天线与电波基础

第一章电波与天线的基础知识1、天线的基本功能是什么？天线的基本功能是辐射和接收无线电波。

发射时，把高频电流转换为电磁波；接收时，把电磁波转换为高频电流。

发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。

2、近场区存在辐射场吗？远场区存在感应场吗？感应场和辐射场各有什么特点？当离基本电振子距离r=5λ时(在最大辐射方向上)求感应场与辐射场之比。

（第四问选作）天线周围的空间电磁场根据特性的不同又可划分为三个不同的区域：(a)感应近场，(b)辐射近场，(c)辐射远场，它们的区分依靠离开天线的不同距离来限定。

在这些场区交界的距离处电磁场的结构并无突变发生，但总体上来看，三个区域的电磁场特性是互不相同的。

尽管有各种准则来区分三者的边界，但这些准则并不是唯一的，我们需要了解的是相互之间的本质区别：感应近场区指最靠近天线的区域。

在此区域内，由于感应场分量占主导地位，其电场和磁场的时间相位差为90度，电磁场的能量是震荡的，不产生辐射.)辐射近场区：辐射近场区介乎于感应近场区与辐射远场区之间。

在此区域内，与距离的一次方、平方、立方成反比的场分量都占据一定的比例，场的角分布(即天线方向图)与离开天线的距离有关，也就是说，在不同的距离上计算出的天线方向图是有差别的。

辐射远场区：辐射近场区之外就是辐射远场区，它是天线实际使用的区域。

在此区域，场的幅度与离开天线的距离成反比，且场的角分布(即天线方向图)与离开天线的距离无关，天线方向图的主瓣、副瓣和零点都已形成。

在实际使用中，最感兴趣的是辐射远场区。

通常的应用中，我们应该避免收、发天线处在近场区范围，因为此时不但天线的方向图没有形成，而且在近场范围内的任何导电体甚至介质物体都被看成是天线电磁边界条件的一部分，它影响了原来的天线，和原来的天线一起共同修正和改变了远场的方向图辐射特性，从而影响了实际使用效果。

3、如果用基本电振子来探测来波方向，这个基本电振子应如何放置和如何操作？（假设来波方向是任意的）若用小环天线探测又如何进行4、试说明下列各组天线参数之间的异同。

①输入阻抗与辐射电阻输入阻抗和辐射阻抗是两个不同的概念,天线的输入阻抗的定义:传输线将高频电磁能量馈入天线，以馈入点作为参考面，参考面上电压与电流的比值。

天线辐射阻抗用天线上最大电流定义并以辐射功率计算。

因此只有当天线的效率为100%即天线无损耗,输入功率全部转化为发射功率时可以把手机天线的输入阻抗就看成辐射阻抗②天线的增益与方向性系数天线方向性系数定义为：在总辐射功率相同时，天线在最大辐射方向的辐射功率密度P 与均匀辐射在该方向的辐射功率密度P0的比值，用分贝表示为(dB)（总辐射功率相同）天线增益定义为：在总输入功率相同时，天线在最大辐射方向的辐射功率密度P与均匀辐射器在该方向的辐射功率密度P0的比值，用分贝表示为(dB)（总输入功率相同）天线增益与方向性系数的关系为G=ηD （G、D以倍数表示）③天线的有效长度与天线的长度有效长度是为了便于衡量天线的辐射能力，特别是接收天线产生的感应电动势大小而引入的。

将实际天线的辐射场类比于元电流产生的辐射场，同时按天线上某一点的电流归算，就得到该天线有效长度的表达式。

④天线的口面面积与有有效接收面积有效接收面积表示其接收电磁波的能力，假定有一天线平面，它垂直于来波方向并且将截获的来波能量全部转变为输出功率送到接收机，则该天线平面的面积称为天线的有效接收面积或天线孔径。

