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。采用多RF通道技术构造的智能天线系统结构虽然看似简单明了,但随着智能天线实用化需求的呼声越来越高,这种技术带来的问题也日益明显: (1)一个N单元的天线阵需要N个RF通道,因此,硬件复杂度和功耗大约是单天线系统的N 倍;
(2)系统成本高;
(3)多天线单元加多RF通道必然需要多馈线,也必然增大RF电路的复杂度,从而更容易引入噪声;
(4)难以实现小型化和集成。
而这些缺陷正是智能天线系统实用化过程中存在的最大障碍。为了解决这些问题,缩减RF 通道个数的技术开始展现其优势。
2. 3普通智能天线技术和多入多出(MIMO)技术
普通智能天线技术指的就是前文谈到的诸多智能天线技术,这些技术有一个共同的特点,那就是只在通信系统的一端进行智能天线设计,另一端则并未予以考虑。这样的智能天线系统利用空分复用原理,对时分复用和频分复用是一种十分有效的补充,大大提高了信道容量。
然而随后出现的MIMO(多入多出)技术则又更进一步,通过增加空间维数来增大系统容量。MIMO智能天线在发射端和接收端均采用多天线(或天线阵),见图3。假设发端有N个天线单元,收端有M个天线单元。信息流经过空时编码形成N个信息子流,再经由N个发射天线发射出去。接收端M个接收天线同时接收这N个信息子流,然后利用空时解码将这N个信息子流分离开来。MIMO的特点就在于,通过先进的空时编、解码处理,可实现各发射天线和接收天线之间的通道响应相互独立。于是,多发射天线和多接收天线之间就建立起多个共用同一频带的并行的空间通道,每个通道可以独立地传输信息。因此,多入多出智能天线能够在不增加带宽的情况下,成倍地提高通信系统的容量和频谱利用率。
图3 MIMO系统框图
假设收发天线之间的信道均为相互独立的瑞利衰落信道,并假设M、N均较大,那么信道容量可近似为C=[min(M,N))]B log2(ρ/2)。其中,B为信号带宽,ρ为接收端的平均信噪比。由该式可以看出,当功率和带宽固定时,MIMO系统的最大容量随较少一端天线数的增加而线性增加。而同样条件下的普通智能天线系统的容量,则只随天线个数的对数增加。比较而言,MIMO技术在增大系统容量方面的潜力就更加明显。
3 应用于移动通信的智能天线
随着近期移动通信的飞速发展和普及,用户数量急剧膨胀,传统的时分复用、频分复用和码分复用已经渐渐难以满足需要,现有的移动通信系统急待扩充容量,于是利用空分复用(SDM)技术的智能天线便成为一个研究热点。
将智能天线用于移动通信可带来如下好处:
(1)增大信道容量———通过空分复用来补偿时分、频分和码分的仍不能满足的对信道容量的需求;
(2)提高频谱效率;
(3)扩大基站覆盖范围;
(4)激励多波束以便同时跟踪多个目标;
(5)可对孔径抖动进行电补偿;
(6)减小时延扩展;
(7)减小多径效应的影响;
(8)降低邻道干扰———智能天线系统应用于移动通信时最重要的性能之一就是消除邻道干扰。邻道干扰是由使用同一组信道频率的通信设备同时发射信号时产生的。而通过直接将波束对准目标信号,将波束零点对准其他接收机,这样就能降低发送模式下的邻道干扰。在接收模式下,只要已知信号源的方位,就可以使用干扰抵消策略来降低邻道干扰;
(9)降低系统复杂度;
(10)降低误码率;
(11)降低通话中途断线的可能性。根据应用环境造成的增益、波束宽度和天线尺寸要求的不同,移动通信中的智能天线主要分为基站用智能天线和移动终端用智能天线。
3. 1基站用智能天线
以往的基站天线一般采用固定波束天线,天线方向图为扇形。当移动终端位于波束边缘时,就比较容易造成断线。而基站用智能天线多采用多波束天线,这样的天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户,在接收模式下抑制来自窄波束之外的信号,在发射模式下能使期望用户接收的信号功率最大,同时使窄波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小,甚至为零。
3. 2移动终端用智能天线
虽然近几年国内外的智能天线研究都十分火热,但绝大多数的讨论是针对基站用智能天线进行的。因为基站用智能天线安装在移动通信的基站上,其体积受到的限制比较小,因而天
