我的学记|刘航宇的博客 - 通信&信息处理
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items: 基于51/52单片机电容、电感、电阻参数测量系统设计与Proteus仿真
items: 利用图像处理技术mfc设计细胞识别程序-C++
items: 格雷码（Gray Code）原理与应用详解-结合工程领域说明
items: RFID编码简介
items: 反向散射理论与ADG902电路实现
items: FPGA&Matlab联合开发之滤波器模块（带通滤波器为例）
items: MIMO波束赋形技术简介
items: HFSS软件笔记
items: 天线设计2-电磁学基础与线形天线
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基于51/52单片机电容、电感、电阻参数测量系统设计与Proteus仿真
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date: 2026-07-26T09:29:00+08:00
description: {mtitle title="目录"/}一、设计任务和要求二、方案设计与论证2.1 系统总设计框图2.2 方案一：电桥平衡原理① 电阻的测量：直流电桥平衡原理② 电容的测量：交流电桥平衡原理③ 电感的测量：交流电桥平衡原理2.3 方案二：频率转换法（本设计采用）① 电阻的测量：555 构成单稳态② 电容的测量：555 构成单稳态③ 电感的测量：电容三点式正弦波振荡2.4 方案对比与选择三、单元电路设计和参数计算3.1 电阻的检测单元电路设计3.2 电容的检测单元电路设计3.3 电感的检测单元电路设计四、总原理图及元器件清单4.1 总原理图4.2 元器件清单五、程序设计5.1 程序流程图5.2 核心代码中断函数（频率测量）主函数显示函数键盘检测函数5.3 完整程序清单及protues仿真文件（附录）六、安装与调试6.1 仿真调试（1）电阻测量电路仿真（2）电容测量电路仿真（3）电感测量电路仿真调试要点液晶显示电路调试仿真整体显示6.2 实物调试电阻检测电容检测电感检测八、参考文献九、附录-完整软件程序与protues仿真文件完整程序与仿真文件见文章末尾一、设计任务和要求设计并制作一个元器件参数测量仪电阻阻值测量，范围：100Ω ~ 1MΩ电容容值测量，范围：100pF ~ 10000pF测量精度：±5%电感参数的测量扩大量程提高测量精度二、方案设计与论证2.1 系统总设计框图图1 系统总设计框图在测量各元件参数时，采用首先把电感、电容、电阻的参数转化为频率[1]，再送至单片机检测，检测结束后，送至 LCD1602 进行显示。2.2 方案一：电桥平衡原理① 电阻的测量：直流电桥平衡原理图2 直流电桥平衡电路图根据电路平衡原理，不断调节电位器 R3，使得电表指针指向正中间，再测量电位器电阻值。② 电容的测量：交流电桥平衡原理图3 交流电桥平衡电路图通过调节 Z1、Z2 使电桥平衡。这时电表的读数为零。通过读取 Z1、Z2、Zn 的值，即可得到被测电容的值。③ 电感的测量：交流电桥平衡原理图4 交流电桥平衡电路图2.3 方案二：频率转换法（本设计采用）① 电阻的测量：555 构成单稳态图5 555 定时器构成单稳态电路图根据 555 定时器构成单稳态，产生脉冲波形，通过单片机读取高低电平得出频率，通过公式换算得到电阻阻值。② 电容的测量：555 构成单稳态图6 555 定时器构成单稳态电路图**根据 555 定时器构成单稳态，产生脉冲波形，通过单片机读取高低电平得出频率，通过公式换算得到电容值。③ 电感的测量：电容三点式正弦波振荡图7 电容三点式正弦波振荡电路图由电容三点式正弦波振荡电路得出频率，通过单片机读取高低电平得出频率，通过公式换算得到电感值。2.4 方案对比与选择对比项方案一（电桥法）方案二（频率法）测量精度受人为调节影响大单片机数字化，精度高操作难度调节麻烦，不易操作自动测量，一键显示电感测量不易测得准确值振荡电路，相对稳定数字化不易数字化便于单片机处理结论： 方案二通过单片机读取转化，精确度会明显提高，且便于数字化显示。故本设计选择方案二。三、单元电路设计和参数计算3.1 电阻的检测单元电路设计图8 555 定时器构成单稳态电路图由 555 单稳态触发公式：$$f=\frac{1}{\ln2(R_{1}+2R_x)C}$$得：$$R_x=\frac{1}{2}(\frac{1}{\ln2fC}-R_{1})$$从而，可以计算得出电阻值的大小。3.2 电容的检测单元电路设计图9 555 定时器构成单稳态电路图根据 555 定时器构成单稳态，产生脉冲波形，通过单片机读取高低电平得出频率，通过公式换算得到电容值[2]。