天线与电波传播宋铮习题答案.doc

1、1第 一 章 习 题 参 考 答 案 （ 仅 供 参 考 ） 1. 解 ： 电 基 本 振 子 放 置 于 Z 轴 上 ， 其 空 间 坐 标 如 右 图 所 示 。? （ 1） 辐 射 场 的 传 播 方 向 为 径 向 ； 电 场 方 向 为 ； 磁 场 方 向 为 ； （ 注 ：这 里 表 示 的 是 电 基 本 振 子 的 远 区 辐 射 场 ）（ 2） 电 基 本 振 子 辐 射 的 是 线 极 化 波 。（ 3） 过 M 点 的 等 相 位 面 是 一 个 球 面 ， 所 以 远 区 辐 射 场 是 球 面 波 ； 又 因 为与 成 正 比 ， 则 球 面 波 又 是 非 均 匀

2、的 。（ 4） M 点 的 电 场 与 磁 场 之 间 有 如 下 关 系 ：（ 5） 从 电 基 本 振 子 的 远 区 辐 射 场 表 达 式 可 见 ：与 电 流 大 小 、 空 间 距 离 及 电 长 度 以 及 子 午 角 有 关 。（ 6） 从 电 基 本 振 子 辐 射 场 的 表 达 式 可 知 ：当 时 ， 电 场 有 最 小 值 ； 当 时 ， 电 场 有 最 大 值 ； 磁 场无 方 向 性 。 （ 注 ： 也 可 以 用 电 磁 场 的 方 向 图 来 说 明 。 ）（ 7） 电 基 本 振 子 的 E 面 和 H 面 的 方 向 图 如 下 图 所 示 。25、 解

3、： （ 1） 电 基 本 振 子 的 归 一 化 方 向 函 数 为 ：因 为 是 指 主 瓣 最 大 值 两 边 两 个 零 辐 射 方 向 之 间 的 夹 角 。 由 此 可 知 ：? ? 取 ， 则 。 因 为 是 指 主 瓣 最 大 值 两 边 场 强 等 于 最 大 值 0.707 的 两 个 辐 射 方 向 之 间的 夹 角 。 由 此 可 知 ：? ? 取 ， 则 。（ 2） 磁 基 本 振 子 的 E 面 图 为 电 基 本 振 子 的 H 面 图 ， H 面 图 为 电 基 本 振 子 的E 面 图 。 所 以 ， 其 和 的 计 算 过 程 于 电 基 本 振 子 的 类

4、似 ， 从 略 。8、 解 ： 本 题 考 察 对 半 功 率 点 波 瓣 宽 度 的 理 解 。 因 为 ， 所 以； 从 图 上 可 以 看 出 点 是 半 功 率 点 ， 其 场 强 大 小 为 ：， 其 中 为 的 场 强 。由 于 场 强 与 成 正 比 ， 则 的 场 强 是 点 场 强 的， 即 。 故 有 。10、 解 ： 已 知 天 线 1 的 ， ； 天 线 2 的 ，。（ 1） 由 可 得 ：3（ 2） 由 可 得 ：（ 3） 由 可 得 ：? ? ? ? ? ? 14、 解 ： 接 收 天 线 的 有 效 接 收 面 积 为将 ， 代 入 ， 则 可 得 。29、 解

5、： 如 图 所 示 ， 这 是 一 个 4 元 均 匀 直 线 阵 ，, ,d=0.25。 在 通 用 直 线 阵 阵 因 子 图 形 中 取 下 本 题 对 应 的 图 形 如 下 ： 4（ 1） 先 求 E 面 (yoz)方 向 图 , ,因 为 相 邻 阵 元 之 间 的 相 位 差 为式 中 为 射 线 与 z 轴 夹 角 。阵 因 子 为 ：元 因 子 为 :则 E 面 的 方 向 函 数 为 ：则 E 面 的 方 向 图 为 ：5（ 2） 再 求 H(xoy)面 方 向 图 , 因 为 相 邻 阵 元 之 间 的 相 位 差 仍 为式 中 为 射 线 与 x 轴 夹 角 。阵 因

