2023年天线原理课程知识点汇总及演示实验问题春II.doc

天线原理课程知识点汇总【A——了解，B——理解，C——掌握（深刻理解，纯熟应用）】
注意：带有 * 的内容不做规定
序号
内容
规定
说明
1.
【绪论】
收发天线的工作过程描述

A

2.
天线的概念，天线的基本功能，天线发射和接受的关系
A

3.
天线的分类，线天线和面天线的典型特性
A

4.
求解天线问题的实质
A

5.
【第1章基本振子与天线电参数】
基本振子的种类和结构特性

A

6.
天线分析所涉及的10个电参数
A
①可以列举出10个电参数
7.
运用矢量磁位求解电基本振子的辐射场
B
①坐标系系统、常用物理常数的数值和单位、电动力学和波的常用物理量
②不规定记忆在球坐标系下的矢量微分计算公式
8.
电基本振子的近区场（感应场）
A
①近区和远区的划分方法
②近区场表达式不规定记忆
9.
电基本振子的远区场（辐射场），近区场和远区场的关系
C
①规定掌握表达式（1-10）及性质
10.
磁基本振子的等效方法及特点
B
①磁基本振子和小电流环的关系
11.
广义麦克斯韦方程组、对偶关系
B
①在理解公式（1-16）的基础上增长理解：k、v、η的对偶
②广义麦克斯韦方程组表达式不规定记忆
12.
磁基本振子的远区场表达式、磁矩和电小环的关系、电小环的远区场
C
①可以根据电基本振子的辐射场表达式（1-10）写出（1-17），并结合（1-18、19）导出（1-21），规定掌握表达式（1-21）及性质
13.
方向图，E面和H面，归一化方向图
B
①了解功率方向图、场强方向图、相位方向图
②了解分贝这个单位
③会分析天线的E面和H面
④会根据表达式绘制极坐标系下和直角坐标系下的方向图
⑤了解2θ0（第一零值波瓣宽度，FNBW）、2θ0.5（半功率波瓣宽度，HPBW）、副瓣电平（SLL）、前后比（FBR）
14.
方向性系数
C
①了解无方向性天线（抱负点源）的概念
②会使用定义式（1-29）计算方向性系数D
③会推导D的计算式（1-37）
④公式（1-39）
⑤方向性系数的分贝表达
15.
有效长度、有效高度、归算电流
B
①公式（1-43）、（1-44）
②了解两种常见归算电流的选取方法（Im和Iin），知道其对天线有效长度计算的影响
16.
效率、增益、辐射电阻、损耗电阻
B
①公式（1-45）
②提高天线效率的方法
③公式（1-49），（1-53），理解G=Dη，知道输入功率和辐射功率的关系
17.
输入阻抗
A
①了解输入阻抗的组成及含义：公式（1-61）
18.
极化
A
①知道主极化（Co-Pol）和交叉极化（X-Pol）
19.
频带宽度
A
①可以列举出若干种电参数带宽
②了解阻抗带宽的典型指标（VSWR≤3、2、1.5、1.2）
③了解绝对带宽、相对带宽和比带宽的概念，并会计算
20.
互易定理*
B
①了解平面电磁波对电基本振子的作用原理*
21.
收发天线电参数的关系
B
①可以辨析收发天线电参数的概念
22.
接受天线的等效电路
B
①了解共轭匹配，会推导（1-80）*
23.
极化失配因子
C
①会计算线-线、线-圆、圆-圆极化情况下的极化失配因子
②椭圆极化分解问题不做规定
24.
有效面积
B
①公式（1-86）
②会运用有效面积公式推导Frris公式：（8-7），并知道该公式的应用条件
25.
等效噪声温度
A
①了解外部噪声的成分和波段
②公式（1-88）的物理意义
③如何提高信噪比
④可以区别天线的等效噪声温度和天线的物理温度
26.
【第2章 对称振子】
对称振子的结构特点和应用