线的一些机械参数,例如阵元个数、阵形安排、阵元间距及阵元尺寸等,都可以在较宽松的范围内进行设计,较易使天线达到预期的性能指标。而移动终端用智能天线的设计则相对非常困难。首先,手机的便携性限制了其体积,也就同时限制了天线的许多机械参数———阵元个数不能过多,阵元间距不能过大,阵形也受到一定限制。这就同时限制了天线的增益、指向性等性能。其次,智能天线的阵列性质使得天线后的RF处理电路很难简化,因为通常的阵列天线阵元个数就决定了RF电路的通道个数,即有N个阵元就需要N套相同的射频处理电路,而各射频通路的平衡性也很难实现,从而更加增大了中频和基带处理的难度。
国内外针对移动终端用智能天线所作的研究中,较突出的是日本ATR研究所研究的电激励单端口ESPAR天线,该天线巧妙利用各阵元之间的耦合,在天线上实现空间滤波,简化了RF 电路。
ESPAR天线结构如图4所示,天线为一个7单元λ/4单极阵子的六边形阵,其中只有中心阵元是有源阵子,其他6个阵元均为无源阵子,分别下接一个可变电阻,对称分布在以中心阵子为圆心、半径为λ/4的圆周上。天线的作用原理就是通过一种自适应算法改变每个阵元下可变电阻的阻值,从而改变天线的方向图,形成对准目标的波束和对准干扰的零点。
图4 ESPAR天线原理图
ESPAR天线由于只有一个有源阵子,因而只需一个RF端口,这大大简化了整个系统所需的RF电路。同时,该天线采用了模拟方法实现波束形成,也极大地降低了天线系统的成本,为将其应用于移动通信的移动终端提供了保障。但也正是由于ESPAR天线在天线处就利用耦合实现了空间滤波,中频接收到的只是单RF通道传送下来的信息,每个单元天线接收下来的信号经过混合之后,其幅度和相位信息均被丢失,故无法利用先进的矢量信号处理办法。
4 智能天线技术在3G中的应用
欧、日、美等国非常重视智能天线技术在未来移动通信方案中的地位与作用,已经开展了大量的理论分析研究,同时也建立了一些技术试验平台。欧州通信委员会在RACE计划中实施了第一阶段智能天线技术的研究,由德国、英国、丹麦和西班牙合作完成。日本的ATR 光电通信研究所研制了基于波束空间处理方式的多波束智能天线。而美国的ArrayComm公司和中国电信科学院信威公司也研制出应用于无线本地环路俘几均的智能天线系统。我国也早已将智能天线技术列人国家一通信技术主题研究的个人通信技术专项,许多专家和大学正在进行相关的研究。
4.1 智能天线在TD-SCDMA中的应用
WCDMA和CDMA2000都希望能在系统中使用智能天线技术,但由于其算法复杂度高,目前在IMT-2000家族中,只有一技术明确表示将在基站端使用智能天线。对于系统基站而言,智能天线技术在3G中的应用主要体现在两个方面,即基站的收和发,具体而言就是上行收与下行发。智能天线的上行收技术研究较早,因此也较为成熟。上行收主要包含全自适应方式和基于预波束的波束切换方式。在自适应方式中,可根据一定的自适应算法对空、时域处理的各组权值系数进行调整,并与当前传输环境进行最大限度的匹配,从而实现任意指向波束的自适应接收。全自适应方式在理论研究中具有很大的实用价值,但在实际工程中,由于全自适应算法的计算量大等因素而很不实用。在工程设计时,更感兴趣的是基于预波束的波束切换方式,因为波束切换中的各权值系数只能从预先计算好的几组中挑选,因此计算量、收敛速度等方面较全自适应方式有优势。然而在这种方式下由于智能天线的工作模式只能从预先设计好的几个波束中选择,因而它不能完全实现自适应性的任意指向,在理论上并不是最优的。实现基站智能天线下行发射难度相对较大,主要因为智能天线在设计波束时很难准确获知下行信道的特征信息。目前在这方面主要有下述两种方案。
(1)利用类似第二代移动通信的IS-95中的上行功率控制技术形成闭环反馈测试结构形式,也就是说基站通过正向链路周期性地向移动台发射训练序列,而移动台通过反向链路反馈信号,从而估计最佳正向链路加权系数。
(2)利用上行信道中提取的参数估计下行信道。这种方法实际上就是智能天线依靠从上行链路中提取的参数来对下行波束赋形,对于FDD方式,由于上下行频率间隔相差较大,衰落特性完全独立因而不能使用。但对于TDD方式,上下行时隙工作于相同频段,只要上下行的帧长较短,完全可以实现信道特性在这段转换时间内保持恒定。TD-SCDMA系统将一个10ms 的帧分裂成两个5ms的子帧,缩短了上、下行的转换时间。
TD-SCDMA系统综合了FDMA、TDMA、CDMA以及TDD模式中联合检测与智能天线等先进技术。其基本技术特征之一是在TDD模式下,采用周期性重复的时间帧传输基本的TDMA突发脉冲,通过周期性地切换传输方向,在同一载波上交替地进行上下行链路传输,在保证高频谱效率的同时,又获得了经济效益。