6、子 为 ：元 因 子 为 ： 则 H 面 的 方 向 函 数 为 ：H 面 的 方 向 图 为 ：2.5.1 第 7 题 简 述 蝙 蝠 翼 电 视 发 射 天 线 的 工 作 原 理 。答 案 要 点 ： （ 1） 蝙 蝠 翼 天 线 由 水 平 对 称 振 子 天 线 排 列 组 成 ， 朝 空 间 辐 射 水 平 极化 波 ， 以 满 足 电 视 广 播 信 号 的 要 求 ； （ 2） 两 幅 蝙 蝠 翼 在 空 间 正 交 布 置 ， 构 成旋 转 场 天 线 ， 以 获 得 在 水 平 平 面 的 全 向 特 性 ； （ 3） 各 振 子 沿 传 输 线 两 侧 水平 放 置 ，

7、中 间 馈 电 处 振 子 较 短 ， 而 两 侧 短 路 端 振 子 较 长 ， 以 获 得 宽 频 带 阻 抗 特 性 ，满 足 电 视 信 号 发 射 的 带 宽 要 求 。62.5.2 第 8 题 怎 样 提 高 直 立 天 线 的 效 率答 案 要 点 ： 有 三 种 办 法 ： （ 1） 加 顶 负 载 ， 如 在 鞭 状 天 线 的 顶 端 加 小 球 、 圆 盘和 辐 射 叶 ； （ 2） 加 电 感 线 圈 ； （ 3） 降 低 损 耗 电 阻 ， 改 善 地 面 的 电 性 质 ， 常用 的 有 埋 地 线 、 架 设 平 衡 器 等 。2.5.3 第 14 题 天 线 与

8、 馈 线 连 接 有 什 么 基 本 要 求 ？答 案 要 点 ： 天 线 与 馈 线 之 间 连 接 时 要 考 虑 两 个 问 题 ： （ 1） 阻 抗 匹 配 ， 以 保证 具 有 最 大 的 能 量 传 输 效 率 ； （ 2） 平 衡 馈 电 ， 以 保 证 天 线 方 向 图 的 对 称 性 。2.5.5 第 15 题 简 述 U 形 管 平 衡 -不 平 衡 变 换 器 的 工 作 原 理 ？答 案 要 点 ： U 形 管 平 衡 器 是 一 段 长 度 为 /2 的 同 轴 线 ， 天 线 的 两 臂 都 接 在 内导 体 上 ， 因 而 可 以 实 现 对 地 的 平 衡 ；

9、 又 因 为 接 入 点 相 距 /2， 对 地 的 电 位 正好 是 反 相 的 ， 所 以 天 线 两 臂 上 的 电 流 大 小 相 等 ， 是 一 个 对 称 分 布 。 4.5.1 3.3.1 第 1 题 说 明 行 波 天 线 与 驻 波 天 线 的 差 别 和 优 缺 点 。答 案 要 点 ： （ 1） 行 波 天 线 上 电 流 的 分 布 呈 行 波 状 态 ； 驻 波 天 线 上 电 流 的 分 布 呈驻 波 状 态 ； （ 2） 行 波 天 线 的 等 效 模 型 为 终 端 接 匹 配 负 载 的 传 输 线 ， 输 入 端 阻 抗近 似 为 纯 阻 性 的 特 性 阻

10、 抗 ， 且 不 随 频 率 而 变 ， 因 而 具 有 宽 频 带 特 性 ；（ 3） 驻 波 天 线 的 等 效 模 型 为 终 端 开 路 的 传 输 模 型 ， 输 出 阻 抗 与 电 长 度 有 关 ， 因为 随 频 率 变 化 剧 烈 ， 属 于 窄 带 天 线 ； （ 4） 行 波 天 线 的 输 入 功 率 有 相 当 一 部 分会 被 匹 配 负 载 吸 收 ， 因 而 比 驻 波 天 线 的 效 率 低 。4.5.2 第 1 题 简 述 等 角 螺 旋 天 线 的 非 频 变 原 理 。答 案 要 点 ： （ 1） 等 角 螺 旋 天 线 由 两 个 螺 旋 臂 构 成 ，

11、 每 个 螺 旋 臂 的 边 缘 线 都 是 等角 螺 旋 线 ， 属 于 一 种 角 度 天 线 ， 它 的 结 构 仅 仅 由 角 度 决 定 ； （ 2） 当 工 作 于一 个 频 率 时 ， 在 等 角 螺 旋 天 线 上 有 一 个 对 应 的 工 作 区 域 ， 起 主 要 辐 射 作 用 ， 是 该频 率 点 的 有 效 辐 射 区 ， 在 它 后 面 的 区 域 电 流 迅 速 衰 减 到 20dB 以 下 ， 当 工作 频 率 发 生 改 变 时 ， 这 个 有 效 辐 射 区 会 向 前 或 向 后 移 动 ， 使 得 它 的 辐 射 性 能 基 本保 持 不 变 ， 从

