1、電波傳播與天線考試試題1. 簡述天線的功能及接收天線的接收物理過程。（分數：5）答：（1）天線的任務：是將發射機輸出的高頻電流能量（導波）轉換成電磁波輻射出去，或是將空間電磁波信號轉換成高頻電流能量送給接收機。（2）接收的物理過程為：接收天線工作的物理過程是，接收天線導體在空間電場的作用下產生感應電動勢，并在導體表面激起感應電流，在天線的 輸入端產生電壓，在接收機回路中產生電流。所以接收天線是一個把空間電磁波能量轉換成高頻電流能量的轉換裝置，其工作過程就是發射天線的逆過程。2. 為什么引向天線的有源振子常用折合振子，引向天線的引向器和反射器怎么區分？（分數：10）答：（1）原因：由于振子間的相

2、互影響，引向天線的輸入阻抗往往比半波振子的降低較多，很難于同軸線直接匹配。加之同軸線是非對稱饋線，給對稱振子饋電時需要增加平衡變換器，而平衡變換器又具有阻抗變換作用，進一步將天線輸入阻抗變小，這樣就更難實現阻抗匹配。實驗證明，有源振子的結構與類型對引向天線的方向圖影響較小，因此可以主要從阻抗特性上來選擇合適的有源振子的尺寸與結構，工程上常常采用折合振子，因為它的輸入阻抗可以變為普通半波振子的K倍（k>1）。其中反射器稍長于有源振子，引向器稍短于有源振子。（2）引向天線的引向器和反射器的區分：在該天線中，其反射能量作用的稍長于有源振子的無源振子稱為反射器；其引導能量作用的較有源振子稍短的無

3、源振子叫引向器。即當振子“2”的電流相位領先與振子“1”90度時 ，即I2 = I1 時，振子“2”的作用好像把振子“1”朝它方向輻射的能量“反射”回去，故振子“2”稱為反射振子（或反射器）。如果振子“2”的饋電電流可以調節，使其相位滯后于振子“1”90度時 即I2 = I1 ，則其結果與上面相反，此時振子“2”的作用好像把振子“1”向空間輻射的能量引導過來，則振子“2”稱為引向振子（或引向器）。3. 簡述行波天線和駐波天線的差別和優缺點。（分數：5）答：（1）駐波天線上的電流按駐波分布，或稱諧振天線，其輸入阻抗具有明顯的諧振特性，因此天線的工作頻帶較窄，但增益較高。（2）行波天線上的電流按行

4、波分布，由于行波天線工作于行波狀態，頻率變化時，輸入阻抗近似不變，方向圖隨頻率的變化也較緩慢，因此頻帶較寬。但是行波天線的寬頻帶特性是用犧牲增益來換取的。4. 什么是縫隙天線？基本縫隙天線的場輻射特點是什么？（分數：5）答：（1）縫隙天線：在波導或空腔諧振器上開出一個或數個縫隙以輻射或接收電磁波的電線城為縫隙天線。（2）基本縫隙天線的場輻射特點：最基本的縫隙天線是由開在矩形波導壁上的半波諧振縫隙構成的。由電磁場理論，對TE10波而言，在波導寬壁上有縱向和橫向兩個電流分量，橫向分量的大小沿寬邊呈余弦分布，中心處為零，縱向電流沿寬邊呈正弦分布，中心處最大；而波導窄壁上只有橫向電流，且沿窄邊均勻分布

5、。如果波導壁上所開的縫隙能切割電流線，則中斷的電流線將以位移電流的形式延續，縫隙因此得到激勵，波導內傳輸功率通過縫隙向外輻射，當縫隙與電流線平行時不能在縫隙區內建立激勵磁場，不能產生激勵而得到輻射。5. 簡述電波傳播研究內容及對象和幾種主要的電波傳播的特點。（分數：5）答：（1）研究內容：電波傳播研究是為了開拓利用電磁波頻譜。它研究的是研究對象：它是對無線電波傳播媒質特性的研究，研究媒質電特性對電波傳播的影響。（2）a.地面波傳播：傳播的信號質量好，但是頻率越高，地面對電波的吸收越嚴重。b.天波傳播 ：傳播損耗小，從而能以較小的功率進行可達數千千米的遠距離傳播。c.視距傳播：要求天線具有強方向

