电波天线考试_天线与电波考试题

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电波传播与天线结课作业

系别：xxxx工程学院 专业：电子信息工程 班级：xx级xx班 学号：xxxxxxxxxx 姓名：XXX 1

电波传播与天线考试试题

1.简述天线的功能及接收天线的接收物理过程。（分数：5）

答：天线的任务是将发射机输出的高频电流能量（导波）转换成电磁波辐射出去，或是将空间电磁波信号转换成高频电流能量送给接收机。

接收的物理过程为：接收天线工作的物理过程是，接收天线导体在空间电场的作用下产生感应电动势，并在导体表面激起感应电流，在天线的输入端产生电压，在接收机回路中产生电流。所以接收天线是一个把空间电磁波能量转换成高频电流能量的转换装置，其工作过程就是发射天线的逆过程。

2.为什么引向天线的有源振子常用折合振子，引向天线的引向器和反射器怎么区分？（分数：10）

答：引向天线是一个紧耦合的寄生振子端射阵，通常由一个（有时由两个）有源振子及若干个无源振子构成。有源振子近似为半波振子，主要作用是提供辐射能量；无源振子的作用是使辐射能量集中到天线的端向，折合振子为半波振子，提供的能量能保证天线的辐射要求。在该天线中，其反射能量作用的稍长于有源振子的无源振子称为反射器；其引导能量作用的较有源振子稍短的无源振子叫引向器。

3.简述行波天线和驻波天线的差别和优缺点。（分数：5）

答：用天线上的电流分布作为区分行波天线和驻波天线的依据：把天线上的电流按行波分布的天线叫行波天线，按驻波分布的天线叫驻波天线。驻波天线又称为谐振天线，它的输入阻抗具有明显的谐振特性，天线的工作频带较宽，相对带宽约几分之几到百分之几；行波天线工作于行波状态，频率变化时输入阻抗近似不变，方向图随频率的变化也较缓慢，所以带宽较宽，绝对带宽可达（2~3）:1，是宽频带天线。但是，行波天线得宽频带特性使用牺牲效益（或增益）来换取的，因为有部分能量被负载吸收，所以分行波天线效率低于驻波天线的效率。

4.什么是缝隙天线？基本缝隙天线的场辐射特点是什么？（分数：5）

答：在波导或空腔谐振器开出一个或数个缝隙以辐射或接收电磁波的天线称为缝隙天线。

特点：有横向分布电场激励；结构牢固；馈电方便。

5.简述电波传播研究内容及对象和几种主要的电波传播的特点。（分数：5）答：研究内容：无线电波传播媒质特性的研究；几种传播方式的传播机制，传输特性的研究；对于新开拓频段的电波传播问题的研究。

地面波传播：信号比较稳定，但电波频率愈高，地面波随距离的增加衰减愈快。天波传播：长，中，短波都可以利用天波进行远距离通信。视距传播：收，发天线离地面高度远大于波长。

对流层散射传播：主要用于超短波和微博远距离通信。

6.当发射天线为辐射垂直极化的鞭状天线，在地面上和地面下接收时，各自应采用何种天线比较合适，解释其原因？（分数：5）

答：当采用垂直极化的鞭状天线作为发射天线时，根据波前倾斜现象的原理，在地面上和地面下均可以接收信号。在地面上接收时，由于电场的垂直分量远大于水平分量，所以宜采用直立天线来接收，接收天线附近的地面宜选择湿地。如果受条件限制，不能采用直立天线来接收，也可以采用低架或水平铺设的天线来接收，此时地面宜选择干地。

7.简述天波传播中的反射条件和电离层吸收特点。（分数：5）答：反射条件：sinηmax

0

=√ε=√（1-80.8N/f²

n

n

max

n

max）

f=√80.8N/cos²η

式中N是反射点的电子密度。

吸收特点:电离层的碰撞频率越大或者电子密度越大，电离层对电波的吸收就越

大；电波频率越低，吸收越大。

8.为什么存在地面有效反射区？在其他条件都相同的情况下，有效反射区的大小和频率关系如何？（分数：5）

答：由于地面的性质、地貌、地面建筑等都会影响电波转播，所以传到地面的电磁波不会完全被利用，即存在地面有效反射区。

频率越高，有效反射区越大。

9.简述地面移动通信中电波传播特点及其研究方法？（分数：5）

答：对地面移动通讯所采用的VHF和UHF频段而言，地面波衰减得很快，可以忽略不计，其主要的传播方式仍为视距传播，即直接波与地面波的合成。在地面移动通讯中，接收信号不仅有时间上的衰落，而且还有地点上的衰落，是一种时间和地点上的随机信号，对于所覆盖的大面积地区，一般很难获得准确的地形数据，不可能对各个移动台所在的位置进行准确的场强估算。