12、而 保 证 了 非 频 变 特 性 。4.5.2 第 2 题 简 述 对 数 周 期 天 线 宽 频 带 工 作 原 理 。答 案 要 点 ： （ 1） 对 数 周 期 天 线 由 排 列 在 集 合 线 上 的 若 干 根 对 称 振 子 天 线 组 成 ，振 子 的 长 度 、 半 径 以 及 振 子 的 间 距 都 按 同 一 比 例 系 数 变 化 ， 且 接 近 与1； （ 2） 当 工 作 于 一 个 频 率 时 ， 在 天 线 阵 面 上 有 一 个 有 效 辐 射 区 ， 该 区 域 后 面 的电 流 迅 速 减 小 ， 符 合 电 流 截 断 效 应 的 要 求 ， 当 工

13、作 频 率 发 生 变 化 时 ， 这 个 有 效 辐射 区 会 前 后 移 动 ， 但 辐 射 区 的 电 尺 寸 基 本 保 持 不 变 ， 从 而 使 得 电 特 性 也 维 持 基 本不 变 ， 保 证 了 对 数 周 期 天 线 的 非 频 变 特 性 。6.7.1 第 1 题 何 谓 惠 更 斯 元 ？ 它 的 辐 射 场 及 辐 射 特 性 如 何 ？答 案 要 点 ： （ 1） 在 分 析 面 天 线 的 辐 射 场 时 ， 通 常 将 面 天 线 的 辐 射 问 题 转 化 为 口径 面 的 二 次 辐 射 。 因 为 口 径 面 上 存 在 着 电 场 和 磁 场 分 量

14、， 根 据 惠 更 斯 原 理 ， 将 口径 面 分 割 成 许 多 面 元 ， 这 些 面 元 就 称 为 惠 更 斯 元 或 者 二 次 辐 射 源 。 由 惠 更 斯 元 的辐 射 长 之 和 就 可 以 得 到 口 径 面 的 辐 射 场 。 惠 更 斯 元 的 辐 射 场 可 以 看 作 是 由 等 效 电流 元 和 等 效 磁 流 元 的 辐 射 场 构 成 的 。 其 E 面 和 H 面 的 辐 射 场 由 相 同 的 形 式 ，即 ：7E 面 和 H 面 方 向 图 具 有 相 同 的 形 状 。6.7.2 第 7 题 口 径 相 位 偏 差 主 要 有 哪 几 种 ？ 它 们

15、 对 方 向 图 的 影 响 如 何 ？答 案 要 点 ： 口 径 的 相 位 偏 差 主 要 有 三 种 类 型 ： （ 1） 直 线 律 相 位 偏 差 ；（ 2） 平 方 律 相 位 偏 差 ； （ 3） 立 方 律 相 位 偏 差 。直 线 律 相 位 偏 差 相 当 于 一 个 平 面 波 倾 斜 投 射 到 平 面 口 径 上 ， 会 带 来 最 大 辐 射 方 向的 偏 移 。 平 方 律 相 位 偏 移 相 当 于 一 个 球 面 波 或 柱 面 波 投 射 到 平 面 口 径 上 ， 会 带 来零 点 模 糊 、 主 瓣 展 宽 、 主 瓣 分 裂 以 及 方 向 系 数 下

16、 降 ， 是 天 线 设 计 中 应 该 极 力 避 免的 。 立 方 律 相 位 偏 移 会 产 生 最 大 辐 射 方 向 的 偏 转 ， 而 且 还 会 导 致 方 向 图 不 对 称 ，在 主 瓣 一 侧 产 生 较 大 的 副 瓣 。6.7.3 第 18 题 对 旋 转 抛 物 面 天 线 的 馈 源 有 哪 些 基 本 要 求答 案 要 点 ： （ 1） 源 应 该 具 有 确 定 的 相 位 中 心 ， 并 且 此 相 位 中 心 应 该 置 于 抛 物 面天 线 的 焦 点 ， 以 使 口 径 上 得 到 等 相 位 分 布 ； （ 2） 馈 源 方 向 图 的 形 状 应 该