当接收天线的最大接收方向对准来波的方向时，输送给共轭匹配负载的功率与该点功率通量密度之比就称为该天线的有效接收面积。

接收天线的有效接收面积可以用接收天线的增益表示出来。

有效接收面积直接反映了天线接收无线电波能力的大小，它是接收天线特有的电参数之一⑤天线的极化失配与阻抗失配天线的极化与电波的极化一样，也分为线极化、圆极化和椭圆极化三种情况。

当接收天线的极化方向与来波的极化方向相同时，接收到的功率为最大。

极化失配因子反映了接收天线的最大接收方向与入射电波的传播方向相同而其极化方向与电波极化方向不相同时对接收天线输出功率产生的影响。

设发射天线与接收天线之间的介质为线性介质，不存在极化旋转现象。

用和分别代表发射天线和接收天线极化椭圆长轴与短轴的比值，线极化天线，圆极化天线u=1；令两个极化椭圆长轴之间的夹角为 ，于是极化失配因子可以表示为式中，收发天线极化旋转方向相同时取+号，不同时取-号阻抗失配因子反映了阻抗不匹配时对功率传输产生的影响，它可以表示为阻抗失配因子的取值范围是：0～1，阻抗完全匹配时，q =1。

⑥天线的阻抗频带宽度与增益频带宽度无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围（频带宽度）内工作的，天线的频带宽度有两种不同的定义------一种是指：在驻波比SWR ≤ 1.5 条件下，天线的工作频带宽度；一种是指：天线增益下降 3 分贝范围内的频带宽度。

在移动通信系统中，通常是按前一种定义的，具体的说，天线的频带宽度就是天线的驻波比 SWR 不超过 1.5 时，天线的工作频率范围。

一般说来，在工作频带宽度内的各个频率点上, 天线性能是有差异的，但这种差异造成的性能下降是可以接受的。

5、试简画出下列同相等幅二元阵的阵因子方向图。

(×代表天线 )6、试利用方向性相乘原理画出如图所示的四元同相天线阵方向性图（选作题）。

7、 一架设在地面上的水平振子天线，工作波长m 40=λ，若要在垂直于天线的平面内获得最大辐射仰角30=∆，试计算天线应架设多高？根据公式： H=λ／4sin Δ可知 λ=40 Δ=30=40／4×0.5=20m故：天线应架高20米8 采用天线阵可增强方向性，其主要原理是什么？多个对称振子组合起来就构成天线阵。

按照对称振子的排列方式，天线阵可以分为直线阵、平面阵和立体阵等，不同的排列有不同的阵因子。

根据方向性相乘原理，采用同样的对称振子作为天线阵的单元天线，只要改变排列位置或馈电相位，就可以得到不同的方向特性。

移动通信中基站高增益全向天线就是把振子作共轴排列，压缩垂直面的波束宽度，而把辐射能量集中于与振子相垂直的方向上，以提高天线的增益。

9已知：某天线的方向函数为ϕθθsin cos )(3=F ， 0,0,πϕπθ≤≤≤≤天线的热效率%90=η。

工作频率f=100MHz.求： （1）方向系数D (2)增益G (以dB 为单位) （3）有效接收面积Ae10 解释E 面和H 面？天线方向图：是天线辐射出的电磁波在自由空间存在的范围。

方向图宽度一般是指主瓣宽度即从最大值下降一半时两点所张的夹角。

E 面方向图指与电场平行的平面内辐射方向图；H 面方向图指与磁场平行的平面内辐射方向图。

一般是方向图越宽，增益越低；方向图越窄，增益越高。

11简述什么是天线的极化，极化的分类？天线向周围空间辐射电磁波。

电磁波由电场和磁场构成。

人们规定：电场的方向就是天线极化方向。

极化形式可分为线极化波和圆极化波，线极化波又可分为水平极化和垂直极化波，圆极化波根据电场旋转方向不同又可分为左旋和右旋圆极化波。

我国目前卫星信号方要采用线极化波。

极化的作用在于可以选择性地接收极化波，或是对极化波进行隔离。

当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，接收到的信号都会变小，也就是说，发生 极化损失12 简述波瓣宽度波瓣宽度是定向天线常用的一个很重要的参数，它是指天线的辐射图中低于峰值3db 处所成夹角的宽度。