由：$$f=\frac{1}{\ln2^*(R_1+2R_2)^*C_x}$$若 R1 = R2，得：$$C_x=\frac{1}{3\ln2^*f^*R_1}$$从而，可以计算得出电容值的大小。3.3 电感的检测单元电路设计图10 电容三点式正弦波振荡电路图由 LC 振荡频率公式：$$f=\frac{1}{2\pi\sqrt{\frac{C_1*C_2}{C_1+C_2}*L_x}}$$得：$$L_x=\frac{1}{\left(2\pi f\right)^2\frac{C_1*C_2}{C_1+C_2}}$$从而，可以计算得出电感值的大小。四、总原理图及元器件清单4.1 总原理图图11 电阻、电容、电感参数测试总原理图图12 测量电阻、电容部分的原理图图13 测量电感以及 ±5V 发生原理图4.2 元器件清单元件序号型号数量备注U1STC89C52RC1单片机R3A103J1排阻R2, R3, R17, R1810KΩ4电位器X111.0592M1晶振C325V, 10uF1电解电容C1, C2, C111…

利用图像处理技术mfc设计细胞识别程序-C++
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date: 2026-07-24T10:44:00+08:00
description: {mtitle title="目录"/}一、图像处理设计目标1.1 课题与技术指标1.2 任务点二、设计思路三、创建工程及算法分析3.1 预备工作及工程创建3.2 打开 BMP 图片与显示 HSI 值代码分析主要代码3.3 Mark - 细胞标记代码分析主要代码3.4 OnTwoValue() - 二值化代码分析状态标记说明主要代码3.5 OnFillHoles() - 填洞代码分析主要代码3.6 shrink() - 收缩代码分析主要代码3.7 findcenter() - 中心点获取代码分析合并中心点去除多余圆或者错误圆主要代码3.8 count() - 统计代码分析3.9 OnCellprgAll() - 按序执行全部四、错误情况及分析4.1 未声明全局变量信息头4.2 错把指针当作 int 型4.3 软件菜单栏突然丢失4.4 矩形框在鼠标未按下就出现了五、总结参考文献一、图像处理设计目标1.1 课题与技术指标课题： 利用图像处理技术设计细胞识别程序。设计指标：实验 VS2019 MFC 开发平台待识别图像为 24bit 的真彩色细胞图像进行处理要求识别出细胞，并且保证准确度情况下，统计出细胞的个数和大小1.2 任务点完成图像标注：添加 cdib.h、cdib.cpp、添加函数、添加消息响应函数、添加菜单、打开图像完成细胞的判别：持续判断 Maybe 点邻域有无 Mark 点、Sobel 计算边缘、删除孤立边缘、生成黑白图像细胞收缩：利用 stack、vector 获取孔洞坐标、填充孔洞、Edge 处置 0、4 方向、8 方向交替生成边缘细胞中心点信息获取：递归算法、判别局部是否全是边缘、储存全部中心位置错误信息的删除：计算中心点均值、半径、去除半径过小的点、包含圆的剔除、相交过大圆的剔除、信息统计与显示二、设计思路图像处理之细胞识别的主要工作就是识别细胞数目以及选择出指定大小细胞。设计思路如下图所示。同时我们要去除不符合要求的中心点，来确定最终的细胞数目，去除太小和太大的细胞1，并结合实际来修改各种参数，设计合理。图1 系统设计思路（流程图：打开图像 → HSI 转换 → 细胞标记 → 二值化 → 填洞 → 收缩 → 中心点获取 → 错误删除 → 统计输出）三、创建工程及算法分析3.1 预备工作及工程创建（1）VS2019 安装 MFC 与 C++ 开发环境（2）创建 MFC 工程，配置 MFC 应用程序向导图2 创建工程 / 图3 MFC 配置3.2 打开 BMP 图片与显示 HSI 值代码分析（1）在 OnDraw 函数实现显示图片；在 messages 中添加 display() 实现打开一幅图像的功能。在 LoadBmp() 函数中利用 fopen 实现自动打开图片，利用 fread 读取图片信息。（2）通过：查看 → 建立类向导 → 添加 OnMouseMove() 函数，添加代码实现获取所要信息；实现鼠标移动显示 HSI。（3）通过函数 RgbtoHsi 实现 RGB 向 HSI 的转化。RGB → HSI 转换原理：RGB 向 HSI 模型的转换是由一个基于笛卡尔直角坐标系的单位立方体向基于圆柱极坐标的双锥体的转换。基本要求是将 RGB 中的亮度因素分离，将色度分解为色调和饱和度，并用角向量表示色调2。如果直接对 R、G、B 处理，其处理过程中很可能会引起三个量不同程度的变化，这样就会产生色差问题，甚至带来颜色上的失真。