天线与电波传播
天线与电波传播学习体会
天线与电波传播学习体会
随着全球通信业务的迅速发展，作为未来个人通信主要手段的无线移动通信技术己引起了人们的极大关注，在整个无线通讯系统中，天线是将射频信号转化为无线信号的关键器件，其性能的优良对无线通信工程的成败起到重要作用。
快速发展的移动通信系统需要的是小型化、宽频带、多功能（多频段、多极化）、高性能的天线。
微带天线作为天线家祖的重要一员，经过近几十年的发展，已经取得了可喜的进步，在移动终端中采用内置微带天线，不但可以减小天线对于人体的辐射，还可使手机的外形设计多样化，因此内置微带天线将是未来手机天线技术的发展方向之一，但其固有的窄带特性（常规微带天线约为百分之二左右）在很多情况下成了制约其应用的一个瓶颈，因此设计出具有宽频带小型化的微带天线不但具有一定的理论价值而
且具有重要的应用价值，这也成为当前国际天线界研究的热点之一。
天线问题的严格分析是一个电磁场边值型问题，需要根据其边界条件确定麦克斯韦方程的特解。
因此微带天线的严格分析将是非常复杂的，而通常根据微带天线的实际特征做某些方面的假设和近似进而得出分析模型则不失为一种简单有效的处理手段。
由麦克斯韦方程的不同解法发展了多种分析微带天线的解析方法，这里我们主要介绍以下三种模型，它们由于其简单实用而在规则贴片天线的分析中获得了广泛的应用。
天线与电波传播
手持移动电话，工作在30cm波长，可与任 何人通话。
天线的理论基础
最早的天线
马可尼
线天线时期：1930年以前
线天线时期
面天线时期：1930~1945面天线时期：19 Nhomakorabea5~1959
50年代~70年代
70年代以后
天线的作用
天线的作用
天线的作用
天线的功能
天线的辐射机理
E面、H面的具体做法： E面：保持φ一定，改变θ，对F(θ， φ) 描点，连接各点； H面：保持 θ =90°，改变φ ，对F(θ， φ)描点，连接各点； （请画出电基本振子的E面和H面方向图）
电磁波频段
微波简介
微波是无线电波中波长最短，频率最高的波 段。 微波的波长远远小于普通无线电波的波长。 微波的波长范围：
中国对微波的应用：1m ~ 1mm 美国对微波的应用：0.3m ~ 0.3mm
无线电波的传播方式
在实际应用中，不同波段的无线电波的 传播方式和应用领域不同 由于地面、高山、电离层等对各波段无 线电波的吸收、反射、透射等性能的不同， 无线电波在空间的传播通常采用以下三种 方式： 地波传播 天波传播 空间波传播
•
半波振子的辐射电阻为 73.1欧，全波振子的辐 射电阻约为200欧
天线的基本电气特性
电流源(电基本振子)
对称振子的辐射场及其方向性
短波主要靠天波传播，电离层对其吸 收小，可经过多次反射传播到很远的地方， 短波传播的最大缺点是不稳定。 短波可用来做各种长、短距离通信。 如无线电广播，电报等
不同波长无线电波的传播方式与 应用
超短波和微波，由于其绕射能力差，又 会穿透电离层，因此不适合地波与天波传 播，只适合空间波传播。由于空间波传播 的距离有限，为增加传播距离，可采用增 高发射天线和接力通信等方式来实现。 超短波和微波主要应用：电视、雷达、 导航等。
北邮微波测量实验+实验总结-(天线与电波传播)
电磁场与微波测量实验实验报告实验名称:班级：姓名：学号：学院：北京邮电大学实验七.天线与电波传播一、 实验目的（1）掌握微波信号发生器及测量放大器的使用方法。
（2）了解水平面接收天线方向性的测量方法。
二、 实验仪器标准信号发生器、选频放大器、喇叭天线、波导调配器、可变衰减器、波导元件。
三、 实验原理及步骤对于辐射波传输方式，最重要的是测试其辐射场幅值分布的方向性，其表征量是天线方向函数及方向图。
1．系统组成图1-1 系统组成原理框图2．喇叭天线工程上常用的喇叭天线是角锥喇叭，原因是其匹配较好而效率接近100%（G ≈D ）。
但是由于其口径场的幅值、相位不是均匀分布，虽然其辐射主向仍是口径面法线方向（波导轴线方向），但是主瓣宽度、方向系数的计算很复杂。
可用以下公式进行估算：E 面（yoz 面）主瓣宽度bE λθ5325.0= （1-1）H 面（xoz 面）主瓣宽度15.0802a H λθ= （1-2）方向系数（最佳尺寸的角锥喇叭）211451.0λπb a D = （1-3）图1-2是角锥喇叭的三维标高方向图。
具体参数喇叭口径1a =5.5λ，1b =2.75λ；波导口径a=0.5λ,b=0.25λ；虚顶点至口径面距离ρ＝2ρ＝6λ。
1 Array图1-2 角锥喇叭的三维标高方向图图1-3为本实验所用喇叭天线示意图：图1-3 实验所用喇叭天线3．测水平面接收天线方向性图1-1为测量喇叭天线方向性的系统组成情况。
测量时改变接收喇叭天线的方位角，可测出喇叭天线水平面的方向性（按接收到信号的强弱）。
严格的测量应在微波暗室中进行，这样可以消除反射波影响。
但在微波段，因其传播方向性较强，而且房屋墙壁吸收较强，地面影响也可略去，因而这样在普通实验室内测量偏差也不很大。