4.2 智能天线在WCDMA和CDMA2000中的应用
第三代系统被设计为一个可以提供相当高速的数据业务系统。但是,它们还是会像第二代系统那样受到空中信道质量的限制。标准化组织已经认识到智能天线在改善这个矛盾方面所起的作用,并且在已经出台的3G标准中制定了相关的条款。如WCDMA和CDMA2000都允许在上行和下行链路为每个移动用户分配专门的导频信道,但是要求使用智能天线系统。
对于WCDMA和CDMA2000系统而言,智能天线虽然是推荐配置,但是当今的一些WCDMA和CDMA2000的基站产品已经开始支持智能天线了。
5 结束语
智能天线技术的发展日益加快,应用前景日益广阔是不争的事实。在未来网络建设引人智能天线技术,将增加系统在空间上的分辨能力,从更高层次上提高系统对于无线频谱的利用率,提高网络容量。虽然智能天线技术带给软件无线电系统的优势是其他技术都难以取代的,但是智能天线也有一些本身无法解决的问题,如智能天线的实时自动校准和波束赋形的速度问题,以及由于智能天线的引人带来的设备复杂性问题等。因此,使用智能天线时,必须结合其他基带数字信号处理技术,如干扰抵消、联合检测和接收等。随着专用集成电路技术、微电子技术的发展和第三代移动通信系统标准的不断完善,智能天线技术将发挥它巨大的潜力和优势,未来的智能天线将是软件无线电技术、空时处理即矢量均衡技术、高性能高集成度技术和数字下变频技术等多种技术的综合应用。它不仅可以取消上下变频器,采用高集成度射频集成处理器直接对天线阵元接收的高频信号进行采样处理,还可借助软件无线电技术集多
种自适应算法于一身,使通信系统能够适应各种复杂的通信环境,移动用户兼容各种不同的体制和标准,从而完全实现通信智能化,并使智能天线的应用从基站端转向移动用户端成为可能,智能天线系统未来将向着数字化、集成化,适合宽带高速传输并能抑制多个干扰的方向发展。
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电波传播与天线考试试题 1.简述天线的功能及接收天线的接收物理过程。（分数：5） 答：（1）天线的任务：是将发射机输出的高频电流能量（导波）转换成电磁波辐射出去，或是将空间电磁波信号转换成高频电流能量送给接收机。（2） 接收的物理过程为：接收天线工作的物理过程是，接收天线导体在空间 电场的作用下产生感应电动势，并在导体表面激起感应电流，在天线的 输入端产生电压，在接收机回路中产生电流。所以接收天线是一个把空 间电磁波能量转换成高频电流能量的转换装置，其工作过程就是发射天 线的逆过程。 2.为什么引向天线的有源振子常用折合振子，引向天线的引向器和 反射器怎么区分？（分数：10） 答：（1）原因：由于振子间的相互影响，引向天线的输入阻抗往往比半波振子的降低较多，很难于同轴线直接匹配。加之同轴线是非对称馈线，给对称 振子馈电时需要增加平衡变换器，而平衡变换器又具有阻抗变换作用， 进一步将天线输入阻抗变小，这样就更难实现阻抗匹配。实验证明，有 源振子的结构与类型对引向天线的方向图影响较小，因此可以主要从阻 抗特性上来选择合适的有源振子的尺寸与结构，工程上常常采用折合振 子，因为它的输入阻抗可以变为普通半波振子的K倍（k>1）。其中反射 器稍长于有源振子，引向器稍短于有源振子。 （2）引向天线的引向器和反射器的区分：在该天线中，其反射能量作用的稍长于有源振子的无源振子称为反射器；其引导能量作用的较有源振子稍 短的无源振子叫引向器。即当振子“2”的电流相位领先与振子“1”90 度时，即I2 = I1e j90时，振子“2”的作用好像把振子“1”朝它方 向辐射的能量“反射”回去，故振子“2”称为反射振子（或反射器）。 如果振子“2”的馈电电流可以调节，使其相位滞后于振子“1”90度时 即I2 = I1e j90 ，则其结果与上面相反，此时振子“2”的作用好像把 振子“1”向空间辐射的能量引导过来，则振子“2”称为引向振子（或 引向器）。 3.简述行波天线和驻波天线的差别和优缺点。（分数：5） 答：（1）驻波天线上的电流按驻波分布，或称谐振天线，其输入阻抗具有明显的谐振特性，因此天线的工作频带较窄，但增益较高。（2）行波天线上的 电流按行波分布，由于行波天线工作于行波状态，频率变化时，输入阻 抗近似不变，方向图随频率的变化也较缓慢，因此频带较宽。但是行波 天线的宽频带特性是用牺牲增益来换取的。 4.什么是缝隙天线？基本缝隙天线的场辐射特点是什么？（分数：5）答：（1）缝隙天线：在波导或空腔谐振器上开出一个或数个缝隙以辐射或接收电
