电波期末复习_电波与天线期末复习

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一、简答题

微波技术中心天馈处：射频与微波

线天线：半径远小于波长的导线构成的天线，如：对称天线、圆环天线和螺旋天线

面天线：指用尺寸大于波长的金属或介质而构成的面状天线。如喇叭天线、抛物面天线

E 电场强度 伏特/米 H 磁场强度 安培/米

D 电位移 库仑/米2 B 磁感应强度（磁通量密度）特斯拉 特性阻抗Z0，在自由空间近似值为377Ω(120π)，在微波系统中常用值为50 Ω 反射系数：

对于开路线（ZL→∞），我们得出来反射系数为1  对于短路线（ZL =0）我们得出来反射系数为-1 ，对于匹配负载（ZL = Z0），我们得出来反射系数为0 最佳功率传输需要传输线和源阻抗共轭复数匹配：ing

微波：毫米波：波长1~10 mm，频率：300~ 30 GHz 厘米波：波长1~10 cm，频率：30~3 GHz 分米波：波长10~1 00 cm，频率：3000 ~300 MH z 几种主要的电波传播方式：1地波传播2空间波(视距传播)3天波传播4散射传播5外层空间传播 天线的散射参量：0.9GHz时S11为-0.0173-0.0648j，取模为0.0671（-23.5dB）； 0.8GHz时S11为-0.5352-0.2771j，取模为0.6027（-4.4dB）

S11dB20log10S110S111 电波驻波比VSWR=1S111S111VSWR

电流元近场特点：1.Eθ和Er与静电场问题中电偶极子的电场 相似。Hφ和恒定电流元的磁场相似。因此，近区又称为似稳区，近区场称为 似稳场。2.场随距离r的增大而迅速减小。3.电场滞后于磁场，因而波印廷矢量 是虚数，每周平均辐射的功率 为零，近区场也称为感应场。（能量没 有辐射出去，只是在电场和磁场以及场 和源之间交换）

远区场特点：1.仅有Eθ和Hφ两个分量，两者在时间上同相，在空间上互相垂直，并与r矢径方向垂直。坡印亭矢量 是纯实数，方向为r矢径方向。—辐射场。2.Eθ和Hφ两个分量均与 1/r成正比，这是由 扩散引起的。3.当距离增加时，场强减少得比较缓慢，因而可以传播到离发射天线很远的地方。电基本振子的辐射功率：1.当电基本振子上电流增大时，其辐射功率增大  2.当电基本振子的电长度增大时，其辐射功率增大

磁基本振子的辐射功率：1.当磁基本振子上电流增大时，其辐射功率增大  2.当磁基本振子圆环半径的电长度增大时，其辐射功率增大

工作频带宽度:不同频宽的选择 根据天线的特性来选择不同的频宽。

1）对于几何尺寸远大于波长的天线或天线阵一般 选择方向性频宽 主瓣宽度，副瓣电平，主瓣偏离程度，增益变化 等。2）对于一些比较简单的线天线，当电尺寸较小时，最常见的限制因素是阻抗特性，选择阻抗频宽 输入阻抗，辐射效率。

最大接收功率：接收天线的负载阻抗与天线输入阻抗共轭匹配时 极化失配因子；cos2

线极化天线不能接收到与之相垂直的正交 极化分量，υ=0； 圆极化天线不能接收到与之旋向相反的圆 极化分量，υ=0； 线极化天线接收圆极化波υ=1/2;圆极化天线接收线极化波υ=1/2； 额定噪声功率：PnukT0BW4R

2单极子天线：

长波通信稳定，但天电干扰很强，且天线非常庞大，所 以在一般通信中只起辅助作用，但在对潜通信、远洋导 航中，长波起主要作用。

中波主要用于语言广播，也用于通信和导航。如各机场 和飞机航线上都装有中波导航台，由于工作频率（约 150~750kHz）低，对应的波长（约2000~400m）长，垂 直接地谐振长度为（500-100）m，而实际上天线高度不 超过30m。所以天线电长度小，导致辐射电阻小，辐射 能力很弱。对称振子——对称天线，双极天线，偶极天线。方向函数与方向性系数