测天线方向图应有专用天线转台，它有精确的角度（水平面方位角，垂直面俯仰角）刻度指示。
本实验主要测水平面即方位方向性。
四、实验内容及数据处理（1）微波天线方向图测试报告旁瓣宽度-3.0db : 26.33 -6.0db : 39.82 -10.0db : 54.30 -15.0db : 225.13五、心得体会本实验即天线与电波传播实验由老师演示，我们只需了解其原理并会分析其数据即可。
天线与电波传播_宋铮_习题答案
金融行业标准管理办法(试行)正文：---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 金融行业标准管理办法（试行）（全国金融标准化技术委员会）第一章总则第一条为有序和高效地开展金融行业标准管理工作，依据《行业标准管理办法》、《全国金融标准化技术委员会章程》及其他有关规定，制定本管理办法。
第二条金融行业标准是对没有国家标准而又需要在金融行业范围内统一的技术要求所制定的标准。
金融业行业标准不得与国家标准相抵触，标准之间应保持协调、统一、不得重复。
金融业行业标准在相应的国家标准实施后，即行废止。
第三条需要在金融行业范围内统一的下列要求，可以制定行业标准：（一）术语、数据元、符号、代码、文件格式等；（二）通信、数据交换与处理、安全等方面的技术要求；（三）产品的技术要求；（四）生产、经营活动中的管理和服务技术要求等；（五）《行业标准管理办法》规定的其他有关内容。
第四条金融行业标准采用以下编号：强制性行业标准：JR ΧΧΧΧ-ΧΧΧΧ；推荐性行业标准：JR/T ΧΧΧΧ-ΧΧΧΧ；指导性技术文件：JR/Z ΧΧΧΧ-ΧΧΧΧ。
第五条标准的全部技术内容需要强制时，为全文强制形式；标准中部分技术内容需要强制时，为条文强制形式。
关于强制性行业标准的具体管理规定按照《行业标准管理办法》、《关于加强强制性标准管理的若干规定》执行。
对于技术尚在发展中，需要有相应的标准文件引导其发展或具有标准化价值，尚不能制定为标准的项目或采用国际标准化组织、国际电工委员会及其他国际组织（包括区域性国际组织）的技术报告的项目可以制定指导性技术文件，指导性技术文件的管理参照《国家标准化指导性技术文件管理规定》执行。
移动通信中的电波传播与天线第四讲_电波传播模型.
第5章移动通信系统中的场强预测模型☐场强预测——所谓场强预测是指根据移动通信的不同环境得到通信范围内的场强分布（路径损耗），建立电波传播的模型，以便对通信网进行规划和设计（天线、基站站址、小区半径、频率……）☐传播模式——分为经验模式、半经验或半确定模式、确定性模式。
经验模式是根据大量测量结果统计分析后导出的公式，应用经验模式可以容易和快速地预测路径损耗，不需要有关环境的详细信息，但是不能提供非常精确的路径损耗估算值。
确定性模式是对具体现场环境直接应用电磁场理论进行计算，如射线追踪方法，环境的描述可以从地形地物数据库中得到。
半经验或半确定模式是基于把确定性方法用于一般的市区或室内环境中导出的公式，为了改善半经验或半确定模式和实验结果的一致性，有时需要根据实验结果对公式进行修正，得到的公式是天线周围某个规定特性的函数。
传播环境——蜂窝移动通信的最大特点就是小区制。
小区的大小和范围直接和传播条件有关，可以根据需要选择小区的大小和范围。
移动通信系统中主要采用宏小区、微小区（微蜂窝）和微微小区（微微蜂窝）三种形式。
经验模式或半经验模式对具有均匀特性的宏小区是合适的。
半经验模式还适用于均匀的微小区，在那里模式所考虑的参数能很好的表征整个环境。
确定性模式适合于微小区和微微小区不管它们的形状如何。
确定性模式对宏小区是不能胜任的，因为对这种环境所需的计算机CPU时间使人无法忍受☐四种电波传播模型——电波传播模型是指通过对电波传播的环境进行不同方法的分析后所得到的电波传播的某些规律、结论以及具体方法。
利用电波传播模型不仅可以估算服务区内的场强分布，而且还可以对移动通信网进行规划与设计。
统计模型（Statistical Model）——通过对移动通信服务区内的场强进行实地测量，在大量实测数据中用统计的方法总结出场强中值随频率、距离、天线高度等因数的变化规律并用公式或曲线表示出来。
实验模型（Empirical Model）——通过实验方法得出某些电波传播规律，但不像统计模型那样用公式或曲线表示出来。
天线与电波传播_完整版
§1.1 辅助函数法
在远场区
E jA E jA E jA Er 0
1 j ˆE ˆ A H r r
天线辐射问题分析过程
§1.2 电基本振子
什么是电基本振子？ 一段通有高频电流的直导线，当导线长度远远小于
§1.2 电基本振子
近区场的性质：由于电场和磁场相差90度，故坡印 廷矢量的平均值等于零，这说明无电磁场能量辐射， 称为感应场。 远区场：当 kr 1 时称为远场区，电磁场主要由 kr 的低次幂项决定，故可略去 kr 的高次幂项，得
Er E H r H 0 jkr kI 0l e E j sin 4 r kI 0l e jkr H j sin 4 r