6、性并且有足夠高的架設高度，傳播中所受到的主要影響是視距傳播中的直射波和地面反射波之間的干涉。d.散射傳播：距離遠，抗毀性好，保密性強。6. 當發射天線為輻射垂直極化的鞭狀天線，在地面上和地面下接收時，各自應采用何種天線比較合適，解釋其原因？（分數：5）答：當采用垂直極化的鞭狀天線作為發射天線時，根據波前傾斜現象的原理，在地面上和地面下均可以接收信號。在地面上接收時，由于電場的垂直分量于水平分量，所以宜采用直立天線來接收；在地面下接收時，則電場的水平分量遠大于垂直分量，所以宜采用水平埋地天線接收。7.簡述天波傳播中的反射條件和電離層吸收特點。（分數：5）答：（1）天波傳播中的反射條件：電離層反射

7、點播的能力與電波頻率有關，在入射角。一定時，電波頻率越低，越易反射。在電波頻率一定時，入射角越大，越易反射。（2）電離層吸收特點：電離層的碰撞速率越大或者電子密度越大，電離層對電波的吸收就越大。電波頻率越低，吸收越大。8.為什么存在地面有效反射區？在其他條件都相同的情況下，有效反射區的大小和頻率關系如何？（分數：5）答：a.反射波射線有天線的鏡像點發出，根據電波傳播的菲涅爾區概念，反射波的主要空間通道是第一菲涅爾橢球體，而這個橢球體與地面相交的區域為一個橢圓，這就是有效反射區。反射面上只有有效反射區內的電流元對反射波起主要的貢獻。b.頻率越大，反射區越小。9.簡述地面移動通信中電波傳播特點及其

8、研究方法？（分數：5）答：（1）地面移動通信中電波傳播特點： a.主要傳播方式為視距傳播； b.基站較高，移動臺較低，且收發天線的空間相對位置一般是事變的； c.存在快、中等速度、慢衰落現象。（2）研究方法： a.建立在實驗基礎上的方法：Okumura方法、Lee方法； b.實驗和理論相結合的方法：GB/T14617.1-93天線與電波傳播結課論文院系：電氣信息工程 專業及班級：電信12-02姓名：黃爽學號：541201030216微 帶 天 線摘 要 隨著全球通信業務的迅速發展，作為未來個人通信主要手段的無線移動通信技術己引起了人們的極大關注，在整個無線通訊系統中，天線是將射頻信號轉化為無線

9、信號的關鍵器件，其性能的優良對無線通信工程的成敗起到重要作用。快速發展的移動通信系統需要的是小型化、寬頻帶、多功能(多頻段、多極化)、高性能的天線。微帶天線作為天線家祖的重要一員，經過近幾十年的發展，已經取得了可喜的進步，在移動終端中采用內置微帶天線，不但可以減小天線對于人體的輻射，還可使手機的外形設計多樣化，因此內置微帶天線將是未來手機天線技術的發展方向之一，但其固有的窄帶特性(常規微帶天線約為2%左右)在很多情況下成了制約其應用的一個瓶頸，因此設計出具有寬頻帶小型化的微帶天線不但具有一定的理論價值而且具有重要的應用價值，這也成為當前國際天線界研究的熱點之一。關鍵詞：微帶天線 寬頻帶 小型化

10、目 錄摘 要第一章 微帶天線在現代通信系統的應用特點第二章 微帶天線在現代通信系統的發展趨勢 第三章 微帶天線在現代通信系統的研究方向 第一章 微帶天線在現代通信系統的應用特點早在1953年箔尚(GADcDhamps )教授就提出利用微帶線的輻射來制成微帶微波天線的概念。但是，在接下來的近20年里，對此只有一些零星的研究。直到1972年，由于微波集成技術的發展和空間技術對低剖面天線的迫切需求，芒森(REMunson)和豪威爾(JQHowell)等研究者制成了第一批實用的微帶天線。隨之，國際上展開了對微帶天線的廣泛研究和應用。1979年在美國新墨西哥州大學舉行了微帶天線的專題目際會議，1981年

11、IEEE天線與傳播會刊在1月號上刊載了微帶天線專輯。至此，微帶天線已形成為天線領域中的一個專門分支，兩本微帶天線專輯也相繼問世，至今已有近十本書。可見，70年代是微帶天線取得突破性進展的時期；在80年代中，微帶天線無論在理論與應用的深度上和廣度上都獲得了進一步的發展；今天，這一新型天線已趨于成熟，其應用正在與日俱增。微帶天線的固有缺點就是阻抗頻帶窄，展寬頻帶是最困難也是最富有挑戰性的技術之一，隨著移動通信系統、全球定位系統(GPS)、衛星通信系統的發展，寬頻帶微帶貼片天線的研究己成為了非常熱門的課題，同時寬帶微帶貼片天線將逐漸向著小型化，簡單化同時具有多功能、多用途的方向發展。近年來，人們在微