10.研究方法：基于实验基础上的预测方法，Okumura方法，Lee方法；此外还有实验和理论相结合的方法，如我国的GB/T 14617.1-93方法等。论述微带天线在现代通信系统的应用特点及其发展趋势，研究方向。（要求论文字数不少于3000字，有标题，摘要，参考文献，参考文献不少于10篇，且为近3年内发表的文章）

（分数：50）

微带天线的发展及未来

摘要

现代电子技术向通讯、广播、可视电话、卫星导航、雷达等都离不开电磁学的发展。一直以来电磁学这门课程一直都是通讯技术发展的重点。微带天线在其中更是一个不可或缺的部分。天线的任务是将发射机输出的高频电流能量（导波）转换成电磁波辐射出去，或是将空间电磁波信号转换成高频电流能量送给接收机。辐射和接受电磁能量的装置称为天线。在现代的社会，天线是人人不能缺少的东西。在这里介绍的微带天线则就是其中的精髓。它主要应用于高科技领域，微带天线是近30年来逐渐发展起来的一类新型天线。早在1953年就提出了微带天线的概念，但并未引起工程界的重视。在50年代和60年代只有一些零星的研究，真正的发展和使用是在70年代。常用的一类微带天线是在一个薄介质基(如聚四氟乙烯玻璃纤维压层)上，一面附上金属薄层作为接地板，另一面用光刻腐蚀等方法作出一定形状的金属贴片，利用微带线和轴线探针对贴片馈电，这就构成了微带天线。当贴片是一面积单元时，称它为微带天线；若贴片是一细长带条则称其为微带阵子天线。

关键字 ：微带天线，电磁场与电磁波，通信，天线

1.微带天线的发展情况

微带辐射器的概念首先是德尚（G.A.Deschamps)在1953年提出来的。最早的实际的微带天线是Howellt和Munson在1972年研制成的（当较好的理论模型及对敷铜或敷金的介质基片的光刻技术发展之后）。

随着无线电技术的发展，微带天线在各个领域得到越来越广泛的应用：无线通讯技术，包括手机、蓝牙（BlueTooth）、无线局域网（WLAN）等终端；小型化卫星通讯；多普勒及其它制式雷达；无线电测高仪；指挥和控制系统；导弹遥测；无线电引信；环境检测仪表和遥感；复杂天线中的馈电单元；GPS卫星导航接收机；生物医学辐射器等）。当今对于微带天线技术的研究热点高增益、低副瓣设计小型化、宽带设计多极化、多频段设计超宽带天线设计光子带隙PBG技术应用于微带天线设计。

2.微带天线的定义

微带天线，英文名称microstrip antenna，是在有金属接地板的介质基片上沉积或贴附所需形状金属条、片构成的微波天线。主要应用于航空科技（一级学科）；航空电子与机载计算机系统（二级学科）。

微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴加导体薄片而形成的天线(光刻、腐蚀等方法做出一定形状的金属贴片)。它采用微带线或同轴线等馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。因此，微带天线可以看成是一种缝隙天线。由于介质基片的厚度往往远小于波长，故它实现了一维小型化，属于电小天线。

3.微带天线的分类

微带天线可以分为三种基本类型：微带贴片天线、微带行波天线和微带缝隙天线。微带贴片天线（MPA—Microstrip Patch Antenna）是由在介质基片一面的任何平面或非平面几何形状的导电贴片和另一面的地平面构成。常见实际使用的基本结构如图(a)，其中矩形和圆形贴片天线应用最广。典型的贴片天线的增益为5-7dB，3dB波束宽度在70゜-90゜范围内。

微带行波天线（MTA—Microstrip Traveling-Wave Antenna）是由链形周期性导体或足够宽度以支持TE模式的一个长微带线构成。它沿线传输行波，天线的另一端是一个匹配电阻性负载，用来避免天线上的驻波。可以将行波微带天线设计成使得主波束位于从侧面到端射的任何一个方向。

微带缝隙天线（MSA—Microstrip Slot Antenna）是利用开在接地板上的缝隙，由介质基片另一侧的微带线或其它馈线（如槽线）对其馈电的天线。裂缝实际上可以是任何形状，但通常只对一些基本的微带裂缝的形状进行研究，如矩形裂缝，环形裂缝，矩形环裂缝和锥形裂缝。裂缝天线在它们裂缝的两侧辐射，因此可称之为双向辐射器。利用裂缝的一个侧面上的反射器板，就可以获得单向辐射器。