Harbin Institute of Technology 《电波传播》课实验报告 实验一：电磁波在自由空间传播损耗实验 姓名：王越 学号： 1160500318 班级： 1605501 同组同学：崔敬轩刘志成 指导教师：陈立甲 哈尔滨工业大学 2019年 3月 30日
实验题目：电磁波在自由空间传播损耗实验 1.实验目的：学习使用FEKO-WinProp软件进行电波传播仿真，熟悉 其Proman、Wallman和Aman等功能模块。建立简单的自由空间传播模型，仿真场分布和路径损耗。 2.实验内容： 1，安装FEKO软件，学习使用Winprop的电波传播仿真； 2，设置自由空间的仿真环境，设置天线的工作频率； 3，分别使用定向天线和全向天线仿真电场分布及路径损耗，作曲线图； 4，可用Matlab软件计算路径损耗，并作出曲线； 5，将Winprop的仿真结果与Matlab计算结果对比及分析。 3.实验背景及理论 发射机发射信号后，经过dm的传播，功率因为辐射而受到损耗，这种损耗称为路径损耗。路径损耗定义为有效发射功率与接收功率之间的差值。 路径损耗按有增益和无增益两种情况分别加以分析。 当在有增益的情况下，自由空间的路径接收功率为：
仿真时假定天线发射增益，接收增益均为1，即无增益条件下。可知路径损耗，matlab计算时选择使用经验公式 4.实验步骤： 1.打开ProMan,选择Data功能中的tropography,建立地面模型， 设置地面尺寸为20km*20km 2.保存建立的模型 3.新建工程，选择已保存模型，设置天线高度为1000m，天线 的工作频率为2000MHZ,天线位置为（0，0，0） 4.打开computation功能中的propagation：compute all计算仿 真模型 5.定向天线用Aman进行设计，天线增益为为17db 5.实验数据及理论分析 定向天线方向图
实验报告实验一测量线法测量线式天线输入阻抗 使用仪器型号和编号： （1）同轴测量线：型号（TC8D ）和编号（051 ）； （2）信号发生器：型号（XBT ）和编号（860234 ）； （3）选频放大器：型号（XF-01 ）和编号（820591 ）； （4）被测天线负载组别（第4组）； 一．波导波长测量（采用交驻读数法） (1)测量读数 L1A =(111.17 )mm; L2A =(121.35 ) mm; LminA =(116.26 )mm; L1B =(162.90)mm; L2B =(190.1)mm; LminB =(176.50)mm; = 2| LminA - LminB |= (120.48) mm; 频率换算f = （2.49）GHz； (2) 测量读数 L1A =(66.08)mm; L2A =(90.56) mm; LminA =(78.32)mm; L1B =(125.00)mm; L2B =(150.68)mm; LminB =(137.84)mm; = 2| LminA - LminB |= (119.05 ) mm; 频率换算f = （2.52）GHz； (3) 测量读数 L1A =( 133.64 )mm; L2A =( 138.98 ) mm; LminA =( 136.31 )mm; L1B =( 192.18 )mm; L2B =( 199.72 )mm; LminB =( 195.95 )mm; = 2| LminA - LminB |= ( 119.28 ) mm; 频率换算f = （ 2.515 ）GHz； (4)计算平均值 g = (119.60) mm; 换算频率f = （2.508）GHz； 二．绘画晶体管定标曲线
现代通信技术实验的研究与实践 吴建伟,刘奕彤,桑 林,孙 礼 (北京邮电大学信息与通信工程学院,北京 100876) 摘 要:现代通信技术是信息通信类本科专业主干课程,理论教学与实验教学的良好结合能够更好地体现该课程的特色,针对基于全程全网实验平台的建设,探讨了实验设计思路、教学重点与难点、实验组织形式与指导方法、考核内容与方法,讨论了该新型实验教学的创新特点。