A

27.
对称振子的电流分布
B
①会用公式（2-1）绘制对称振子的电流分布，并知道对称振子天线是一种驻波天线
②了解振子半径对电流分布的影响
28.
对称振子辐射场
B
①可以理解对称振子的辐射场是电基本振子辐射场的标量积分
②理解波程差对远区场幅度和相位的影响不相同
③公式（2-6~8）
④从阵元和阵因子角度理解对称振子辐射场
29.
对称振子的方向图
B
①了解对称振子的归一化方向图和不归一化方向图的区别
②可以从波的干涉的角度解释振子长度和方向图关系的规律
③了解短振子和电基本振子的联系和区别
④公式（2-15~18）
30.
对称振子的方向性系数
B
附表1
31.
对称振子的输入阻抗，平均特性阻抗，半波振子，全波振子，笼型振子
A
①了解等效传输线法，知道对称振子天线和终端开路线的差异
②了解平均特性阻抗Z0A的概念，了解振子直径和Z0A的关系，了解Z0A和有耗传输线衰减系数的关系，Z0A和输入阻抗的关系（图2-9）
③了解笼型振子的概念
④了解半波振子和全波振子的特点
32.
末端效应
A
①了解末端效应的概念及后果
33.
对称振子的馈电方法，λ/4扼流套平衡器，U形管平衡器，分流式平衡器，双线馈电
B
①了解平衡和匹配的概念
②了解常用传输线的特性阻抗参数
③理解三种常用同轴式平衡器的工作原理，会绘制它们的结构简图
④了解λ/4阻抗变换器和枝节调配，能绘制使用双线传输线馈电的对称振子天线
34.
【第3章 天线阵的方向特性】
天线阵的概念及分类，天线阵分析

A
①天线阵的阻抗特性不做规定
35.
二元天线阵，方向图乘法定理，常见的三种二元阵
C
①会结合图3-1推导公式（3-4~5）
②理解方向图乘法定理
③知道阵因子方向图是围绕天线阵轴线回转的图形，并能应用
④会推导常见的三种二元阵的阵因子，并可以绘制出大体图形
⑤能运用方向图乘法定理推导常见线天线组成的常见二元阵列的方向性函数，并能绘制出E面和H面等主平面的方向图
36.
均匀直线天线阵，通用方向图曲线，常见的均匀直线阵
C
①公式（3-32~34），图3-13
②附表2
③公式（3-38）
④能从z变换的角度理解离散阵的辐射场表达式*
37.
不出现栅瓣的条件
A
①知道d＜λ/2即可
38.
相控阵天线
A
①了解相控阵天线的基本原理：公式（3-38）
39.
地面对天线性能的影响，二次辐射
A
①了解二次辐射的概念和效果
40.
镜像法，等效的等幅二元阵列
C
①规定掌握无限大抱负导体平面上方的水平电流和竖直电流的镜像，掌握用边界条件判断电流镜像的方法*
②会用镜像法求解抱负地面影响的问题
③公式（3-77~78），图3-23~24的变化趋势
④会分析抱负地面上方的常见二元阵列的方向性函数，并能绘制指定平面的简图
41.
实际地面对天线性能的影响
A
①了解实际地面对天线影响的结果
42.
【第4章 常用线天线】
常用的线天线举例

A
①只规定了解5种常用线天线：水平振子、单极天线、引向天线、对数周期天线和螺旋天线
43.
水平对称振子
B
①水平对称振子的架设和馈电方法，了解公式（4-3）
②可以理解考虑了地面影响的水平振子的方向图的变化规律（从等幅反相二元阵的角度），公式（4-1~2）
③考虑了地面影响的水平振子的方向性系数D的变化
44.
直立振子
B
①了解不同波段时直立振子的结构
②公式（4-4~5）
③理解鞭天线的输入阻抗和方向性系数和双极天线的关系
④了解常见的提高鞭天线辐射效率的方法，图4-5
45.
引向天线
A
①了解八木-宇田天线名称的由来
②了解引向天线馈源的种类
③了解引向天线的工作原理
④有源振子、引向器和反射器在中心频点的阻抗特点
⑤反射器和引向器的尺寸选择
46.
半波折合振子
B
①可以根据图4-13解释半波折合振子天线的输入阻抗是半波振子天线的4倍
②可以解释半波折合振子的带宽要大于半波振子
47.
对数周期天线
A
①了解超宽带天线的概念，知道对数周期天线是一种超宽带天线
②了解对数周期天线的结构参数：周期律τ、周期lnτ
③集合线、交叉馈电
④传输区、辐射区、未激励区、对数周期天线各振子的相位关系
⑤对数周期天线的馈电方式与最大辐射方向
48.
螺旋天线
A
①知道螺旋天线是一种行波天线
②了解螺旋天线的结构
③了解螺旋天线的三种工作模式
④了解轴向模螺旋天线的工作原理，会根据螺旋线缠绕方式判断辐射的圆极化电磁波的旋向
49.
【第5章 面天线辐射基础】
常用面天线举例