HSI 模型的出现，使得在保持色彩无失真的情况下实现图像处理成为可能。图4 HSI 显示效果主要代码// HSI 主要代码示意 void RgbtoHsi(RGB* rgb, HSI* hsi) { // 将 RGB 转换为 HSI 色彩空间 // H: 色调, S: 饱和度, I: 亮度 // 分离亮度因素，保持色彩无失真 }图5 HSI 主要代码3.3 Mark - 细胞标记代码分析确定 Mark 与 mbMark 是通过半径来的，通过计算图像上的某个像素点与细胞内部像素点的欧几里得距离与归一化门限值分别为 0.09 和 0.15 比较：r < 0.09 → Mark（红色，细胞内部）0.09 < r < 0.15 → mbMark（蓝色，可能边界）OnMouseMove 函数里调用 RgbtoHsi(&rgb, &Hsi) 函数，可以在屏幕上显示鼠标所指点的坐标以及 RGB、HSI 和灰度值，通过 HSI 的可以选取合适的阈值来找到细胞以及边界3。边缘提取的方法：先滤波，去除噪声的影响，防止细胞内的噪声的影响之后用 Sobel 算子 求出边界之后画一个 5×5 的矩形，如果没有遇到边界，是噪声，去除边界点是绿色。细胞边界分别用红色、暗红、蓝色和绿色标记出来主要代码// Mark 主要…

格雷码（Gray Code）原理与应用详解-结合工程领域说明
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date: 2026-06-29T16:11:00+08:00
description: 一、什么是格雷码格雷码（Gray Code）是一种特殊的二进制编码方式，它的核心特点是相邻两个数之间只有一位二进制位发生变化。这与普通二进制码不同——比如二进制中 3011011011 到 4100100100 有三位同时翻转，而格雷码中相邻数永远只变一位。二、为什么需要格雷码普通二进制在数值递增时，多位可能同时翻转，这在硬件世界中会引入一个严重问题：亚稳态和毛刺（Glitch）。举个例子：• 二进制从 0111 777 变到 1000 888• 4位同时翻转，由于电路延迟差异，实际可能短暂出现 0101、0010 等错误中间态• 如果此时被采样，就会读到完全错误的数据格雷码从根本上避免了这个问题——任何时候只有1位变化，不存在中间错误态。三、格雷码的主要应用场景应用场景 为什么用格雷码四、格雷码 vs 二进制 对照表（3位）五、FPGA中最经典的用法：异步FIFO// 二进制计数器 → 格雷码转换 → 跨时钟域传输 module gray_code_converter #( parameter WIDTH = 8 )( input WIDTH−1:0WIDTH-1:0WIDTH−1:0 bin, // 二进制计数器值 output WIDTH−1:0WIDTH-1:0WIDTH−1:0 gray // 格雷码输出 ); // 转换公式：gray = bin ^ bin>>1bin >> 1bin>>1 assign gray = bin ^ bin>>1bin >> 1bin>>1; endmodule为什么FIFO指针必须用格雷码？• 写时钟域的写指针要传到读时钟域进行比较• 如果用二进制，多位同时变化 → 跨时钟域采样可能抓到错误值 → 空满判断出错 → 数据丢失或覆盖• 格雷码每次只变1位 → 即使采样时机不对，最多差1个地址 → 不会误判空满状态六、格雷码 ↔ 二进制 转换公式【二进制 → 格雷码】 G(n) = B(n) ^ B(n+1) // 最高位不变，其余位与高位异或 // 或简写： gray = bin ^ (bin >> 1) 【格雷码 → 二进制】 B(n) = G(n) ^ B(n+1) // 从最高位开始，逐位异或恢复 // 或递推： bin[MSB] = gray[MSB] bin[i] = gray[i] ^ bin[i+1] 七、一句话总结格雷码不是为了"计算"方便，而是为了"变化安全"——在硬件世界中，让每一次状态切换都干净、无歧义、无毛刺。这是数字电路从"理论正确"走向"工程可靠"的关键一步，也是FPGA/嵌入式设计中跨时钟域、机械编码器等场景的标准做法。

RFID编码简介
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date: 2023-09-27T23:32:44+08:00