关键词:信息通信类本科;实验教学体系;现代通信技术;教学改革 中图分类号:G 642.423 文献标志码:B 文章编号:100224956(2010)0320184204 Research and practice of the experiments for modern communication technology Wu Jianwei ,Liu Y itong ,Sang Lin ,Sun Li (School of Information and Communication Engineering ,Beijing University of Posts and Telecommunications ,Beijing 100876,China ) Abstract :Modern communication technology is the backbone course of information and communication https://www.doczj.com/doc/5c16136755.html,bination of theory and practice can better reflect the characteristics of the course.Based on the construc 2tion of the whole 2network experimental platform ,experimental design ideas ,teaching focal points and difficult points ,experimental forms of organization and instruction methods ,and assessment content and methods are described.The new innovative features of experimental teaching are discussed. K ey w ords :information and communication class undergraduate ;experimental teaching system ;modern com 2munication technology ;teaching reform 收稿日期:2009212212 作者简介:吴建伟(1968— ),男,山东省龙口市人,硕士,高级工程师,实验中心副主任,主要从事通信类专业实践教学与研究. 1 背景介绍 信息与通信技术的迅猛发展,给学术界和产业界都带来了巨大的挑战[1]。为适应现代通信技术融合化、网络化的发展趋势,培养“具有创新精神和实践能力的高级专门人才,发展科学技术文化,促进社 会主义现代化建设”[2],北京邮电大学自2002年起 在本科通信工程专业和电子信息工程专业设置《现代通信技术》课程,其指导思想是以全程全网为主线,打造具有鲜明特色的通信类主干课程,构建关于现代通信网及关键技术的、系统科学的知识体系和认知平台。 迄今为止,《现代通信技术》课程已在北邮通信工程和电子信息工程专业共8届本科生中完整开设,成效显著,对学生全面掌握通信的基本概念及未来发展方向,树立大通信、大网络的全程全网思想起到了关键 作用,获得学生的普遍好评。课程组编写的主讲教材 被列入北京市高等教育精品教材、普通高等教育“十一五”国家级重点规划教材[3]。 围绕《现代通信技术》理论课的教学,设立了“现代通信技术实验”,编写了与之配套的实验指导教材。通过建设具有国内领先水平的、尽可能体现实际通信网环境特点的全程全网通信专业实验室,开设了专项通信技术实验、系统测试实验、虚拟实验、自选实验等实验项目,实验受益面每年约700人。其中专项通信技术实验设置了9个方面48个实验项目,包括光通信、微波通信、卫星通信、移动通信、程控交换、多媒体通信、计算机通信、天线与电波传播、射频测量等,教学内容紧密结合实际通信技术应用,包含有演示型、验证型、综合型、设计型、研究型和创新型实验等,构成了面向现代通信技术的多层次实验教学体系[425]。如下页图1所示。 2 实验环节设计思路 通信工程、电子信息工程等通信类专业对实验教 ISSN 1002-4956CN11-2034/T 实 验 技 术 与 管 理Experimental Technology and Management 第27卷 第3期 2010年3月 Vol.27 No.3 Mar.2010
天线与电波传播理论论文 关于微带天线 姓名：何探
