辐射强度达到最大值3.76。
当输入阻抗的虚部为零时,如果实部等于50Ω,则天线与馈线达到阻抗完全匹配,此时S参数可以达到很小。
在5.8GHz处，输入阻抗虚部为零时,实部为50.46Ω，可知天线与馈线都可以很好的达到阻抗匹配。
S参数是在波端口处电磁波的反射功率与入射功率之比,它和阻抗匹配有关,并且决定着驻波比。
绝对频带宽度定义为S参数小于-10 dB的频率范围，在该范围内天线正常工作,此时驻波比约为2。
在图8中，天线阵的中心频率为5.81 GHz，产生了微小的偏移。
上截止频率为5.91GHz，下截止频率为5.69GHz，绝对频带宽度为0.22GHz，相对频带宽度为3.78%，S参数最低点为-24.52 dB。
图7 Z参数图8 S参数5结论本文介绍了几种常用天线及主要参数，设计出工作频率在5.8GHz的单个微带贴片天线，进而完成性能更优的微带二元贴片天线阵列设计，应用于不停车收费系统ETC中完成车辆自动识别技术。
其中通过Ansoft HFSS V9.2软件的仿真分析，结合Smith V2.0进行阻抗匹配，多次修改相关参数，最终得到了较好的仿真效果图。
非常直观地了解到该阵列的主要特性及优缺点，这给实际微带天线制作提供了十分有价值的参考信息，大大缩减整个天线及ETC系统的设计与测量周期。
参考文献[1]张天瑜.基于HFSS的不同形状微带贴片天线的仿真设计[J].吉林师范大学学报（自然科学版）,2008.11,4:121-125。
[2]程敏峰.射频识别系统微带二元天线阵的设计[J].无线通信技术,2007,1:53-56。
[3]谢拥军,王鹏,李磊等.Ansoft HFSS基础及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社.2007.8-10。
[4][美]Warren L.Stutzman Gary A.Thiele著,朱守正,安同一译.天线理论与设计[M].（第2版）.北京:人民邮电出版社,2006.197-204。
Design and HFSS simulation of 5.8GHz Micro-strip DualArray Antenna in ETC systemDai lingyu1, Zhang Lihua21 Department of communication, Wuhan University of Technology, Wuhan (430070)2 Military Representative Office, Assembly in 3303 Plant, Wuhan (430200)AbstractThe paper introduces several usual antennas and simply analyzes the principle of the micro-strip antenna. Then it designs the micro-strip dual array antenna which works at 5.8GHz, and improves the performance through the simulation in the Ansoft HFSS V9.2 and impedance match in the Smith V2.0, in which we get the pattern, input impedance and the S parameter of the antenna. The excellent simulation result brings us valuable information for the real design and test of the antenna and the ETC system.Key words: ETC system; 5.8GHz; the micro-strip dual array antenna; Ansoft HFSS V9.2; Smith V2.0作者简介：代玲玉，女，1986年出生，硕士研究生，主要研究方向是模式识别、智能控制和无线传输系统。