description: 信号编码系统包括信源编码和信道编码两大类，器作用是把要传输的信息尽可能的与传输信道相匹配，并提供对信息的某种保护以防止信息受到干扰。信源编码与信源译码的目的是提高信息传输的有效性以及完成模数转换等；信道编码与信道译码的目的是增强信号的抗干扰能力，提高传输的可靠性。常见的编码方法如下图：RFID系统常用编码方法：反向不归零（NRZ）编码曼彻斯特（Manchester）编码单极性归零（RZ）编码差动双相（DBP）编码密勒（Miller）编码和差动编码1、反向不归零编码（NRZ，Non Return Zero）反向不归零编码用高电平表示二进制“1”，低电平表示二进制“0”，如下图所示：此码型不宜传输，有以下原因有直流，一般信道难于传输零频附近的频率分量；接收端判决门限与信号功率有关，不方便使用；不能直接用来提取位同步信号，因为NRZ中不含有位同步信号频率成分；要求传输线有一根接地。注：ISO14443 TYPE B协议中电子标签和阅读器传递数据时均采用NRZ2、曼彻斯特编码（Manchester）曼彻斯特编码也被称为分相编码（Split-Phase Coding）。某比特位的值是由该比特长度内半个比特周期时电平的变化（上升或下降）来表示的，在半个比特周期时的负跳变表示二进制“1”，半个比特周期时的正跳变表示二进制“0”，如下图所示：曼彻斯特编码的特点曼彻斯特编码在采用负载波的负载调制或者反向散射调制时，通常用于从电子标签到读写器的数据传输，因为这有利于发现数据传输的错误。这是因为在比特长度内，“没有变化”的状态是不允许的。当多个标签同时发送的数据位有不同值时，则接收的上升边和下降边互相抵消，导致在整个比特长度内是不间断的负载波信号，由于该状态不允许，所以读写器利用该错误就可以判定碰撞发生的具体位置。曼彻斯特编码由于跳变都发生在每一个码元中间，接收端可以方便地利用它作为同步时钟。注：ISO14443 TYPE A协议中电子标签向阅读器传递数据时采用曼彻斯特编码。ISO18000-6 TYPE B 读写器向电子标签传递数据时采用的是曼彻斯特编码3、单极性归零编码（Unipolar RZ）当发码1时发出正电流，但正电流持续的时间短于一个码元的时间宽度，即发出一个窄脉冲当发码0时，完全不发送电流单极性归零编码可用来提取位同步信号。4、差动双相编码（DBP）差动双相编码在半个比特周期中的任意的边沿表示二进制“0”，而没有边沿就是二进制“1”，如下图所示。此外在每个比特周期开始时，电平都要反相。因此，对于接收器来说，位节拍比较容易重建。5、密勒编码（Miller）密勒编码在半个比特周期内的任意边沿表示二进制“1”，而经过下一个比特周期中不变的电平表示二进制“0”。一连串的比特周期开始时产生电平交变，如下图所示，因此，对于接收器来说，位节拍也比较容易重建。6、修正密勒码编码7、脉冲-间歇编码对于脉冲—间歇编码来说，在下一脉冲前的暂停持续时间t表示二进制“1”，而下一脉冲前的暂停持续时间2t则表示二进制“0”，如下图所示。这种编码方法在电感耦合的射频系统中用于从读写器到电子标签的数据传输，由于脉冲转换时间很短，所以就可以在数据传输过程中保证从读写器的高频场中连续给射频标签供给能量。8、脉冲位置编码（PPM，Pulse Position Modulation）脉冲位置编码与上述的脉冲间歇编码类似，不同的是，在脉冲位置编码中，每个数据比特的宽度是一致的。其中，脉冲在第一个时间段表示“00”，第二个时间段表示“01”， 第三个时间段表示“10”， 第四个时间段表示“11”， 如图所示注：ISO15693协议中，数据编码采用PPM9、FM0编码FM0（即Bi-Phase Space）编码的全称为双相间隔码编码、工作原理是在一个位窗内采用电平变化来表示逻辑。如果电平从位窗的起始处翻转，则表示逻辑“1”。如果电平除了在位窗的起始处翻转，还在位窗中间翻转则表示逻辑“0”。注：ISO18000-6 typeA 由标签向阅读器的数据发送采用FM0编码10、PIE编码PIE（Pulse interval encoding）编码的全称为脉冲宽度编码，原理是通过定义脉冲下降沿之间的不同时间宽度来表示数据。在该标准的规定中，由阅读器发往标签的数据帧由SOF（帧开始信号）、EOF（帧结束信号）、数据0和1组成。在标准中定义了一个名称为“Tari”的时间间隔，也称为基准时间间隔，该时间段为相邻两个脉冲下降沿的时间宽度，持续为25μs。注：ISO18000-6 typeA 由阅读器向标签的数据发送采用PIE编码=============================================注：选择编码方法的考虑因素编码方式的选择要考虑电子标签能量的来源在REID系统中使…

反向散射理论与ADG902电路实现
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date: 2023-07-13T15:37:00+08:00