最常用的为半波对称振子:/4,900时，fmax1

COSCOS2Fsin 20.5780

输入阻抗：a越大，w0 越低，Rin和Xin随l/λ变化越平缓。所以增大a，可加大天线的工作频带

半波振子与全波振子比较： 其输入阻抗受a的影响较小，随频率变化较缓慢，频带较宽。

平衡-不平衡变换内置双频巴伦天线

为解决上述问题，需要在天线的输入端接入 平衡与不平衡变换器，又称巴伦（balun），简称平衡器。

无限大理想导电地面对天线性能的影响 ：镜像电流

一般直线阵：相位相同的等间距线阵式，αn=0，zn =nd方向 性系数为

-N1Ak DN1N1K0sinmpkdAAMPmpkdm0P02N1Ann0 若间距 d=nλ/2，n∈Z，则有方向性系数DN12Ann02若幅度均匀，即A1 =A2 =A3=……=An，则可得D=N。线性相位渐变等间距线阵：定义：ψ=kdcosθ+α ——相邻单元在观察点的相位差

通用方向函数的特点:ψ=kdcosθ+α

均匀激励等间距线阵，1.ψ=0时，f a(ψ)最大 归一化方向性函数：FasinN/2 Nsin/22.半功率波瓣宽度:1.对于不同的扫描角θ0，当线阵长度固定时，随着主瓣由边射向端射方向扫描，主瓣展宽 2.对于某个最大辐射方向，当阵的电长度Nd/λ越大时，其半功率波瓣宽度越小

常用的直线阵：边射阵（Broadside）普通端射阵(End fire)相控阵 对于边射阵，为使栅瓣 不进入可见空间 应有：d

相控阵:间距d的选择:为使栅瓣的最大值不进入可见空间 必须使：

-2kdcoscos02 则：d1cos0

对于五元端射阵，在不出现栅瓣的情况下，端射阵的方向性要比边射阵的强。引向天线:又称为八木天线(Yagi antenna, Yagi-Uda antenna)，由一个半波有源振子，一个反射振子（反射器），若干个 引向振子（引向器）组成。最大辐射方向：边射或端射？

八木天线为端射天线结构:一个半波有源振子（又称为主振子）一个反射振子（稍长于半波长）若干个引向振子（稍短于半波长）

有源振子的选择 半波振子 八木天线为驻波天线，因而其工作频带窄。其结 构参数较多，调整较为麻烦，但其结构简单、牢 固、造价低、方向性强、体积小。因此八木天线 广泛应用于米波及分米波的通信、雷达、电视及 其他无线电系统中。

环天线：环周长为一个波长是最常用的情况，此时 k0a=1，a为环的半径，设环上电流为正弦 分布。

理想缝隙天线：其最大辐射方向为垂直于缝隙轴线的平面。因此 理想缝隙的E面为垂直于缝隙轴线和导电面的平面，H面为通过缝隙轴线并且垂直于导电面的平面。

通常称理想缝隙与和它对偶的电对称振子为互补天线。理想缝隙天线的方向图与对称振子的相比，由于它们的源一个是磁流一个是电流，相互对偶，它们在空间的场分布也具有对偶关系，因此两者场的极化方向不同，H面和E面互换。天线的输入阻抗Zin和它的互补结 构天线的输入阻抗Zin互补满足关系：Zin ²Zin互补=n2 /4，η为媒质的波阻抗，自由空间为120π。矩形微带天线单元的主要特性：微带天线的辐射可以等效为由两个缝隙组成的二元阵列。缝的长度为贴片的宽度 W≈λ0 /2，缝宽ΔL ≈厚度h。

行波单导线：l/λ愈大，主瓣最大值愈贴近导线轴方向，即θm愈 小，且主瓣变窄，副瓣数目增多，副瓣电平变大

螺旋天线：螺旋天线的三种辐射状态：边射型、端射型、圆锥型

可将法向模螺旋天线看成是由N个合成单元组成，每一个单元又由一个小环和一个电基本振子构 成。由于环的直径很小，合成单元上的电流可 认为是等幅同相的。(D/λ=0.18)单个合成单元在空间产生的电场为二者之和。Eφ和Eθ在时间上差90°，在空间上正交，其合成电 场为椭圆极化波

1.轴向模螺旋天线的结构沿轴 线方向有最大辐射 2.辐射场是圆极化波3.天线导线上的电流按行波分 布，因此其输入阻抗等于线 的特性阻抗并近似为纯电阻，具有宽频带特性。2.说明经过时间T/4后，轴向辐射的电场矢量在空间旋转了 90°，只有Ex分量。由此可见，当平面环一圈周长l=λ，且线上载有行波时，在轴向将形成一个随时间不断旋转 的圆极化场。