4.微带天线的工作原理

贴片尺寸为a×b，介质基片厚度为h。微带贴片可看作为宽a长b的一段微带传输线，其终端（a边）处因为呈现开路，将形成电压波腹。一般取b，为微带线上波长。于是另一端（a边）处也呈电压波腹。电场可近似表达为（设沿贴片宽度和基片厚度方向电场无变化）：。

天线的辐射由贴片四周与接地板间的窄缝形成。由等效原理知，窄缝上的电场的辐射可由面磁流的辐射来等效。等效的面磁流密度为。沿两条a边的磁流是同向的，故其辐射场在贴片法线方向（z轴）同相相加，呈最大值，且随偏离此方向的角度的增大而减小，形成边射方向图。

沿每条b边的磁流都由反对称的两部分构成，它们在H面（yz平面）上各处的辐射相互抵消；而两条b边的磁流又彼此呈反对称分布，因而在E面（xz平面）上各处，它们的场也都相消，在其它平面上这些磁流的辐射不会完全相消，但与沿两条a边的辐射相比，都相当弱。

矩形微带天线的辐射主要由沿两条a边的缝隙产生，该二边称为辐射边。由于接地板的存在，天线主要向上半空间辐射。对上半空间而言，接地板的效应近似等效于引入磁流 的正镜像。由于，因此它只相当于将 加倍，辐射图形基本不变。

微带缝隙天线

最早出现的也最简单的是传输线模型(TLM-Transmiion Line Model)理论，主要用于矩形贴片。更严格更有用的是空腔模型(CM-Cavity Model)理论，可用于各种规则贴片，但基本上限于天线厚度远小与波长的情况。最严格而计算最复杂的是积分方程法(IEM-Integral Equation Method)即全波(FW-Full Wave)理论。从原理上说，积分方程法可用于各种结构、任意厚度的微带天线，然而要受计算模型的精度和机时的限制。从数学处理上看，第一种理论把微带天线的分析简化为一维的传输线问题；第二种理论则发展到基于二维边值问题的求解；第三种理论又进了一步，可计入第三维的变化，不过计算也费时得多。这三种理论仍不断地在某些方面有所发展，同时也出现了一些别的分析方法。基于对积分方程法的简化，产生了格林函数法(GFA-Green’s Function Approach)；而由空腔模型的扩展，出现了多端网络法(MNA-Multiport Network Approach)等。5.微带天线的优缺点

和常用的微波天线相比，微带天线有如下一些优点：

⑴ 体积小，重量轻，低剖面，能与载体（如火箭、卫星飞行器等）共形，并且除了在馈电点处要开出引线孔外，不破坏载体的机械结构，这对于高速飞行器特别有利。

⑵ 性能多样化。不同设计的微带元，其最大辐射方向可以在边射到端射范围内调整；易于得到各种极化方式；特殊设计的微带元还可以在双频或多频方式下工作。

⑶ 可加性强。能和有源器件、电路集成为统一的组件，因此适合大规模生产，简化了整机的制作和调试，大大降低了成本。

和其他天线相比，微带天线也有如下一些缺点：

⑴ 相对带宽较窄，特别是谐振式微带天线。

⑵ 损耗较大，因此效率较低，这类似于微带电路。特别是行波微带天线，在匹配负载上有较大的损耗。

⑶ 单个微带天线的功率容量较小。

⑷ 介质基片对性能影响大。由于工艺条件的限制，批量生产的介质基片的均匀性和一致性还有欠缺，这影响了微带天线的批量生产和大型天线阵的构建。

6.微带天线的应用

微带天线具有小型化、易集成、方向性好、可加性强等优点，因此其应用前景广阔，尤其可在无线电引信上积极的推广与应用。现以国外某型炮弹引信为例，简要说明微带天线在引信上的分析与设计。该引信是—调频体制引信，天线部分由头部的塑料封帽、微带贴片和金属底板组成，安装在弹体头部。该天线在电流不连续点形成等效磁流源，靠改变各磁流的位置，可改变天线的方向性。在一些显要的系统中已经应用微带天线的有：移动通信、卫星通讯、多普勒雷达及其它雷达；无线电测高计；指挥和控制系统；导弹遥测；武器信管；便携装置；环境检测仪表和遥感；复杂天线中的馈电单元；卫星导航接收机；生物医学辐射器。这些绝没有列全，随着对微带天线应用可能性认识的提高，微带天线的应用场合将继续增多。

参考文献

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