description: 后向散射通信技术，是在天线对信号散射的基础上，采用标签后向散射的方式，通过改变发射端标签的反射系数来实现后向散射通信。无线电波在传输过程中，当通过不同介质时，因为介质阻抗的差异性，会产生反射作用，根据介质材料和阻抗的不同，会产生不同的反射量。因此通过调节天线端口的阻抗匹配度，入射的无线电波就可以产生不同反射量，导致入射信号和反射信号的差异性，也就是反射系数 Γ 。具体表示如下：$$\Gamma=\frac{Z_L-Z_0}{Z_L+Z_0}$$式中 Z0表示天线端的特征阻抗，一般是 50 Ω，ZL表示标签端口的输入阻抗，Γ表示入射信号振幅和反射信号振幅的复数比。当Γ=0 时，阻抗匹配，入射信号全部传递，无反射信号的产生；Γ = 1时，标签端的输入阻抗为开路，阻抗失配，入射信号被全部反射，产生幅值相同相位相同的反射信号；Γ = −1时，标签端的输入阻抗为短路状态，阻抗失配，入射信号被全部反射，产生幅值相同相位相反的反射信号。因此，通过改变标签的输入阻抗，产生不同的反射系数，就可以控制无线电波的入射和反射，实现有效信号的传递，这也就是后向散射通信的基本原理。为了实现上述后向散射通信，还需要加载天线端口的控制，结构如下图。通过射频开关来控制两个不同的负载阻抗与天线端口的连接，实现阻抗的匹配和失调，完成信号的入射和反射。当开关在负载 Z1和 Z2间转化时，由于负载阻抗的不同，载波信号在天线端的反射比例也不同，因此就产生了不同的调制载波。在实际通信中，为了达到最优传输质量，通常要使反射信号的差异最大，对应完全反射和完全吸收两种形式。对调制后的反射信号进行解调处理后，就可以得到所传递的基带信号，完成后向散射的通信。采用负载 50 Ω 的完全吸收和负载短路的完全反射两种信号传输差异，来实现后向散射的信息传输。使用后向散射开关 ADG 902 来实现基带信号对天线状态的控制，ADG 902 电路结构如图 4.12 所示。将数字基带信号的接入 ADG 902 的 CTRL 端，通过数字基带信号的“0”、“1”来控制 ADG 902 的关断和闭合，RF2 端连接射频天线。通过 ADG 902 中开关的关断，来控制天线对外界调制载波的反射和吸收。{message type="success" content="注意：RF1接天线，RF2接地也可以，这里读者可自行证明"/}当逻辑电平 CTRL=0时，S1关断，S2闭合，此时天线接收端口接地，由式可得，Z=0，T=1，载波信号被完全反射；当逻辑电平 CTRL=1 时，S1 闭合，S2 关断，此时天线接收端匹配，载波被完全吸收。

FPGA&Matlab联合开发之滤波器模块（带通滤波器为例）
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date: 2023-05-21T21:56:11+08:00
description: 在通信或者信号处理中，数字滤波器是非常重要的模块，前面有关博文中提到FIR滤波器的一步步Verilog设计，如https://ee.ac.cn/index.php/archives/511.html本文以带通滤波器为例，利用Matlab进行高效开发{mtitle title="目录"/}MATLAB生成低通滤波器设计步骤：Modelsim仿真上述文件MATLAB生成低通滤波器设计步骤：（1）在MATLAB命令窗口中输入“filterDesigner”或“fdatool”出现如下对话框设置FIR滤波器为和需要的阶数滤波器，选择窗函数的类型为海明窗函数，海明窗函数可以得到旁瓣更小的效果，能量更加集中在主瓣中设置带通滤波器的上下截至频率分别为4MHz 和 5MHz（2）量化输入输出，点击工作栏左边的量化选项，即“set quantization parameters”选项，选择定点，设置输入字长为8，其他选择默认，如下图示：（3）根据自己需求，细化一些配置。这里不难探索设置完成后，点击Targets中Generate HDL，选择生成Verilog 代码，设置路径，MATLAB即可生成设计好的滤波器Verilog HDL 代码以及测试文件：（4）根据需求，配置输出.v文件的全局信号、测试文件，点击生成，生成后，Matlab主页面会提示.v生成的文件路径Modelsim仿真上述文件可以看到输入信号在4MHZ~5MHZ备保留，设计无误。需要注意一点，一般Modelsim仿真输出波形都是离散的01信号，这里需要配置一下，在上图被选中的信号中，在左侧右键鼠标。右击,format,analog(automatic);右击,radix,decimal;这两个步骤完成之后，就出现上图模拟信号的效果

MIMO波束赋形技术简介
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date: 2023-04-17T17:22:00+08:00