12、帶貼片天線展寬頻帶方面做了大量的研究微帶天線的寬頻帶技術主要采用以下幾種方法實現。A.有空穴結構的寬帶微帶貼片天線。B.采用多層介質基片微帶天線的結構，將饋電網絡與天線貼片分別置于不同的介質基片上，這樣可以獲得寬頻帶的駐波比特性。C.U形縫隙結構的寬帶微帶貼片天線。當在貼片表面開不同形式的槽或是細縫時，切斷了原來的表面電流途徑，在天線等效電路中相當于引入了級聯電感。雖然國內外對上述微帶天線小型化技術展開了大量的研究，但是其中還是存在了很多問題，其中天線的性能如增益、帶寬與小型化及加工制作之間相互牽制，必須權衡利弊。隨著無線通信事業的飛速發展，微帶天線的尺寸與其它通信器件相比尺寸越來越大，顯得越

13、來越不相適應，因此要求進一步縮小微帶天線的尺寸，經過許多學者的研究，發展了各種各樣的縮小微帶天線的新方法，本節簡單介紹如下。A.加載短路探針通過與饋電接近的短路探針在諧振中引入耦合電容實現小型化B.采用高介電常數的材料基片從天線諧振頻率關系式可以看出諧振頻率與介質參數成反比，因此采用高介電常數(如陶瓷材料)基片可降低諧振頻率，從而減小天線尺寸。C.表面開槽。當在貼片表面開不同形式的槽或是細縫時，切斷了原來的表面電流途徑，在天線等效電路中相當于引入了級聯電感。雖然國內外對上述微帶天線小型化技術展開了大量的研究，但是其中還是存在了很多問題，其中天線的性能如增益、帶寬與小型化及加工制作之間相互牽制，

14、必須權衡利弊。微帶天線是在帶有導體接地板的介質基片上貼導體薄片而形成的天線。它一般利用微帶線或同軸線等饋線饋電，在導體貼片與接地板之間激勵起射頻電磁場，并通過貼片四周與接地板間的縫隙向外輻射。因此，微帶天線也可看作是一種縫隙天線。通常介質基片的厚度與波長相比是很小的，因而它實現了一維小型化，屬于電小天線的一類。另外，隨著技術的進步，現在許多手機天線都是采用曲折線型的微帶天線實現了手機天線的小型化。導體貼片一般是規則形狀的面積單元，如矩形、圓形或圓環形薄片等；也可以是窄長條形的薄片振子(偶極子)。由這兩種單元形成的微帶天線分別稱為微帶貼片天線和條帶振子天線。微帶天線的另一種形式是利用微帶線的某種

15、形變（如彎曲、直角彎頭等)來形成輻射，稱之為微帶線型天線，種天線因為沿線傳輸行波，又稱為微帶行波天線。微帶天線的第四種形式是利用開在接地板上的縫隙，由介質基片另一側的微帶線或其它饋線(如帶狀線)對其饋電，稱之為微帶行波天線，由各種微帶輻射單元可構成多種多樣的陣列天線，如微帶貼片陣天線，微帶振子陣天線，等等。微帶天線的分析方法有很多，但是大體上可以分為解析方法和數值方法兩大類。第一類方法基于圍繞貼片邊緣的等效磁流分布來計算輻射場，包括傳輸線模型（The transmission line model）、腔體模型（The cavity model）、多端網絡模型（Multiport Network

16、 Model）等。而第二類方法基于貼片和地板上的電流分布來計算輻射場，包括矩量法（method of moments）、有限元法（finite-element method）和時域有限差分法（finite-difference in time domain）等。天線問題的嚴格分析是一個電磁場邊值型問題，需要根據其邊界條件確定麥克斯韋方程的特解。因此微帶天線的嚴格分析將是非常復雜的，而通常根據微帶天線的實際特征做某些方面的假設和近似進而得出分析模型則不失為一種簡單有效的處理手段。由麥克斯韋方程的不同解法發展了多種分析微帶天線的解析方法，這里我們主要介紹以下三種模型，它們由于其簡單實用而在規則貼片

17、天線的分析中獲得了廣泛的應用。解析方法a.傳輸線模型傳輸線模型很簡單，并且有助于理解微帶天線的基本特性，因此首先介紹這種模型方法。在這種模型中，微帶貼片天線被視為場沿著橫向沒有變化而沿著傳輸線的延伸方向呈駐波分布的一個傳輸線諧振器。天線的輻射主要源自兩個開路終端的邊緣場，因此微帶天線被等效為兩個相距貼片長度的縫隙，其上分布有面磁流。利用矢量位函數便可由磁流計算出天線的遠場輻射和其它的電參數。盡管傳輸線模型易于使用，但是很多結構類型不能使用它來分析，這是因為它沒有考慮沿著與傳播方向正交的方向上場的變化。b.腔體模型 如果說傳輸線模型因為有場沿傳輸線橫向無變化的限制而只是微帶天線在一維下近似的話，