A
①可以列举出常见的三种面天线
②知道面天线的基本结构
③了解近似法，知道该方法一般只合用于求解主瓣区域内的辐射场
50.
等效原理
A
①会写出公式（5-1）
51.
面元辐射
B
①会根据等效原理的公式（5-1）写出面元的等效电、磁流元表达式
②公式（5-11~14）
③知道面元的归一化方向性函数是一个回转体表面
52.
矩形口径均匀场
B
①公式（5-17），知道该公式是如何推导的
②知道口径的远区辐射场和口径场分布的相应关系：公式（5-18）
③知道面元的作用类似一个反射器
④知道矩形口径均匀场和均匀平面波的关系
⑤口径场和远区场的傅立叶变换关系*
⑥记住公式（5-26~28），并会应用
53.
矩形口径余弦场
A
①知道矩形口径余弦场的含义
②了解矩形口径余弦场的口径运用系数为8/π2≈0.81
③了解口径运用系数的含义
54.
圆形口径均匀场
A
①附表3
55.
口径场相差对辐射的影响
A
①附表4
56.
【第6章 常用面天线】
喇叭天线

A
①了解如下几种喇叭天线的基本结构：H面扇形喇叭，E面扇形喇叭，尖顶角锥喇叭，楔形角锥喇叭，圆锥喇叭
②了解喇叭天线的特点和用途
③例题1
57.
旋转抛物面天线
A
①旋转抛物面天线的结构
②旋转抛物面天线的工作原理
58.
卡塞格伦天线
A
①卡塞格伦天线的结构和用途
②卡塞格伦天线的工作原理
③卡塞格伦天线的优缺陷
59.
【第8章 天线测量】
天线测量的对象

A
①了解天线测量的对象：方向图、增益、阻抗
②天线测量的意义
60.
天线场区的划分
A
①知道近区、中区和远区的大体划分方法
②了解传统的天线测量属于远区测量
61.
最小测试距离——相位条件、横向幅度条件和纵向幅度条件
B
①会选择使用公式（8-3~4）
②公式（8-5），知道天线口径最大尺寸的计算方法（矩形对角线、圆形直径）
③例题2
④公式（8-6）
⑤会综合选择最小测试距离
62.
测试场地
A
①了解微波暗室的结构和基本原理
②知道高架天线测试法和斜天线测试法
63.
方向图测量
A
①了解固定天线法和旋转天线法的收发天线运动规律
②了解运用矢量网络分析仪、自动测试转台、辅助天线和计算机测试天线方向图的基本原理（附图1）
64.
增益测量
B
①了解比较法、两相同天线法和三天线法的应用条件和操作方法
65.
输入阻抗的测量
A
①了解矢量网络分析仪
②会根据矢量网络分析仪测试所得的S11参数计算输入阻抗：Zin=Z0(1+S11)/(1-S11)
66.
驻波比测量
A
①会根据矢量网络分析仪测试所得的S11参数计算驻波比：ρ=(1+|S11|)/(1-|S11|)

附表1常见天线的方向性系数
（电基本振子，磁基本振子，短振子，半波振子，全波振子，半波折合振子）
类型/参数
方向性函数
方向性系数
效率和增益
有效长度
辐射电阻
有效面积
极化
带宽
公式
（1-25）
（1-37）
（1-45）
（1-55）
（1-43）
（1-46）
（1-85）
——
——
电基本振子
|sinθ|
1.5
——
l