description: {mtitle title="目录"/}前言波束赋形分类阵列天线混合波束赋形总结参考文献：前言在MIMO系统中，波束赋形技术通过调整每个天线阵元上的信号进行加权求和，使天线波束指向某个特定的方向，即将天线能量集中指向某个特定的用户。波束赋形分类根据波束赋形发生位置的不同，波束赋形技术分为模拟波束赋形(AnalogBeamforming, ABF)技术和数字波束赋形(Digital Beamforming, DBF)技术。在数字基带之前即时域范围内形成波束，称作数字波束赋形;在模拟基带之前即频域范围内形成波束，称作模拟波束赋形。数字波束赋形结构中，每根天线对应的一条射频(RF)链路，产生波束时多条RF链路共同参与，因此可以实现多个数据流共同传输。数字波束赋形使用复杂的硬件结构，可以灵活的调整相位和幅度，产生准确的波束。对于天线数量众多时，导致整个结构的硬件实现非常复杂，成本很高。模拟波束赋形技术使用成本比较低的模拟移相器，只能调整相位而不能调整幅度,产生波束不一定准确。模拟波束赋形，具有简单的硬件结构，实现成本低，没有多条RF链路，只能传输单数据流阵列天线阵列天线实现功能是对多列电磁波进行叠加，不同天线位置会产生不同的电磁波辐射，因此，波束赋形技术与天线位置和摆放有密切关系。阵列天线包括线阵天线和面阵天线两种线阵天线是指所有天线阵元分布在一条直线上，或者所有天线阵元分布在一个圆周上，阵元与阵元的间隔可以是等距的或不等距的;面阵天线是指所有天线阵元以某个点为中心分布在一个矩形面上，或者所有天线阵元分布在一个圆面上，同样，阵元与阵元的间隔可以是等距的或不等距的。对于F大线数量较多的情况，天线阵列可能会扩展到三维空间，也是未米人线架构设计的一个方向。混合波束赋形数字波束赋形可以产生精确的波束，但是每根天线映射一条RF链路，从硬件实现和成本考虑，该技术适用于天线数量较少的系统。对于天线数量较多的系统，可以使用实现成本较低的模拟波束赋形，可能导致波束不准确，增益效果不是很好。因此，对于大规模MIMO系统，结合两者优点，提出了一种混合波束赋形技术,希望在满足硬件条件下，使其增益尽可能达到全数字波束赋形的效果。在较小的面积内拥有大量天线单元使实现高波束成形增益变得切实可行。具有高度方向性的波束有助于抵消较高工作频率下增加的路径损耗，因为波束将功率控制在特定方向上。总结Simulink和Matlab联合仿真，能够设计并且仿真单个天线，天线阵列，MIMO波束成型系统。对于雷达、5G等方向，有着重要意义。当然，工具不仅仅只有这一个，ADS也能设计从射频波束混合系统，到天线阵列的仿真。参考文献：[1]使用Matlab进行5G开发

HFSS软件笔记
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date: 2023-03-10T18:33:00+08:00
description: {mtitle title="目录"/}一、HFSS中的边界条件（Boundaries）二、HFSS中的激励方式（Excitation）三、求解类型和求解设置四、HFSS中的变量和Optimetrics模块的使用五、HFSS的数据后处理六、天线问题的数据后处理﻿# HFSS软件学习笔记一、HFSS中的边界条件（Boundaries）边界条件定义了求解区域的边界以及不同物体交界处的电磁场特性，是求解麦克斯韦方程的基础。只有在假定场矢量是单值、有界、并且沿空间连续分布的前提下，微分形式的麦克斯韦方程组才是有效的；而在求解区域的边界、不同介质的交界处和场源处，场矢量是不连续的，那么场的导数也就失去了意义。边界条件就是定义跨越不连续边界处的电磁场的特性，因此，正确地理解、定义并设置边界条件，是正确使用HFSS仿真分析电磁场场特性的前提。边界条件的类型：理想导体边界（Perfect E）电场矢量垂直于物体表面，有两种边界被自动设为理想导体边界条件： 1、任何与背景相关联的物体表面将被自动定义为理想导体边界，并命名为outer边界 2、材料设为PEC（理想电导体）的物体表面被自动定义为理想导体边界，并命名为smental理想磁边界/自然边界（Perfect H）电场矢量与物体表面相切，磁场矢量与物体表面垂直。 自然边界（Natural）：当理想导体边界和理想磁边界出现交叠时，理想磁边界也称为自然边界 注意：在理想导体边界上叠加理想磁边界将去掉理想导体边界的特性，相当于在理想导体表面开个口，允许电场穿过。有限导体边界（Finite Conductivity）有耗导体/非理性导体边界条件，电场垂直于物体表面，在电磁波的传播方向上电场会愈来愈小 用户需要设置的参数：导电率和导磁率 注意：当物体的材料设置为非理想导体（如铜、铝等金属材料）时，其表面自动定义为有限导体边界条件。辐射边界（Radiation）用于模拟开放的自由空间，模拟波辐射到空间的无限远处的情况，常用于天线问题的分析。当结构中包含辐射边界条件时，HFSS会自动计算结构的远区场。