18、那么腔體模型就可以稱為二維近似。因為腔體模型基于一維電小的基本假設（即介質基片的厚度遠小于波長），將微帶貼片與地板之間的空間等效為上下是電壁而四周是磁壁的諧振空腔。在腔體中，場沿基片厚度方向保持不變，并且它是該等效的二維諧振器中所有諧振模式之和。天線的遠場輻射及其它電參數可以通過空腔四周的等效磁流來得到。c.多端網絡模型多端網絡模型實際上是腔體模型的一種拓展，在這種模型中，貼片被等效為一個具有多個端口分布在貼片四周的二維平面網絡。通過二維格林函數可以計算出該網絡的多端阻抗矩陣，再添加一個等效的邊緣導納網絡，便可以將邊緣場和輻射場聯系起來，然后利用分割方法計算出全局阻抗矩陣，由貼片四周的電壓分布

19、得到等效磁流分布，再由等效磁流計算出輻射場。利用等高線積分技術可以使其在不規則形狀的貼片天線中獲得應用。數值方法雖然以上介紹的解析方法具有簡潔性和較為明確的物理意義，但是它們不能用來分析任意形狀的微帶天線，同時微帶天線工程精確度的提高也對以上簡化模型分析方法提出了考驗。然而計算機技術的發展給微帶天線的分析帶來了新的思路，即依據微帶天線的電磁場邊值問題，將求解麥克斯韋微分方程轉化為利用計算機來求解矩陣代數方程。由此也產生了多種數值方法，它們各具有一些優缺點和適用性，這里我們僅介紹幾種典型的分析方法。a.矩量法矩量法分析微帶天線的基本思想是利用并矢格林函數建立關于微帶貼片和地板上的表面電流的積分方

20、程，然后利用函數展開法將此積分方程轉化為矩陣方程，利用計算機便可得出近似解。矩量法因為考慮了貼片周圍的物理邊界的邊緣場而具有較高的精度。b.有限元法 有限元法的原理是先將整個連續求解區域劃分為很多小的離散單元（如在二維結構中選取三角形單元，在三維結構中選取四面體單元等），在子域中將未知函數（如電磁場量、位函數或電流等）表示為子域基函數的插值，根據變分原理或迦略金方法便可建立一個關于未知函數展開系數的矩陣方程，利用計算機便可方便求解該代數方程。有限元法因為離散單元選擇的靈活性而具有模擬任意形狀的優點，但是其求解精度要受求解區域剖分精細程度的影響。c.時域有限差分法時域有限差分法的基本思想是把求解

21、空間進行離散化，并將麥克斯韋方程中的電磁場量進行時間和空間的離散化，由此將麥克斯韋微分方程轉化為關于電磁場量的時域差分方程。選取合適的場初值（或激勵源）和計算空間的邊界條件，便可以得到包括時間變量的麥克斯韋方程的四維數值解，通過離散傅里葉變換還可以得到三維空間的頻域解。時域有限差分法的優點是其離散比較簡單（空間網格大小一致、時間步長恒定），并且通過離散傅里葉變換可以方便的得到其在寬帶范圍內特性。但是其數值解的穩定性要受時間步長和空間步長的限制。第二章 微帶天線在現代通信系統的發展趨勢與普通微波天線相比，微帶天線有如下優點： (1)體積小，重量經； (2)平面結構，并可制成與導彈、衛星等表面相共

22、形的結構； (3)饋電網絡可與天線結構一起集成，適合于用印刷電路技術進行大批量生產； (4)能與有源器件和電路集成為單一的配件； (5)便于獲得圓極化，容易實現雙頻段、雙極化等多功能工作； (6)沒有作大的變動，天線既能很容易地裝在導彈、火箭和衛星。 (7)天線的散射截面較小； (8)稍稍改變饋電位置就可以獲得線極化和圓極化(左旋和右旋)。 (9) 微帶天線適合于組合式設計(固體器件，如振蕩器、放大器、混頻器、功分器、移相器、可變衰減器、調制器、開關等可以直接加到天線基片上)； (10)饋線和匹配網絡可以和天線結構同時設計和加工。 但是與通常的微波天線相比，微帶天線也有一些缺點： 1) 頻帶窄； 2) 有導體和介質損耗，并且會激勵表面波，導致輻射效率降低； 3) 功率容量較小，適用于中、小功率場合； 4) 性能受基片材料