0.119λ2
电流方向
——
磁基本振子
|sinθ|
1.5
——
kS

0.119λ2
电流方向
——
短振子
|sinθ|
1.5
——
l
20(kl)4
0.119λ2
电流方向
——
半波振子

1.64
——

73.1Ω
0.13λ2
电流方向
较宽
全波振子

2.4
——

200Ω
0.19λ2
电流方向
窄
半波折合振子

1.64
——

4×73.1Ω
0.13λ2
电流方向
宽

附表2三种常见的均匀直线阵波瓣特性及方向性系数D（Nd＞＞λ）
注意：仅规定会排列顺序
类型/参数
FNBW
HPBW
1st SLL
D
边射阵

-13.5dB

普通端射阵

-13.5dB

强方向性端射阵

-9.5dB

附表3 口径场分布及其辐射特性
分布/参数
HPBW
1st SLL
D
ν
矩形Es=E0
51°λ/D
-13.2dB

1
矩形Es=E0cosπx/D
68°λ/D
-23dB

0.81
圆形Es=E0
58°λ/D
-17.7dB

1
附表4口径场相差对辐射的影响
偏差种类
对方向图的影响
直线率相位偏差
最大辐射方向偏移。
平方率相位偏差
零点模糊、主瓣展宽、主瓣分裂、方向性系数下降。
立方率相位偏差
最大辐射方向的偏转、方向图不对称、主瓣一侧产生较大副瓣。

【例题1】 在给定了增益和工作波长的情况下，设计由抱负导体制作的最佳喇叭天线的口径尺寸的求解过程如下：
（1）一方面拟定喇叭波导的尺寸a和b，请写出单模传输时a和b与波长l满足的关系：
a<l<2a
l>2b
（2）拟定了a和b以后，依次列写最佳喇叭所满足的两个关系式（不规定）：
①
②
（3）根据给定的增益G和工作波长l，结合最佳喇叭的口面运用系数ν就可以拟定Dx和Dy的关系式，请写出这个关系式：

（4）请写出ν的值：
ν=0.51

【例题2】 某圆锥喇叭天线A口面直径为20cm，工作波长为3.0cm，H面主瓣内的方向性函数可以用公式表达，φ以度为单位，取值范围|φ|≤5º。若采用该喇叭A作为发射天线，测试另一个口面直径为10cm的相同波段的圆锥喇叭B的方向图，请计算：
[1]仅满足相位条件（接受天线中心和边沿处的最大相差不超过π/8）的最小测试距离；
[2]仅满足幅度条件（接受天线中心和边沿处的最大幅度比不超过0.25dB）的最小测试距离；
[3]设发射天线A的发射功率为10mW，增益为23dB，不计线缆损耗，若接受天线B的口面运用系数为0.56，则B天线按照[1]、[2]拟定的最小测试距离摆放所能获得的最大接受功率是多少？
【解】
[1]
[2] ，|φ|≤5º，

事实上规定，得
[3]取rmin=687.5cm，

Pt=10mW=10×10-3W，
Gt=23dB=200，
ν=0.56

∴Pr=14.8 μW

附图1 运用矢量网络分析仪、自动测试转台、辅助天线和计算机测试天线方向图和增益的基本原理框图

演示实验问题汇总

1、微波暗室涉及吸取层和屏蔽层两部分组成，请回答这两部分是用什么材料实现的？
2、请分析一下微波暗室的吸取层的工作原理。
3、请简述微波暗室屏蔽层所使用的关键技术。
4、简述标准喇叭天线的结构，并说明它的增益与哪些因素有关。
5、我们所使用的微波暗室，收发天线之间的距离为5.4m，发射天线口径为25cm×20cm，工作频率为1-18GHz，接受天线口径为30cm×25cm，工作频率为0.5-5GHz，请问能否测试出接受天线上限工作频率的方向图，并说明理由。
6、采用矢量网络分析仪测试接受天线所收到的信号幅度，在不考虑馈线损耗的情况下，试推导收发天线的信号幅度比值。（已知条件为，信号频率f、收发天线距离r、各自增益Gt、Gr以及测试得到的S21幅度值|S21|。）
7、矢量网络分析仪测试所得到的天线的S11参数和电压驻波比（VSWR）的关系。
8、矢量网络分析仪测试所得到的天线的S11参数和天线输入阻抗Zin的关系。
9、（电磁场与无线技术专业学生答）某天线的辐射电场为，请说明该电场的极化形式，并推导出它的平均玻印廷矢量。
10、（电磁场与无线技术专业学生答）根据第9题，请回答出如何测试圆极化天线的增益。