（使用Perfect H边界条件模拟开放空间时，不会计算远区场） 辐射边界条件是自由空间的近似，这种近似的准确程度取决于波的传播方向与辐射边界之间的角度，以及辐射源与边界之间的距离。辐射边界在各个方向上距离辐射体一般不小于1/4个波长。对称边界（Symmetry）模拟理想电壁或理想磁壁对称面，应用对称边界可以构造结构时仅构造一部分，减小结构的尺寸和设计的复杂性，缩短计算时间。 定义对称平面时，需要遵循以下原则： 1、对称平面必须暴露在背景中 2、对称面必须定义在平面表面上，不能定义在曲面上 3、在一个问题上最多只能定义三个正交对称面 决定对称面的类型： 1、如果电场垂直于对称面且对称，使用理想电壁对称面 2、如果磁场垂直于对称面且对称，使用理想磁壁对称面 此外使用对称边界条件需要设置阻抗乘法器： 1、理想电壁对称面将结构分为两部分时，只有一半的电压值和一半的能量被计算，由Zpu=U*U/P计算出的阻抗也只有真实值的一半，所以需要定义2倍的阻抗乘法器。 2、理想磁壁对称面将结构分为两部分时，只有一半的能量被计算，而电压保持不变，由Zpu=U*U/P计算出的阻抗是真实值的2倍，所以需要定义0.5倍的阻抗乘法器。在这里插入图片描述阻抗边界（Impedance）用于模拟已知阻抗的边界表面，如薄膜电阻表面；表面的阻抗Zs=Rs+jXs。 阻抗的计算： number of "Square"=Length(in direction of current flow)/Width Impedance per Square=Desired Lumped Impedance/number of square集总RLC边界（Lumped RLC）类似于阻抗边界条件，利用用户提供的R、L、C值计算出对应的阻抗值 与阻抗边界不同的是，集总RLC边界不需要提供以Ohms/Square为单位的电阻和电抗，而是要给出R、L和C的真实值；之后HFSS就能确定任意频率下集总RLC边界以Ohms/Square为单位的阻抗。分层阻抗边界条件（Layered Impedance）分层阻抗边界条件是用多层结构将物体表面模拟为一个阻抗表面，其效果与阻抗边界条件相同； 与阻抗边界条件不同的是，对于分层阻抗边界条件，HFSS是根据输入的分层结构数据和表面粗糙度来计算表面电阻和表面电抗的。 分层边界条件不支持快速扫频。无限地平面（Infinite Ground Plane）在设置理想导体边界、有限导体边界或阻抗边界时有"Infinite Ground Plane"复选框。 将有限大的边界表面模拟成无限大地平面的作用，设置无限大平面边界后，在后处理中会影响近区、远…

天线设计2-电磁学基础与线形天线
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date: 2023-03-08T18:00:16+08:00
description: 第三章 辐射积分与辅助函数求解辐射场的分析中，通常需要构造辅助函数来帮助求解。常见的辅助位函数为，磁矢量A- (也称为磁矢位)。远场辐射很多天线的辐射场使用球面坐标来表示会较为方便，其一般形式是重要公式线形天线 Linear Wire Antenna线形天线是最古老、最便宜、最简单、应用最广泛的天线。因此我们尝试从最小的天线结构和最简单的几何形状开始分析。我们以极小偶极子的辐射场特性为例，讲解辐射场的一般求解过程。极小偶极子 Infinitesimal Dipole极小偶极子对应于导线很短,很细，电流近似均匀分布的情况。求解辐射场这样我们就得到了极小偶极子的辐射电场和磁场。以上的分析在源以外的区域都是有效的。功率密度和辐射电阻利用前面计算的结果和坡印廷矢量的计算公式辐射场分布前面所推导的极小偶极子的电磁场的分布 在源以外的区域都是适用的，但在不同的区域，场的一些特性可能有所区别。近场 kr <<1中场 kr>1远场 kr>>1在远场时，径向的电场几乎为0。能流密度垂直于径向，以辐射波为主。从近场到远场的过渡动画： 动画方向性一般远场辐射特性的求解过程前面我们以极小偶极子为例，求解了极小偶极子的辐射特性。一般远场辐射特性的计算过程如下：指定电流或者磁流密度确定辅助场A确定远场的E和H计算(a)能流密度或(b)辐射强度计算辐射功率计算极化计算归一化的功率图计算辐射电阻和输入电阻有限长度偶极子极小偶极子是一种将电流分割成无数小电流源的近似，实际情况中，需要求解的往往是有限长度的偶极子。我们假设电流在导线上的分布是正弦形式的，电流密度可以写成：辐射电阻根据前面辐射功率和辐射电阻的关系，可以得到辐射电抗输入电阻输入端看到的电阻与天线的辐射电阻未必是相同的。因为导线上的电流分布发生了变化。半波偶极子辐射阻抗辐射电阻：

天线设计-微带天线小型化技术