§1.2 电基本振子
电基本振子的场辐射
§1.3 磁基本振子
麦克斯韦电磁理论获得了巨大的成功。电和磁的 对称性问题，至今尚未解决。 电的基本单元是电荷。正负电荷可以分开，自由 电荷能单独存在，因而我们可以引进电荷密度和电 流密度的概念。 磁的基本单元是磁偶极矩，它可以看作是正负磁 荷的组合。然而，正负磁荷却不能分开，自由磁荷 不能单独存在。所以，在电磁理论中我们不能引入 磁荷密度和磁流密度等概念。
天线发展简史
五、2000, 移动/手持天线（Mobile/Hand - held Antenna） 工作于800MHz的手持蜂窝电话天线随处可见。 从马可尼时代直到20世纪40年代，天线主要是以 导线为辐射单元，工作频率也提高到UHF。 进入二战期间，随着1GHz以上微波源（如调速 管、磁控管）的发明，天线开始了一个新的纪元。 波导口径天线、喇叭天线和反射面天线等如雨后春 笋般出现。
天线和电波传播要求
洛伦兹条件：
A j j 1 A
2A k2A J
E j A j A j 1 A
因此，知道
A
H
1
A
A
E j A j A j 1 A
§1.1 辅助函数法
2A k2A J
A
4
v
J x , y , z e jkR
R
dv
－体电流
A
4
s
Js
x
,
y
,
z
e
jkR
R
ds
－面电流
A
4
c
Ie
x
,
y ,
z
e jkR R
dl
－线电流
远场辐射，忽略高阶项 1 n 2,3,4,
rn
A r ˆ A r , ˆ A , ˆ A ,e r jk ,rr
E 1 r je jk ˆ A r , ˆ A , r 1 2
§1.1 辅助函数法
在远场区
Er E
0
jA
E
jA
E
jA
H 1rˆE jrˆA
天线辐射问题分析过程
§1.2 电基本振子
什么是电基本振子？ 一段通有高频电流的直导线，当导线长度远远小于
波长时，该导线被称为电基本振子。 当： l/1 , 可近似地认为导线上每一点的电
流都是等幅同相的。
电基本振子天线结构
马可尼，意大 利人，当时年 仅20岁。
7
天线发展简史
三、1980, 超大阵列（VLA）抛物面天线（Very Large Array Steerable Parabolic Dish Antennas）
位于美国新墨西哥州（Socorro, New Mexico）的超 大阵列天线由27面直径为25米的抛物面按Y型方式排列组成 ，是世界第一个射电天文望远镜。其分辨率相当于36千米 跨度的天线，而灵敏度相当于直径为130米的碟型天线。
《天线与电波传播》课件
电波在自由空间中传播时，能量随距离的平 方成正比地衰减。
穿透损耗
电波在穿透建筑物、墙体等障碍物时，会受 到损耗。
地面吸收损耗
电波在传播过程中，会受到地面的吸收作用 ，导致能量衰减。
散射损耗
由于散射体的散射作用，导致电波传播过程 中的能量衰减。
03
天线设计与应用
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
ERA
Hale Waihona Puke 天线的定义与分类总结词
天线的定义是指能够将电磁波能量转换为导行波能量或将导行波能量转换为电磁波能量 的装置。天线根据不同的分类标准可以分为多种类型。
详细描述
天线是一种能够将电磁波能量转换为导行波能量或将导行波能量转换为电磁波能量的装 置。根据不同的分类标准，天线可以分为多种类型，如按工作性质可以分为发射天线和 接收天线，按方向性可以分为定向天线和全向天线，按频段可以分为超长波天线、长波
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW ERA
《天线与电波传播》ppt课
件
• 天线基础知识 • 电波传播基础 • 天线设计与应用 • 电波传播的干扰与防护 • 未来发展与展望
目录
CONTENTS
01
天线基础知识
BIG DATA EMPOWERS TO CREATE A NEW
设备干扰
影响设备的正常运行，可能导致设 备故障或性能下降。
04
干扰的防护与抑制
频率管理
通过合理规划和管理无线电频谱，减少不同无线电业务之间的干扰。
天线隔离
通过合理设置天线位置和方向，降低不同无线电设备之间的干扰。
滤波技术
采用滤波器对信号进行筛选和处理，减少干扰信号的影响。
“天线与电波传播”课程教学改革思考与探索
“天线与电波传播”课程教学改革思考与探索作者：吴华宁谢慧赵林潘丽冯慧婷来源：《中国新通信》2023年第21期摘要：“天線与电波传播”课程是电子信息类专业的一门基础课程，该课程具有较强的实践性和综合性，在通信、雷达等专业人才培养中发挥着非常重要的作用。
同时，该课程理论性强、概念多且非常抽象，被认为是一门“学生难学、老师难教”的课程。
基于此，本文对该课程的教学现状进行分析，并从教学内容、教学形式和考核方式三个方面进行改革和探索，致力于激发学生的学习动力，并增强教学效果。
关键词：天线；电波传播；教学改革一、引言天线是任何无线电子系统的重要组成部分，在整个系统中起到了能量转换的作用。