学号：3090731126 班级：通信09-1班 指导教师：X月红 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2%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。本论文的主要工作是概述微带天线。 一微带天线的发展历程 早在1953年箔尚(G．A．DcDhamps )教授就提出利用微带线的辐射来制成微带微波天线的概念。但是，在接下来的近20年里，对此只有一些零星的研究。
直到1972年，由于微波集成技术的发展和空间技术对低剖面天线的迫切需求，芒森(R．E．Munson)和豪威尔(J．Q．Howell)等研究者制成了第一批实用的微带天线。随之，国际上展开了对微带天线的广泛研究和应用。1979年在美国新墨西哥州大学举行了微带天线的专题目际会议，1981年IEEE天线与传播会刊在1月号上刊载了微带天线专辑。至此，微带天线已形成为天线领域中的一个专门分支，两本微带天线专辑也相继问世，至今已有近十本书。可见，70年代是微带天线取得突破性进展的时期；在80年代中，微带天线无论在理论与应用的深度上和广度上都获得了进一步的发展；今天，这一新型天线已趋于成熟，其应用正在与日俱增。 二微带天线的结构与种类 微带天线是在带有导体接地板的介质基片上贴导体薄片而形成的天线。它一般利用微带线或同轴线等馈线馈电，在导体贴片与接地板之间激励起射频电磁场，并通过贴片四周与接地板间的缝隙向外辐射。因此，微带天线也可看作是一种缝隙天线。其典型结构如图2.1所示 （a）微带贴片天线（b）微带振子天线
电波传播与天线专业 本专业旨在培养具有坚实数学物理基础，掌握现代电子信息科学技术的基本理论、基本知识和实验技能，能运用计算机等现代工具对无线电系统及信息获取进行分析、设计和综合应用的高级专门人才。 电波传播与天线（Electromagnetic wave propagation and antenna） 开设院校 序号主管部门学校名称专业代码专业名称修业年限学位 69教育部武汉大学080635S电波传播与天线四年理学 95教育部成都电子科技大学080635S电波传播与天线四年工学 101教育部西安电子科技大学080635S电波传播与天线四年工学 注：专业代码加有“S”者为在少数高校试点的目录外专业。 专业综合介绍 成都电子科技大学 修业年限及授予学位：四年、工学学士 本专业以国家重点学科“电磁场与微波技术”为支撑。本专业拥有包括中科院院士林为干教授为代表的学科中坚力量，老中青相结合，梯队结构合理的高水平师资队伍。本专业旨在培养具有坚实的电波传播与天线工程应用能力的高层次专业人才。 主干课程：信号与系统、电磁场理论、电波传播、电磁波散射、天线原理与设计、微波技术基础、电路分析基础、模拟电路基础、数字逻辑设计及应用、微机原理及接口技术、电磁场数学方法、阵列天线分析与综合、自适应天线、天线与微波测量、数字信号处理、随机信号分析等。 毕业走向：继续深造；到信息电子、航空、航天、船舶、电信等工业部门和国防科研院所从事相关科学研究、技术研发、技术应用、技术管理和教学等工作。 武汉大学 本专业应用近代物理学和电子信息科学的基本理论、方法和实验手段，主要研究电磁波的辐射、传播、散射及其在通信、雷达、遥感、导航等领域中的应用。本专业是我国电波科学人才培养的摇篮，培养具有坚实数学物理基础，掌握现代电子信息科学技术的基本理论、
天线基本知识试题 1、天线的基本作用是什么？ 转成为自由空间的电磁波，将传输线中的高频电磁能转成为自由空间的电磁波，或反之将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能。因此，的电磁波转化为传输线中的高频电磁能。 2、天线的基本结构形式是什么？天线的工作带宽是如何确定的？它的物理本质是什么？ 天线的基本结构是两根长度大于波长的电流增加形成较强辐射导线天线的工作宽带是在规定的驻波比下天线的工作频带宽度决定的驻波比下天线的工作频带宽度决定的。天线的工作宽带是在规定的驻波比下天线的工作频带宽度决定的。它的物理本质是张开并且长度相当于波长的两导线载入方向相同的交变电流产生相同方向感应电动势产生较强辐射。流产生相同方向感应电动势产生较强辐射。 4、天线的极化是如何定义的？它可分为哪几种极化不同的天线？ 天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向。可分为双极化天线，天线辐射的电磁场的电场方向就是天线的极化方向。可分为双极化天线，圆极化天线，垂直极化天线，水平极化天线，度倾斜的极化、圆极化天线，垂直极化天线，水平极化天线，+45 度倾斜的极化、-45 度倾斜的极化天线 5、天线的方向图表明了天线的什么特性？