南京理工大学 天线与电波传播第七章
南理工电磁场与电磁波实验大纲及指导说明书要点
“电磁场与电磁波”课内实验大纲及实验指导书实验一电磁波参量的测定实验二电磁波的极化唐万春，车文荃编制陈如山审定南京理工大学通信工程系2006年12月实验一电磁波参量的测定实验1.实验目的a)观察电磁波的传播特性。
b)通过测定自由空间中电磁波的波长 ，来确定电磁波传播的相位常数k和传播速度v。
c)了解用相干波的原理测量波长的方法。
2.实验内容a)了解并熟悉电磁波综合测试仪的工作特点、线路结构、使用方法。
b)测量信号源的工作波长（或频率）。
3.实验原理与说明a)所使用的实验仪器分度转台晶体检波器可变衰减器喇叭天线反射板固态信号源微安表实验仪器布置图如下：波器用线图1 实验仪器布置图固态信号源所产生的信号经可变衰减器至矩形喇叭天线，在接收端用矩形喇叭天线接收信号，接收到的信号经晶体检波器后通过微安表指示。
b) 原理本实验利用相干波原理，通过测得的电磁波的波长λ， 再由关系式2,k v f kπωλλ===(1)得到电磁波的主要参量k ，v 等。
实验示意图如图2所示。
图中0r P 、1r P 、2r P 和3r P 分别表示辐射喇叭、固定反射板、可动反射板和接收喇叭，图中介质板是一23030()mm ⨯的玻璃板，它对电磁波进行反射、折射后，可实现相干波测试。
-L 0L 1L 2-L 3O图2 实验示意图当入射波以入射角1θ向介质板斜投射时，在分界面上产生反射波E -和折射波E '。
设入射波为垂直极化波，用R 表示介质板的反射系数，用T 分别表示由空气进入介质板再进入空气后的折射系数, R 与T 为复数。
另外固定的和可动的金属反射板的反射系数均为-1。
假设发射的平面波为：0jkl E E e +-=(2)分析时l 为在喇叭天线Pr0发射的波的传播方向上与相位参考零点所在的面之间的距离(有正、负值之分)，相位参考零点不妨选介质板的中心点。
忽略介质板与金属板之间的多次作用效应，则在反射板1与反射板2处的入射场E +与反射场E -可表示为：()[]1101011exp exp (2)l L l L E RE jkl E RE jk l L +=-==-=-- (3) ()[]2202022exp exp (2)l L l L E TE jkl E TE jk l L +=-==-=-- (4)它们在接收喇叭Pr3处的场为：[][]33011022exp (2)exp (2)l L l L E TRE jk l L E RTE jk l L -=--=-=--=-- (5)由于它们同频同极化，它们相干合成的场可写为[][]()()()()001231320312exp (2)exp (2)exp exp 2exp 21exp 2E E E TRE jk L L RTE jk L L TRE jkL jkL jkL A j k l --=+=------=---+-⎡⎤⎣⎦=+-∆⎡⎤⎣⎦(6)其中()()03121exp exp 2A TRE jkL jk L l L L =---∆=- (7)上述过程可以用图3来示意。
天线与电波传播第7-11章习题详解
假设接收天线在亮区内，若将地面视为平面地，则其接收点的场强可由式
E
=
⎛ 2 ⎜⎜⎝
245
PinG1 d
⎞ ⎟⎟⎠
sin
⎛ ⎜⎝
2π hshr λd
⎞ ⎟⎠
mV
m 计算
设接收点处 2πhs hr ≤ π ，此时要求 d ≥ 18hshr = 1.62km
λd 9
λ
3.1 因此，若发射天线和接收天线间的距离 d 大于 1.62km，则可用 E =
工作波长 λ = 2m 。假设电波是在自由空间中传播，在天线的最大辐射方向， r = 50km 处
有一 P 点，试计算： （l）P 点处的功率密度及电场场强的大小。 （2）若在 P 点处置一相同类型的接收天线，计算接收机在匹配条件下可能获得最大接收功 率。 （3）计算 P 点的自由空间传播损耗。
解：（1）由题知天线输入电流幅值 Iin = 5A ，输入电阻 Rin = 70Ω ，增益 Gt = 2 ，则天线的
⎞ ⎟⎠
mV
m
由 G1 = G2 = 30dB ，得： G1 = G2 = 1000
则 E = 50.86 mV m
接收天线处玻印廷矢量 S = E 2 = (0.05086)2 = 6.865×10−6
η
120π
天线与电波传播 第七至十一章 习题详解 李莉（编著）
此接收天线的有效接收面积为： Se
/
m
30
（3） f = 136MHz ，故 λ = 2.21m ; Gre = 1010 = 1000
信号功率：
Pre
=
⎛ ⎜⎝
λ 4π r
⎞2 ⎟⎠
PinGt Gre
=
微波技术和天线 第四版 刘学观
本章内容天线所接收的功率为λ2 2rtinr GGPP⋅=ππ44rlg 10in P L =)dB ()dB ()km (lg 20)MHz (lg 2045.32g r t rbf G G r f P −−++=结论若不考虑天线的因素，则自由空间的传输损耗，是球面波在传播的过程中，随着距离的增大能量自然扩散而引起的，它反映了球面波的扩散损耗。
《微波技术与天线》该损耗与电磁波的工作频率也成正比，频率愈高传输损耗愈大。