“天线与电波传播”课程是普通高等学校电子信息类专业的一门非常重要的专业基础课，也是通信、雷达、电子对抗等专业的必修课。
该课程以“高等数学”“场论”“电磁场与电磁波”等课程为先导，为“雷达原理”等专业背景课夯实理论基础，在高校人才培养体系中起着承上启下的作用。
课程内容主要分为两大部分，第一部分为天线的基本原理和各种典型天线的结构特点、辐射特性及应用；第二部分为电波传播，主要讲授不同传播方式的特点。
该课程理论性强，并且涉及大量公式、物理概念抽象，因此对学生的数学和物理功底要求较高，被普遍认为是一门“学生难学，老师难教”的课程。
如何让学生较好地学习并掌握本门课程的相关知识，教师作为整个知识传授过程中的引导者和课程的组织实施者，起着非常关键的作用。
通过近几年的“天线与电波传播”课程的教学实践，笔者认真思考并总结了在教学过程中出现的问题，并基于学生的学情和课程情况，积极探索课程教学方式方法的改革，以激发学生的学习热情，提高课程的教学质量和效果。
二、“天线与电波传播”课程教学存在的问题（一）教学内容与教学学时数的矛盾突出随着国家高等本科教学的改革和学科专业的优化调整，本科院校学生所学的课程总量普遍增加。
在总学时不变的情况下，大部分课程的学时数都进行了一定的压缩。
复习课--天线与电波传播(精华)
比照电流元辐射场表达式，利用对偶性原理，可求得磁 流元辐射场表达式。
1.10以时变电场和时变磁场为源的基本辐射元
由麦克斯韦方程组可知，作为辐射源除了有时变电 流，还有时变电场和时变磁场。
惠更斯元 基本缝隙辐射元
惠更斯元 dx，dy
面积单元中具有规则均匀的内场分布
n
z
Esx ax Esx
1 ˆ1 S Re E H r E H 2 2
时变电流元的电磁场讨论
远区场 r 辐射场 辐射场电场与磁场空间方向正交且垂直于传 ˆ 、同相；辐射波阻抗： 播方向 r
E 0 120 H 0
等相面为球面 球面波，且相位随 r 增大 不断滞后；在 r 极大的空间近似TEM波 dl H 场量幅值 E ， ， 有效辐射发生条件： dl 与 相比拟，频率越高天线尺寸越小。
天线的有效长度
天线的有效长度是线状天线的特性参量之一，
它是用来衡量天线辐射或接收电磁波能量效果的参量。 有效长度是对发射天线提出来的， 当天线上电流分布不均匀时，在保持天线主向辐射场 强值不变的条件下，把电流分布折算成均匀后的天线 长度。
天线特性参量中，两个重要的特性参量
P291(本章小结5)
以辅助函数A、φ， 替代求解
时变电磁场的势函数
达朗贝尔方程的解
1 (t t0 ) dV V 4 r J (t t0 ) A dV 4 V r
2 2 2 t 2 A 2 A 2 J t
磁流元方向 E 沿传播法线 E and E 沿隙缝方向 E or E
天线与电波传播第1章习题详解
eA le E s i n
4
10 0
1 2 7V .39
（2）当接收天线与负载匹配时，传给负载的功率最大为：
Pmax
2 eA (127.39 106 ) 2 2.779 1011W 。 8Rin 8 73
1.15 某线极化天线接收远方传来的圆极化波，且天线的最大接收方向对准来波方向。天线 的增益系数为 30dBi，效率为 A 1 ，接收点的功率密度为 1mW / m2 。试求 （1）该天线的接收功率； （2）如果失配因子 0.8 ，则求出进入负载的功率。 解： （1）线极化天线接收圆极化波，极化失配因子为 天线的增益
4
1.11 有两副天线的方向函数分别为 f1 ( ) sin 这两副天线的半功率波瓣宽度。 解：对于 f1 ( ) sin 令 f1
2
0.4 和 f 2 ( ) cos2 0.4 ，分别计算
0.4 ，在 90 时取最大值 f1max 1.4
将 F 代入得： D
4
2
F ( , )
0 0
2.56 sin d
2
F ( , )
0
2
天线增益： G D 2.43 1.8 甲、乙两天线的方向系数相同，甲的增益系数是乙的四倍，它们都以最大辐射方向对准 远区的 M 点 （1）当两天线辐射功率相同时，求其在 M 点产生的场强比（分贝表示） ； （2）当两天线输入功率相同时，求其在 M 点产生的场强比（分贝表示） 。 解： 设甲天线的方向性系数和增益系数分别为 D1 , G1 ， 乙天线的方向性系数和增益系数分别 为： D2 , G2 ， Pr1 、 Pr2 和 Pr0 分别为甲天线、乙天线和作为标准的无方向性点源天线的辐射 功率。 Pin1 Pin2 和 Pin0 分别为甲天线、乙天线和作为标准的无方向性点源天线的输入功率。 根据题意可知， D1 D2 ， G1 4G2 （1） 当天线辐射功率相同时， P r1 P r2 P r0
科研成果进“天线与电波传播”课堂的探索
科研成果进“天线与电波传播”课堂的探索作者：郑月军丁亮陈强付云起来源：《教育教学论坛》2024年第16期［摘要］“天线与电波传播”是电子信息类本科专业的核心课程，是注重基础理论与实际应用相结合的课程。