17、 尽量 符 合 最 佳 照 射 ， 同 时 副 瓣 和 后 瓣 尽 量 小 ， 因 为 它 们 会 使 得 天 线 的 增 益 下 降 ， 副瓣 电 平 抬 高 ； （ 3） 馈 源 应 该 具 有 较 小 的 体 积 ， 以 减 小 对 抛 物 面 口 径 的 遮 挡 ；（ 4） 馈 源 应 该 有 一 定 的 带 宽 ， 它 决 定 了 抛 物 面 天 线 的 带 宽 。9.5.1 第 1 题 为 什 么 地 面 波 传 播 会 出 现 波 前 倾 斜 现 象 ？ 波 前 倾 斜 的 程 度 与 那 些因 素 有 关 ？ 为 什 么 ？答 案 要 点 ： 波 前 倾 斜 现 象 是 指 由

18、 于 地 面 损 耗 造 成 电 场 向 传 播 方 向 倾 斜 的 一 种 现 象 。当 一 个 垂 直 极 化 的 电 磁 波 沿 着 地 面 向 前 传 播 时 ， 会 在 地 面 上 感 应 出 电 荷 ， 这 些 电荷 随 着 电 波 向 前 移 动 时 形 成 感 应 电 流 ， 而 地 面 是 一 种 半 导 电 媒 质 ， 有 一 定 的 电 阻 ，故 会 在 传 播 方 向 上 会 产 生 电 压 降 ， 也 即 在 传 播 方 向 上 产 生 新 的 电 场 分 量 ， 这 个 电场 分 量 和 原 来 的 垂 直 分 量 合 成 以 后 ， 就 形 成 了 向 传 播 方

19、 向 倾 斜 的 电 场 ， 即 波 前 倾斜 。 通 常 ， 地 面 的 介 电 性 越 强 （ 电 导 率 约 小 ） ， 波 前 倾 斜 现 象 约 严 重 ， 导 电 性 越强 （ 电 导 率 越 大 ） ， 波 前 倾 斜 现 象 越 小 。9.5.2 第 2 题 当 发 射 天 线 为 辐 射 垂 直 极 化 波 的 鞭 状 天 线 时 ， 在 地 面 上 和 地 面 下接 收 地 面 波 时 ， 各 应 用 何 种 天 线 比 较 合 适 ？ 为 什 么 ？答 案 要 点 ： 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

20、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 。10.5.1 第 1 题 何 谓 临 界 频 率 ？ 临 界 频 率 与 电 波 能 否 反 射 有 何 关 系

21、？答 案 要 点 ： 当 电 波 垂 直 向 上 发 射 时 ， 能 够 从 电 离 层 反 射 回 来 的 最 高 频 率 成 为 电 离层 的 临 界 频 率 。 临 界 频 率 反 映 了 电 波 能 够 垂 直 反 射 的 最 高 频 率 ， 当 超 过 该 频 率 时 ，电 波 将 穿 出 电 离 层 ， 不 会 反 射 回 来 。10.5.2 第 7 题 在 短 波 天 波 传 播 中 ， 频 率 选 择 的 基 本 原 则 是 什 么 ？ 为 什 么 在 可能 的 条 件 下 频 率 尽 量 选 择 的 高 一 些 ？答 案 要 点 ： （ 1） 最 高 可 用 频 率 fMUF

22、。 由 于 白 天 的 电 子 密 度 大 ， 夜 间 的 电 子密 度 小 ， 所 以 工 作 频 率 的 上 限 也 是 白 天 高 ， 夜 间 低 ， 另 外 通 信 距 离 越 远 ， 工 作 频8率 的 上 限 也 可 以 高 一 些 。（ 2） 最 低 工 作 频 率 fLUF。 工 作 频 率 越 低 吸 收 就 越 严 重 ， 由 于 白 天 电 子 密 度 大 ，吸 收 也 大 ， 所 以 白 天 的 最 低 工 作 频 率 要 高 一 些 。（ 3） 我 们 通 常 会 把 频 率 选 择 得 高 一 些 ， 以 减 小 衰 减 ， 但 也 不 能 就 把 频 率 设 在 最高 工 作 频 率 上 ， 通 常 我 们 把 工 作 频 率 设 定 在 最 高 工 作 频 率 的 85%。（ 4） 由 于 最 高 工 作 频 率 在 一 天 之 中 是 变 化 的 ， 那 么 电 台 最 好 也 能 够 在 一 日 之 内的 不 同 时 段 选 择 不 同 的 工 作 频 率 。 （ 5） xiexie