非频变天线：具有10：1或更宽带宽的天线称为非频变天线，其中平面螺旋天线（圆极化）对数周期天线：每个振子在其单臂的电长度为λ/4时谐振，此时辐 射能力最强。与其相邻前、后两对振子，一视作 反射器，另一视作引向器，三者构成一组定向天 线，并形成一个作用区。

1.对数周期天线的馈电方法 对数周期天线的馈电点应置于短振子端。为了使对数周期振子阵天线在较短振子的方向上 能获得单向辐射特性，就必须使短振子上的电流 相位滞后于长振子上的电流相位。通常是采用相邻振子交。馈电 2.方向性: 对数周期振子阵天线为端射式天线，最大辐射方 向为沿着集合线从最长阵子指向最短振子的方向。与引向天线类似，其E面方向图总是较H面的要窄一些。半波振子

喇叭天线：1.最大辐射方向：

2. 喇叭天线用作反射面天 线及透镜天线的馈源

3.在天线测量中，喇叭天 线也被广泛地用作标准增益天线。

4.与喇叭相连的矩形波导内通常传输主模为TE10模，场的振幅沿宽边为余弦分布。

抛物面天线：旋转抛物面的几何特性 1)由焦点发出的射线经抛物面反射后反射线都平行于z轴,12

卡塞格伦天线：工作原理：双反射器天线组成： 主反射器（主反射面）副反射器（副反射面）馈源。

优点：馈源在主反射面顶点附近，缩短了馈线的长度，减少了由传输线带来的噪声，更便于安装。

自由空间电波传播：通常把充满均匀、无损媒质的无限大空间称为自由空间，该空间媒质具有各向同性、电导率 σ=0、相对介电系数 εr=1及相对磁导率μr=1的特点，不会出 现折射、绕射、反射、吸收和散射等现象，仅考虑 由于电波的扩散而引起的传播损耗。

自由空间的传输损耗，是球面波在传播过程中，随着传播距离的增大，能量的自然扩散而引起的 损耗，而不是由于媒质对波的衰减而引起的损耗。电波传播的菲涅尔区：在收发天线之间，存在着对传输能量起主要作用的空间区域，这个区域被称为电波的传播主区。若在这个区域中符合自由空间传播的条件，则可 认为电波是在自由空间中传播。

地球表面的电特性：地表面波传播是指无线电波沿地球表面传播

镜像电流：水平分量在地面上引起较大的传导电流，从而 增加功率损失，即地面对水平极化波吸收大。因此表面波通常使用低架的垂直于地面的直立 天线，辐射垂直极化波。

二、简答题

1.单极子:垂直极化,最大辐射方向水平向四周。

2.偶极子:一般是线极化.线极化中水平极化常用.还有垂直极化.最大辐射方向沿对称轴朝外。

3.贴片天线：垂直极化，最大辐射方向水平向四周。

4.缝隙天线：水平极化，其最大辐射方向为垂直于缝隙轴线的平面。

5.螺旋天线：椭圆极化，螺旋天线的辐射方向与螺旋线圆周长有关。当螺旋线的圆周长比一个波长小很多时，辐射最强的方向垂直于螺旋轴；当螺旋线圆周长为一个波长的数量级时，最强辐射出现在螺旋旋轴方向上。

6.引向天线：常用的引向天线为线极化天线，它的辐射场在空间任一点随着时间的推移都始终在一条直线上变化。当振子面水平架设时，工作于水平极化；当振子面垂直架设时，工作于垂直极化。引向器天线的最大辐射方向在垂直于各个振子且由有源振子指向引向器的方向，所以它是一种端射式天线阵。7.环天线：在一边中点馈电的方环,垂直于环面的方向上辐射最强，在此方向上场的极化平行于含馈电点的环边，极化与电偶级子垂直。

8.喇叭天线：圆极化，对于喇叭天线，为了获得较好的辐射方向图，使最大辐射方向保持在00方向位置上，也就是沿着喇叭天线口面的法线方向。

三、课后习题

1.1 设一天线归于输入电流的辐射电阻和损耗电阻分别为Rr=4，Rd=1，天线方向 系数 D=3，求它的输入电阻 Rin 和增益 G。解：输入电阻： RinRrRd5   天线辐射效率： A   天线增益： G=DA=2.4 1.6 某天线辐射功率 Pr=20W，发射机提供功率Pt25W，在其最大辐射方向距离（天 线）r=r1=100m处（远区）的功率密度 Smax15mW/m2，试求：（1）