天线的辐射图是度量天线各个方向收发信号能力的一个指标，通常以图形方式表示为功率强度与夹角的关系。

天线垂直的波瓣宽度一般与该天线所对应方向上的覆盖半径有关。

主要涉及两个方面水平波瓣宽度和垂直平面波瓣宽度。

第二章 传输线1、试区分下列名词：①损耗α损耗一般可以分为导体损耗和介质损耗两部分，而平行双线等类型的馈线上还存在着辐射损耗②特性阻抗Zc入射波和反射波中，电压与电流之比均等于馈线的特性阻抗③低耗线的损耗与传输效率ηt实用的传输线均为低耗线，低耗线的损耗一般可以分为导体损耗和介质损耗两部分，而平行双线等类型的馈线上还存在着辐射损耗，这些损耗的存在使得馈线上的输出功率 小于馈线上的输入功率 定义低耗线的传输功率理论计算表明，低耗线上传输行(VSWR =1)时，传输效率为④无耗线衰减常数 等于零时，长线为无耗线，其特性阻抗为纯电阻，无耗线是处理实用传输线的一个物理模型。

实用传输线本身的损耗应该是很小的，故称为低耗线⑤衰减常数a表示电磁波或电信号在传输过程中振幅或功率衰减的参数，一般用无反射情况下沿传播方向每单位长度两点上电场强度，电压或电流比值的对数来表示，以单位场地的奈培或分贝为单位。

⑥反射系数r在无线电通信中，天线与馈线的阻抗不匹配或天线与发信机的阻抗不匹配，高频能量就会产生反射折回，并与前进的部分干扰汇合发生驻波。

为了表征和测量天线系统中的驻波特性，也就是天线中正向波与反射波的情况，人们建立了“驻波比”这一概念，SWR=R/r=(1+K)/(1-K)反射系数K=(R-r)/(R+r)(K为负值时表明相位相反)式中R和r分别是输出阻抗和输入阻抗。

当两个阻抗数值一样时，即达到完全匹配，反射系数K等于0，驻波比为1。

这是一种理想的状况，实际上总存在反射，所以驻波比总是大于1的。

⑦波长和电缆波长沿着波的传播方向，在波的图形中相对平衡位置的位移时刻相同的两个质点之间的距离。

横波与纵波的波长---- 在横波中波长通常是指相邻两个波峰或波谷之间的距离。

在纵波中波长是指相邻两个密部或疏部之间的距离。

传输线上的波长与相位常数的关系为传输线上的波长一般与自由空间内的波长不相等。

⑧波长和波导波长（λ,λg）在微波波段内通常采用波导作为传输线，其优点是损耗小，没有向外的电磁辐射。

工作在微波波段的反射面天线的馈源部分往往也是由波导组成的。

波导有矩形、方形、圆形、椭圆形几种类型，其中最常用的是矩形波导和圆形波导。

为自由空间的波长为波导波长由上式可知，波导波长大于自由空间内的波长，且波的相速大于光速2、电磁能量如何在传输线中传输和在遇到不连续的点后所产生的现象？3、什么叫匹配？电磁波在传输线中流动时遇到不匹配（不连续）点后会发生什么现象？如何才能使主馈线匹配（无反射波）？什么叫匹配？简单地说，馈线终端所接负载阻抗ZL 等于馈线特性阻抗Z0 时，称为馈线终端是匹配连接的。

匹配时，馈线上只存在传向终端负载的入射波，而没有由终端负载产生的反射波，因此，当天线作为终端负载时，匹配能保证天线取得全部信号功率。

如果天线振子直径较粗，天线输入阻抗随频率的变化较小，容易和馈线保持匹配，这时天线的工作频率范围就较宽。

反之，则较窄。

在实际工作中，天线的输入阻抗还会受到周围物体的影响。