为了提高该课程的教学效果，提升课程知识与科研实际联系程度，在课程教学中采用科研成果进课堂的教学方法。
利用科研中已解决的关键问题，让学生带着问题去学习，提升对本门课程学习的兴趣和主动性。
以天线辐射与散射一体化控制的科研成果进课堂为例，将此成果引入《微带天线》章节，从天线辐射与散射控制的矛盾出发，综合运用课程知识点，对天线辐射控制和散射控制的影响因素进行剖析，结合科研实践开展启发性教学，启发学生思考如何通过天线结构的巧妙设计实现辐射与散射一体化控制，培养学生的创新思维和综合分析能力，使学生走出课堂就能走向科研和工程实践。
［关键词］天线与电波传播；科研成果进课堂；辐射散射一体化调控［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）；2022年度湖南省自然科学基金委面上项目“超宽带吸波”（2022JJ30665）［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（2024）16-0087-05 ［收稿日期］ 2023-03-02“天线与电波传播”是电子信息类本科专业的核心课程，主要内容为天线辐射的基本原理及主要参数、典型天线及阵列、电波传播的基础方法及手段等［1］，其中典型天线类型多样，比如半波振子、引向天线、对数周期天线、喇叭天线和微带天线，而这些典型天线的设计正好又是科学研究中关注的重点，尤其是微带天线。
何俊清天线与电波传播实验报告
3、根据实际需求选取天线结构参数（臂长，架高）。
根据实际，计算天线的最佳结构参数（臂长，架高），并以仿真程序进行验证。
实验数据：
实验结果分析：
实验结果分析：由图可知，双极天线的方向性除了和正常的方位参数（仰角，方位角）有关以外，还和天线的臂长L及架设高度H有关，架高H对水平平面的方向性没有影响，臂长L对垂直平面的方向性没有影响。
实验组别同组人实验日期10月17日实验成绩
实验项目：双极天线方向图仿真实验
实验目的：
1.加深对双极天线工作原理的理解;
2.理解双极天线的方向性及天线臂长,架设高度对天线方向性的影响
3.了解双极天线的参数选取。
实验器材：
电脑,MATLAB软件
实验原理阐述、实验方案：
实验原理阐述、实验方案：双极天线可以理解成架设在地面上的对称振子,因此,研究双极天线的性质可以分两步进行。
此时地面对天线辐射场影响可用天线在地面以下镜像来代替即实际天线与其镜像组成了一个二元天线阵需要注意的是如果天线是水平架设则为镜像而如果是垂直架设则为正镜像天线是水平架设在地面上根据天线阵分析理论可得地面镜像因子为式中
海军大连舰艇学院
天线与电波传播实验报告
2013级133队一区队学员姓名何俊清学号0092013044
（2）对称振子的电流分布
如果将细对称振子看成是末端开路的传输线张开形成，则细对称振子的电流分布与末端开路线上的电流分布相似，即非常接近正弦驻波分布。
以振子中心为原点，忽略振子消耗，则细对称振子的电流分布为：
(3)对称振子的辐射场及方向函数
天线与电波传播(第二版)宋铮第10章课后习题答案
1、 解：自由空间传播损耗是指当发射天线与接收天线的方向系数均为1时，发射天线的辐射功率P r 与接收天线的最佳接收功率P L 之比，即L 0= P r LP D=1的无方向性发射天线产生的功率密度为2S 4r av P r π=D=1的无方向性接收天线的有效接受面积为24e A πλ= 22A ()4L av e r P S P λπ∴== 0410lg 20lg r L P r L dB P πλ∴== 因此032.4520lg ()20lg ()121.9820lg ()20lg ()L f MHz r km r km cm λ=++=+- 物理意义：自由空间的传播损耗是指球面波在自由空间的传播过程中，随着传播距离的增大，能量的自然扩散而引起的损耗，它反映了球面波的扩散损耗。
2、解：700f MHz = ，37740r km =032.4520lg ()20lg ()32.4520lg70020lg37740181L f MHz r km dB ∴=++=++=卫星天线发射功率20053.01r P W dBm == 发射天线增益26r G dB =，接收天线增益30L G dB =所以，接收机的最大输入功率为0+=53.01dBm 181263072L r r L P P L G G dB dB dB dBm =-+-++=-3、解：36000,4000r km f MHz == 卫星高度032.4520lg ()20lg ()32.4520lg 400020lg36000195.58L f MHz r km dB∴=++=++=在接收机端，接收机的接收功率应大于最低输入功率，即 0G r r L L P G P L ->++又2644.15r P W dBm ==，50L G dB =，190L P pW dBm ==-11.43r d G B >∴，即卫星发射天线的增益系数至少应为11.43dB4、解：第一菲涅尔椭球是电波传播的主要通道。