）dB (lg 10lg 10lg 10bf A L P P P P P P L rr r in r in b −=′−=′=前三项为自由空间损耗L bf ，A 为实际信道的损耗，不同的传播方式传播媒质信道的传输损耗是不同的《微波技术与天线》同的传播方式、传播媒质，信道的传输损耗是不同的。
最大时延τ为一般情况下，信号带宽不能超过，称之为容许带宽，即τ1Δ1=τf电波传播方向改变边缘绕射表面波爬行本节内容发天线高度分别为时相互能看见的距离为收、发天线高度分别为h 2 及h 1时相互能看见的距离，简称视距。
2. 视距公式修正，随着高度的增大，逐渐减小趋近于1，即r n ε=r εL >>>321n n n 当电波在大气层中依次通过每个薄层界面时，射线都将产生偏折。
衰减设收、发射天线高度分别为21E h 2 及h 1 ，间距为d ，为直射波，为反射波。
1θ2θE E E E +=E 为：21θθ⎪⎪⎧=−r f E E kr j 01e )(θθ接收点的场强为⎪⎪⎩⎨′′=′−r f RE E r k j 02e )(θθ其中式中，为反射点处反ϕj e R R =射系数，为天线方向函数。
)(θf ⎧′=θθ，此时路径因子为：⎟⎠⎞⎜⎝⎛=−=−λπd h h F d h h k 21/2j 2sin 2e 121此时路径因子为本节要点电离层概况在电离层信道中的传播辐射形成的。
电波传播理论(徐立勤)db07
《电波传播理论》
第7章 大气气体吸收损耗
吸收谱线的特点：
♥ 不同的气体具有不同的辐射和吸收谱线的，这是因为不同气体 要发生内能能级的跃迁需要不同大小的能量。 ♥ 气体分子能级的跃迁所要求的能量的大小，决定了气体能够辐 射或吸收的光子的频率的大小，也就是电磁波频率的大小。
♥ 一种气体可以有多个辐射和吸收频谱，这是因为气体可以具有 多种内能形式，不同的内能形式的能级跃迁要求不同的能量， 因此，气体可以辐射和吸收不同频率的光子和不同频率的电磁 波。
★ 在远离中心频率的地方，碰撞增宽频谱形状因子的降低比 多普勒增宽频谱形状因子的降低要慢得多，所以，在谱线 附近，固有增宽和多普勒增宽（热增宽）是占优势的，而 在谱线的远端两翼，碰撞增宽（压力增宽）是重要的。
★ 实际的气体分子的辐射和吸收频谱是多条谱线、多种增宽
效应叠加的总效果。
7-8
《电波传播理论》
♥ 不同的气体的谱线是有限的，谱线的数量取决定分子内能形式 的数量和能级跃迁方式的数量。 ♥ 吸收谱线实际上是个频带，均具有相当的频带宽度，而且谱线 的尾翼可以远离谱线的吸收频率。
7-6
《电波传播理论》
第7章 大气气体吸收损耗
增加谱线宽度的三个原因（物理过程）：
1. 由于气体的辐射或吸收光子的过程需要持续一定的时间，如同 脉冲辐射的过程，脉冲持续时间越短，则其占用的频谱将越宽， 这种物理原因形成的谱线宽度被称为固有宽度。 2. 由于运动的物体发射电磁波时，会出现所谓的多普勒频移现象， 而这种频率偏离正比于分子运动的速度。气体的分子总是处于 不停的热运动中，可以随机地具有不同的速度，因此其辐射的 多普勒频移是不一样的，以致产生谱线的一定增宽，这种增宽 被称为多普勒增宽。
电磁场天线与电波传播
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7. 天线的极化方向
定义： 天线向周围空间辐射电磁波，电磁波
由电场和磁场构成。规定电场的方向就是 天线极化方向。
天线的垂直极化：电场垂直于入射面
天线的水平极化：电场平行于入射面
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三、接收天线的特性
❖ 接收天线接收电磁波的过程
00
通常方向性系数指的是天线最大辐射方向上的方向
性系数，此时， F (1,1) 1
D
2
4
F 2 , sindd
00
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2）已知天线的辐射电阻和最大辐射方向的方向性函数， 求D
S1,1
1 2Z
E 2 1,1
SD P 4r 2
D S1,1 E 2 1,1 2r 2
90
E
180
0
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270
2）电流元在子午面内的方向性函数和方向性图：
f ( ) l sin
270
0
E
90
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180
天线的归一化方向性函数和归一化方向性图
➢ 归一化方向性函数： 天线辐射场与最大方向上的场强值之比。
F ( ,) E , / Emax , f , / fmax ,
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2．天线的方向性
天线的辐射场强与方向有关的特性，称为 天线的方向性。
以电流元为例：
E
j
60Il r
sin e jkr
H
j
Il
2r
sin e jkr
Er E H r H 0
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3-7-2Chebyshev Arrays 《天线与电波传播》课件