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date: 2023-03-07T15:07:00+08:00
description: 天线作为无线电通信的桥梁，是实现无线通信的关键。随着无线通信技术和电子技术的发展，日常生活中的无线电子产品变得越来越小，越来越薄，越来越轻，而功能变得越来越强大。天线的小型化跟不上电子设备小型化的步伐，经常成为无线电子产品体积缩小的瓶颈。理论上讲，天线的工作波长与天线尺寸成正比。换句话说，要想降低天线的工作频率就要增大天线的尺寸，这就使得天线的小型化成为了研究的难点，实现微带天线小型化设计的主要手段有:1)提高介质基板的介电常数;2)曲流技术;3)短路加载技术;4)附加有源网络;5)应用用电磁带隙结构;6)应用左手介质;{mtitle title="目录"/}1、提高介质基板的介电常数曲流技术贴片表面开槽接地板开槽短路加载技术附加有源网络应用用电磁带隙结构应用左手介质1、提高介质基板的介电常数曲流技术我们知道增加天线的有效长度可以降低天线的谐振频率。曲流技术就是我们常说的表面开槽技术，它的实质就是增加了天线的有效长度，从而达到天线小型化的目的。贴片表面开槽图(3-1)为表面开槽后的辐射贴片电流路径分布。从图中我们可以看出辐射贴片的电流路径在开槽处发生弯曲，有效地延长了电流路径，相当于天线的有效长度变大了。从而在不改变天线几何尺寸的情况下，降低了天线的谐振频率。微带天线的辐射贴片表面上，各个共振模式的电流分布均不相同。如果在相同的共振模式下开槽，就会改变原有的共振模式的电流路径，延长电流路径,使得天线的共振波长变大。所所开凹槽的长度会影响天线的谐振频率，凹槽越长则天线的谐振频率越低。不过，所开凹槽的宽度不宜过大，太大会降低天线的辐射性能。跟采用高介质常数基底的方法一样，辐射贴片表面开槽也有其弊端。表面开槽后天线会.产生垂直于主激发面的额外电流，从而增加了天线的交叉极化，使得天线的辐射效率降低。除此之外，开槽后天线的相对辐射面积就减小了，从而影响到天线的增益。接地板开槽短路加载技术基本的矩形微带天线的为工作波长的二分之一，基本谐振模式为TM。,其电流在两个开路端之间成驻波分布。所以在两个开路端之间有--条零电位线。如果我们在此零电位线处让其接地，将微带天线的另一半舍去，就可以在开路和短路之间形成驻波分布，而不改变天线的内部场分布。这样一来天线的尺寸就减小 了一半，实现了天线小型化的目的。短路加载微带天线的方法有很多，包括短路面加载，短路片加载和短路探针加载。短路加载的数量，每个短路加载的面积以及天线的高度决定了短路加载的效果。图(3-3)分别给出了不同加载方式的示意图。图(3-3a)是短路面加载的微带天线，它的尺寸缩小到了四分之一工作波长。所以此微带天线的尺寸比半波结构的微带天线尺寸减小了一-般。图(3-3a)所示的短路片加载微带天线和图(3-3b)所示的短路探针微带天线的结构比较相似，但实际上它们加载的结构带宽不一样。附加有源网络由于天线的辐射电阻会随着天线尺寸的减小而减小，所以天线尺寸的减小会降低天线的效率。除此之外，天线的带宽也常常因为天线尺寸的减小而降低。而天线性能的恶化会影响整个无线收发系统的性能，甚至使系统无法正常工作。有源网络的放大作用和阻抗补偿技术可以用来弥补由天线尺寸减小而引起的天线性能下降的问题有源天线具有以下优点:1)频带宽;2)高增益;3)容易实现阻抗匹配;.但是有源网络会影响天线的互易性。应用用电磁带隙结构电磁带隙结构(Electromagnetic B and-Gap)是周期结构的统称，包括光子带隙(Photonic Band Gap, PB)、频率选择表面(Frequency Select Surface, FS)以 及光子晶体(photonic Crystal,PC)等周期结构。电磁波与周期结构互相作用的时候，会出现--些如频率禁带、通带以及频率间隙等特性。电磁带隙结构是微带辐射贴片的下方及周围、天线的基片内钻出或刻蚀出一系列间隔非常近的小孔(≤h/10)，通过改变孔间距和孔的大小来改变有效介电常数。EBG 是人造的周期性结构，在此种结构中，一-定范围内的电磁波无法传播。将电磁带隙结构附加在天线辐射贴片的背面，可以抑制天线的表面波，从而实现天线小型化的目的。目前，比较常见的电磁带隙结构有:1)基底打孔型;2)高阻抗表面型;3)地面腐蚀型;4)夹层式结构;5)共面紧凑型;应用左手介质如图(3-5)所示，将左手介质和右手介质相叠加，当电磁波在当中传播时，由于介质两边相位相反，左手介质会对右手介质进行相位补偿，相位变化会完全抵消。这样，由辐射贴片、右手介质、左手介质以及接地板所组成的微带天线的谐振方程不再依赖于d,和d，而只取决于d2/d,.由于传统的谐振腔谐振至少需要半个波长，而这种结构就突破了这个限制，从而很好地降低了天线的高度，实现了微带天线小型化的目的。