天线与电波传播课后习题答案
F(&) = —(+0. 4)二迢
2 7 2
可得2 39.8。，所以2⅛j=20 = 79.6%
1-1-13简述天线接收无线电波的物理过科。
解接收天线工作的物埋过程是，天线导体在空间电场的作用下产生感应电动势，并 在导体表面激励起感应电流，在天线的输岀端产生电斥，在接收机冋路中产生电流，所以, 接收父线是一个把空间电磁波能量转换成髙频电流能量或导波能量的转换装置，其工作过 程是发射犬线的逆过程C
(4)M点的电场与磁场Z间有如下关系：
E E
y9
<5)从电基木振子的远区辐射场表达式
S = j 2L sin%μ,
=j型巴Si叩严
入r
= Hg = E == O
电长度//入以龙子午Jfi&有关。
題1-1-1解图(二)
1-1-2一电基木振子的辐射功率为25 W,试求一20km处，"。，60。，90。的场 强，0为射线与振子轴Z间的夹角。
1-1-12已知两副天线的方向函数分别是/；(0)"『0+0-5, £(&) =COS2f/ +0. 4,试计算这两副犬线方向图的半功率角2%5o
解 首先将方向函数归一化.则由人(&)=Si『0+05和/W) =Z2& + 0.4,可得
对于F( 0),当&=：时冇最人值U令
町得0=48.5。，所以2IS=180" -2 X ¢/=83%
EITTj
]H^=T‰=1.6 X 105ττ= 6,29 x 10
1-1-3—基木振子密封在塑料盒中作为发射人线，用另一电基木振子接收，按人线 极化匹配的姿求，它仪在与Z极化匹配时感应产生的电动势为最大，你怎样鉴別密封盒内 装的是电基木振子还是磁基木振子？
天线与电波传播I-4-1
信号具有类噪声性。UWB信号具有极低的功率谱密度和伪随
机特性，这使其具有类似噪声的性质难以被截获，同时对其它 现有的无线系统干扰较小。
时域特性好。时域窄脉冲具备良好的材料穿透能力，因此在
探测方面具有很好的应用；极窄的时域脉冲同时还意味着 UWB 技术具有提供比GPS和其他无线系统更高精度的定时潜力。
2
超宽带技术-Ultra-wideband, UWB
与传统窄带技术的区别：
1. 极大的系统带宽。带宽常常达数GHz，比任何现有的 无线通信技术的带宽都大得多； 2. 典型的UWB信号是无载波窄脉冲。与当今通信系统中 广泛采用的载波调制技术不同，IR-UWB技术使用上升 沿和下降沿都很陡的基带脉冲直接通信，所以又称为 基带传输技术或无载波技术．
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超宽带天线
印刷单极子天线
二维的单极子天线利用印 刷电路板蚀刻而成，不需 要从接地面打一个导通孔， 在工程应用中方便许多， 大多数采用的是微带线或 是共面波导馈电。 辐射体为圆形的单极子天线设计较为简单，调整圆形半径大小， 就能决定天线的最低工作频率。通过将辐射体形状改为漏斗形、 领结形、十字形、U形、心形、扇形、椭圆形等结构，则会进一 步增加天线的阻抗带宽平面单极子天线结构简单、体积小、制作 容易，最重要的是具有全向辐射特性。
典型的IR-UWB信号的时域波形
3
UWB优势
极高的通信数据率。UWB信号的脉冲宽度通常在亚纳秒量级，
由此可实现达100Mbps～lGbps的通信速率。
低复杂度、低成本。IR-UWB系统直接利用极窄脉冲来进行信
息传输，信号不需要上变频以及功放，因此可省去射频混频以 及功率放大模块；在接收端也可以省去相对应的混频模块、复 杂的时延和相位跟踪环等；
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智能天线的研究及改进摘要智能天线利用数字信号处理技术,产生空间定向波束,使天线主波束对准期望用户信号到达方向,旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。
智能天线分为两大类切换波束智能天线与自适应阵智能天线。
智能天线技术是第三代移动通信系统的关键技术之一,智能天线技术将会在未来移动通信系统中发挥重要作用。
本文在简要介绍智能天线的基本原理、系统组成的基础上,详细论述了智能天线的自适应算法和技术优势及其在中的应用。
引言随着移动通信产业的高速发展及其用户的飞速增长,市场对移动通信技术的改进和更新提出了更高的要求。
而如何提高无线频谱的使用效率成为近些年来各种新技术所面临解决的核心问题。
第三代移动通信系统是正在全力投入开发的系统,其最基本的特征是智能信号处理技术。
智能信号处理模块将成为它的基本功能模块,实现基于话音业务为主的多媒体数据通信。
目前最典型的智能天线技术是实现移动通信扩大通信容量的关键技术之一。
智能天线技术作为有效解决这一问题的新技术已成功应用于移动通信系统,并通过对无线数字信号的高速时空处理,极大地改善了无线信号的传输,成倍地提高了系统的容量和覆盖范围,从而极大地改善了频谱的使用效率。