a1x1coskd b 1x1
1coskd
1coskd
If d 2 these constants become
ax11 bx11
2
2
If we specify the ratio of the main-beam maximum to
these polynomials also satisfy the relationship
Tn(co )scons
and when is complex
Tn(co)shconsh
e jx e jx cos x
2 cosh x chx ex ex
2
Similarly, upon using 4c3 o u s3 co u c so 3 uswe find that T 3 ( a b cu o ) 4 ( s a b cu o ) 3 3 s ( a b cu o ) s
If the beam null is placed at z then the corresponding value of u
Is uzkdcozsand x z is given by
x z a b cu z o a b s ck o d cs z o )(s
Now x z , the zero closest to one, is also given by Eq. (3.72) as
The Chebyshev polynomials are defined by the following relations:
T1(x ) x T2(x) 2 x2 1 T3(x) 4 x3 3x T4(x) 8x4 8x2 1
南京理工大学天线及电波传播PPT课件
10.3.2 短波天线传播工作频率的选 择
• 频率太高，虽然电离层的吸收小，但电波容易穿出电离层； • 频率太低，虽然能被电离层反射，但电波将受到电离层的强烈吸收。 • （1）不能高于最高可用频率(fMUF)
• fMUF与电离层的电子密度及电波入射角有关。N越大， fMUF越高 • 电波频率为最高可用频率时，可能电波穿出电离层。
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视距距离的意义
• 实际的视距传播应满足亮区条件。否则绕射损失会加大电波传播的总损耗。
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2.天线的等效高度
H1,H2不等时，如何确定d1和d2则比较复杂，通常需要查表 第67页/共76页
3.球面地的扩散因子
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11.2 对流层大气对 视距传播的影响
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• 2）不能低于最低可用频率(fLUF) 保证所需的信噪比的频率为fLUF，由电离层的吸收、噪声决定。 晚上fLUF低，白天高 最佳工作频率fowF
• 3）日频、夜频
fOWF 85% fMUF
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10.3.3 短波天波传播的几个主要问题
1. 衰落现象严重
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E层能反射几 兆赫兹的电波。
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F层空气极其 稀薄，电子密 度最大，碰撞 概率低。
10.1.2 电离层变化规律
电离层是一种随机的，色散的，各向异性的半导电 媒质。它的参数如电子密度、分布高度、电离层厚度等 都是随机量。
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1.电离层的规则变化
• 位置变化
D层突然吸收现象（时 间较短,平均几分钟）
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太阳风，速度约几百上千 km/s，到达地球需要30小 时左右。带电粒子流的空 间分布范围较窄。 电子密度下降的影响是本 来F2层反射的电磁波，被 穿透，造成信号中断。
天线与电波传播的部分课后习题答案
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。
5、解：（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:（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：如图所示，这是一个4元均匀直线阵，，，，d=0.25λ。
在通用直线阵阵因子图形中取下本题对应的图形如下：（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：（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。
阵因子为：元因子为：则H面的方向函数为:H面的方向图为：2。