Rr0.8

RrRd该天线的方向性系数；（2）效率及增益；（3）沿最大辐射方向距离（天线）

rr250m处（远区）的功率密度，它比 100m 处的 功率密度大多少分贝？场强大多少分贝？

解：（1）若为无方向性天线，以辐射功率 Pr20W发射，在 rr1100m处，功率密度为：SoprSmax；故该天线的方向性系数为：D94.2 24rSo（2）辐射效率：Pr0.8天线增益：G=D=75.4 Pin（3）若rr250m，与rr1100m比较，功率密度为原来的 4 倍，即增加 10lg4= 6dB ； 场强为原来的 2 倍，即增加 20lg2=6dB。2.8、均匀直线式天线阵的元间距 d=λ/2，要求它的最大辐射方向在偏离天线阵的轴线±60° 的方向，则（1）单元之间的相位差应为多少？（2）设计均匀直线阵时，阵元间距离有没有最大限制，为什么？ 解：最大辐射方向0600时（1）kdcos00 则-kdcos6002

（2）为了避免栅瓣的出现，阵元间的距离必须满足d最 大 辐射方向，对于0600，d1cos00为天线阵的2

1cos60034.1、计算长度为6λ 的行波单导线的最大辐射方向。

klsin1cos2 解：行波单导线的归一化方向函数为：FKsin1cossinklcot项快得多，因此方向函数中sin1-cos 项随θ 的变化比

1-cos22kl行波单导线 的最大辐射方向可由sin1-cos1求得。即：

2mmarccos1-023.6 27.2、在自由空间当收发天线的距离为 10km 时，试求 f=10GHz、f=1GHz、f=1MHz、f=10kHz 时，第一菲涅尔区最大半径。解：第一菲涅尔区的计算公式为：F1d1d2d

当d1d2d/2时，取最大，即： Fmaxf=10GHZ时，0.03m，F1max1d 210.03101038.66m 2f=1GHZ时，0.3m，F1max27.4m f=1MHZ时，300m，F1max866m F=10KHZ时，3104m，F1max8660m

9.1、某电台工作频率为 2 MHz，辐射功率 250 W，使用短鞭天线发射，当电波沿湿地表面 传播时，计算在 50 km 处的场强值。

解：首先计算：80/3fMHZ63.5km，由于 50km

20.3X0.06

2X0.6X2对于短鞭天线，D=3 则，E173PrkwDWmV/m0.18mV/mrkm

10.1、设某地某时的电离层的临界频率为 5 MHz，当电波以仰角 Δ = 300 投射时，求能反射 回地面的最短波长。假设电离层等效高度 h，350km。解：由fc80.8Nmaxfmax波长为：34.2m。

80.8Nmax12h,/R0R0=6371.3km得 fmax≈ 8.77MHz，2'sin2h/R0

10.3、试求：频率为 5MHz 的电波，在电子浓度 N1.510111/m3 的电离层

内反射时的最小入射角。解：由sin0nn180.8NnNn，8可得：sinn180.80.7170n22ff045.90

11.4、今有12 /14GHz 系统卫星通信线路，已知地球站发射系统参数：PWdB,Gt46dB，发射系统馈线等效损耗1dB ；星上接收系统参数： t10Gr46dB，接受系统馈线等效损耗1dB，等效噪声温度1000K，带宽 B = 36MHz ；假设 r = 40000km，大气吸 收 LA0.6dB。试确定星上接收时的信噪比。今欲使信噪比提高到50dB，要求此时地球 站发射天线增益应是多少？ 解：上行线的自由空间损耗为：Lbf1dB32.4520lgfMHz20lgdkm206.07dB

上行线路径传输损耗为：Lb1Lbf1LA206.67dB则星上接收功率为：PredBP.67dBWtGtGr-Lb111106热噪声：PZkTeB4.9681013W123.04dBW信噪比为PredBPz16.37dB若要将信噪比提高到 50dB，则设此时的地球站发射天线的增益为Gt，则可得Gt =79.63dB