1 智能天线的基本概念及组成1.1 智能天线的基本概念智能天线, 即具有一定程度智能性的自适应天线, 由多个天线单元组成, 每一个天线后接一个加权器即乘以某一个系数, 这个系数通常是复数, 既调节幅度又调节相位,而在相控阵雷达中只有相位可调, 最后用相加器进行合并输出, 这种结构的智能天线只能完成空域处理同时具有空域、时域处理能力的智能天线在结构上相对复杂些,每个天线后接的是一个延时抽头加权网结构上与时城均衡器相同。
自适应或智能的主要含义是指这些加权系数可以恰当改变和自适应调整。
上面介绍的是智能天线用作接收天线时的结构,当用它进行发射时结构稍有变化,加权器或加权网络置于天线之前,也没有相加合并器。
智能天线是一种安装在基站现场的双向天线, 通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性, 并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。
智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向, 产生空间定向波束,使天线主波束对准用户信号到达方向币习,旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的阴。
同时,智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异, 通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰, 使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。
在不增加系统复杂度的情况下,使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。
1.2 智能天线的分类.智能天线技术有两个主要分支。
波束转换技术杭群和自适应空间数字处理技术, 或简称波束转换天线和自适应天线阵。
天线以多个高增益的动态窄波束分别跟踪多个期望信号,来自窄波束以外的信号被抑制。
但智能天线的波束跟踪并不意味着一定要将高增益的窄波束指向期望用户的物理方向,事实上,在随机多径信道上,移动用户的物理方向是难以确定的,特别是在发射台至接收机的直射路径上存在阻挡物时, 用户的物理方向并不一定是理想的波束方向。
智能天线波束跟踪的真正含义是在最佳路径方向形成高增益窄波束并跟踪最佳路径的变化,充分利用信号的有效的发送功率以减小电磁干扰。
(1) 波束转换天线. 波束转换天线具有有限数目的、固定的、预定义的方向图, 通过阵列天线技术在同一信道中利用多个波束同时给多个用户发送不同的信号,它从几个预定义的、固定波束中选择其一,检测信号强度, 当移动台越过扇区时,从一个波束切换到另一个波束。
在特定的方向上提高灵敏度,从而提高通信容量和质量。
波束转换天线阵结构框图如图1示图1 波束转换天线阵结构框图为保证波束转换天线共享同一信道的各移动用户只接收到发给自己的信号而不发生串话,要求基站天线阵产生多个波束来分别照射不同用户,特别地, 在每个波束中发送的信息不同而且要互不干扰。
每个波束的方向是固定的,并且其宽度随着天线阵元数而变化。
对于移动用户,基站选择不同的对应波束,使接收的信号强度最大,但用户信号未必在固定波束中心, 当使用者是在波束边缘, 干扰信号在波束的中央,接收效果最差。
因此,与自适应天线阵比较, 波束转换天线不能实现最佳的信号接收。
由于扇形失真,波束转换天线增益在方位角上不均匀分布, 但波束转换天线有结构简单和不需要判断用户信号方向的优势。
(2) 自适应天线阵. 融人自适应数字处理技术的智能天线是利用数字信号处理的算法去测量不同波束的信号强度,因而能动态地改变波束使天线的传输功率集中。
应用空间处理技术印吐可以增强信号能力,使多个用户共同使用一个信道。
自适应天线阵(Tracking-beam Array)结构框图如图2所示。
图2 自适应阵列结构自适应天线阵是一个由天线阵和实时自适应信号接收处理器所组成的一个闭环反馈控制系统,它用反馈控制方法自动调整天线阵的方向图,使它在干扰方向形成零陷,将干扰信号抵消,而且可以使有用信号得到加强,从而达到抗干扰的目的。
由自适应天线阵接收到的信号被加权和合并,取得最佳的信噪比系数。
采用M个阵元自适应天线,理论上,自适应天线阵的价值是能产生M倍天线放大,可带来10lgM的SNR改善。
对相同的通信质量要求,移动台的发射功率可减小10lgM。
这不但表明可以延长移动台电池寿命或可采用体积更小的电池,也意味着基站可以和信号微弱的用户建立正常的通信链路。
对基站发射而言,总功率被分配到M个阵元,又由于采用DBF(Digital Beam-Forming)可以使所需总功率下降,因此,每个阵元通道的发射功率大大降低,进而可使用低功率器件。
采用自适应抽头时延线天线阵对信号接收、均衡和测试很有帮助。
对每一接收天线加上若干抽头延时线,然后送人智能处理器,则可以对多径信号进行最佳接收,减少多径干扰的影响,从而使基站的接收信号的信噪比得到很大程度的提高,降低了系统的误码率。
通常采用4一16天线阵元结构,相邻阵元间距一般取为接收信号中心频率波长的1/2。
阵元间距过大,降低接收信号相关度阵元间距过小,将在方向图引起不必要的波瓣,因此,阵元半波长间距通常是优选的。
天线阵元配置方式包含直线型,环型和平面型,自适应天线是智能天线的主要的型式。
自适应天线完成用户信号接收和发送可认为是全向天线。
它采用数字信号处理技术识别用户信号的DOA,或者是主波束方向。
根据不同空间用户信号传播方向,提供不同空间通道,有效克服对系统干扰。
自适应天线主要用于数字通信系统。
1.3 智能天线的发展历程90年代以来,阵列处理技术引人移动通信领域,很快形成了一个新的研究热点一智能天线。
智能天线应用广泛,它在提高系统通信质量、缓解无线通信日益发展与频谱资源不足的矛盾、以及降低系统整体造价和改善系统管理等方面,都具有独特的优点。
最初的智能天线技术主要用于雷达、声纳、军事抗干扰通信,用来完成空间滤波和定位等。
近年来,随着移动通信的发展及对移动通信电波传播、组网技术、天线理论等方面的研究逐渐深人,现代数字信号处理技术发展迅速,数字信号处理芯片处理能力不断提高,利用数字技术在基带形成天线波束成为可能,提高了天线系统的可靠性与灵活程度。
智能天线技术因此用于具有复杂电波传播环境的移动通信。
此外,随着移动通信用户数迅速增长和人们对通话质量要求的不断提高,要求移动通信网在大容量下仍具有较高的话音质量。
经研究发现,智能天线可将无线电的信号导向具体的方向,产生空间定向波束,使天线主波束对准用户信号到达方向DOA,旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。
同时,利用各个移动用户间信号空间特征的差异,通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰,使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。
在不增加系统复杂度的情况下,使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。
实际上它使通信资源不再局限于时间域(TDMA)、频率域(FDMA)或码域(CDMA)而拓展到了空间域,属于空分多址(SDMA)体制。
2 从多角度看智能天线技术随着智能天线技术的日趋成熟,其技术种类也开始分化,以下我们将从各种不同的技术角度来进行讨论。
2.1 模拟和数字智能天线技术首先,从大的技术类别来讲,智能天线技术可分为模拟智能天线技术和数字智能天线技术。
通常我们所讲的智能天线都是与软件无线电联系在一起的数字智能天线技术,而实际上早期的相控阵天线与较新的ESPAR天线都采用了模拟智能天线技术。
模拟智能天线技术是指那些无需对射频或变至中频或基带的模拟信号进行模数转换和数字处理,而直接对接收到的模拟信号操作,实现智能天线的功用。
这类天线通常比较简单,易于实现,成本也较低。
但由于没有将模拟信号数字化,因而很多数字域的信号处理方法都无用武之地,限制了信号处理的可能手段。
数字智能天线技术则指在射频或中频将模拟信号数字化,然后利用丰富的数字信号处理理论和发达的集成电路技术造就的DSP、FPGA或ASIC实现快速的数字波束形成(Digital Beam Forming,DBF)。
常用的波束形成算法主要有2种:非盲波束形成算法和盲波束形成算法。
非盲波束形成算法通过发送参考信号或训练序列来确定信道响应,然后根据一定的准则调整权值,常用的准则有MMSE(最小均方误差)、LMS(最小均方)和RLS(递归最小二乘)等。
而盲波束形成算法又分为2种,一种是依赖于波达方向(DOA)估计的盲波束形成算法,通过对接收到的阵列矢量信号的协方差矩阵进行分析,从而估计期望信源的方向。
如MUSIC(Multiple Signal Classification)法和ESPRIT(EstimatingSignalParametersviaRotationalInvarianceTechniques)法,两者均属于特征结构的子空间法,利用在阵元个数超过信源个数时,阵列数据的信号分量所在的低秩子空间能够唯一确定信号的波达方向的原理,通过奇异值分解精确确定波达方向。
另一种则是利用信道的信号处理模型和/或信号的性质估计期望信号方向向量的盲波束形成算法,如利用通信信号恒模特性的恒模算法和利用信号循环平稳性的盲处理算法。
前者要求确知天线的阵列流形,而且其应用效果与信道条件关系很大,通常要求每个信号只能有几个清晰的传输路径;后者则与信道的空间性质或天线的阵列校正无关。
2.2 多RF通道技术和单RF通道技术现代阵列信号处理多发生在中频(IF)或基带,因此天线和IF或基带之间信号幅度和相位的传递就要求十分准确。
于是传统阵列接收机都要求为每一个天线单元分配一个单独的射频(RF)通道,这就是多RF通道技术。