3dB 波束宽度及 10dB 波束宽度是如何定义？ 天线的方向图表明了天线的方向性的特性 3dB 天线的方向性的特性。天线的方向图表明了天线的方向性的特性。波束宽度是主瓣两半功率点度的波瓣宽度，间的夹角为 60 度的波瓣宽度，10dB 波束宽度是主瓣两半功率点间的夹角为 120 度的波瓣宽度。度的波瓣宽度。 6、为了使天线辐射的方向性更强即波束的方向图更窄，我们通常采用什么方法来改变天线辐射的方向性，它的物理原理是什么？ 一般说来，为了使天线辐射的方向性更强即波束的方向图更窄，一般说来，为了使天线辐射的方向性更强即波束的方向图更窄，我们通常采用提高天线的增益来改变天线辐射的方向性，采用提高天线的增益来改变天线辐射的方向性，它的物理原理是主瓣波束宽度越窄，天线增益越高。可将对称振子组阵控制辐射能，或使用反射面等方法。越窄，天线增益越高。可将对称振子组阵控制辐射能，或使用反射面等方法。使用的是改变磁场、光反射等物理原理。使用的是改变磁场、光反射等物理原理。 7、天线的前后比是如何定义的？前后比与水平瓣宽的关系? 方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比，水平瓣宽的宽度越窄，方向图中，前后瓣最大电平之比称为前后比，水平瓣宽的宽度越窄，前后比越大。比越大。当旁瓣电平及前后比正常的情况下，当旁瓣电平及前后比正常的情况下，可用下式近似表示 8、天线的上副瓣及下副瓣的零点对网络覆盖产生什么影响？ 上副瓣零点易形成跨区干扰，下副瓣零点易形成塔下黑。上副瓣零点易形成跨区干扰，下副瓣零点易形成塔下黑。 9、什么是天线的增益？天线的增益与天线的水平波束宽度及垂直波束宽度有什么关系？在移动通信应用中，天线的增益越高越好，这句话对吗？ 天线的增益是指在输入功率相等的条件下，天线的增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想天线的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比及功率比。元在空间同一点处所产生的场强的平方之比及功率比。增益了垂直面上的覆盖的边界，影响着信号穿透建筑物时衰减的变化。增益一般与天线方向图有关，的边界，影响着信号穿透建筑物时衰减的变化。增益一般与天线方向图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高，既水平波束宽度越窄，方向图主瓣越窄，后瓣、副瓣越小，增益越高，既水平波束宽度越窄，增益越垂直波束宽度越宽，增益越高。
########学院 2010—2011学年第二学期网络教育期末考试试卷 《天线与电波传播理论》课程（A 卷） 题号 一 二 三 四 五 总分 分数 得分 评卷人 一、填空题：（每空1分，共20分） 1、与可见光一样，红外线是一种 波，人体辐射的红外线波长约为10μm ，频率约为 赫兹。 2、单位换算： (1) 103.8 KHZ= HZ= MHZ ； (2) 0.725 MHZ= HZ= KHZ ．。 3、半波振子的方向函数为 ，方向系数为 。 4、Maxwell 提出的 电流的概念，使在任何状态下的电流都可保持连续，并且指明 电流和 电流是产生涡旋磁场的源。 5、坡印廷矢量的大小代表 ，其单位为 ，其方向代表 ，瞬时坡印廷矢量的表达式为 。 6、任一线极化波都可分解为两个振幅 、旋向 的圆极化波，任一圆极化波都可分解为两个振幅 、相互 且相位 的线极化波。 二、单项选择题：（每小题2分，共20分） 1. 我国的卫星通信技术拥有自主知识产权，在世界处于领先地位.在北京发射的信号通过通信卫星会转到上海被接收.实现这种信号传递的是( ) A.超声波 B.次声波 C.声波 D.电磁波 2. 关于电磁波的传播，以下说法正确的是（ ） A ．只能在真空中传播 B ．在水中不能传播 C ．可以在很多介质中传播 D ．只能在空气中传播 3．微波炉中不能使用金属容器，这主要是因为（ ） A ．金属易生锈，弄脏炉体 B ．金属容易导电，造成漏电事故 C ．微波能在金属中产生强大的电流，损坏微波炉 D ．金属易传热 ，使炉体温度过高 4．下列说法正确的有（ ） A ．频率越低的电磁波的波长越短 B ．频率越高的电磁波传播速度越快 C ．频率越低的电磁波传播速度越快 D ．频率越高的电磁波的波长越短 5. 在2003年4月的伊拉克战争中，美英联军在战争中使用电子干扰取得了很好的效果，争取到了战争的主动权，电子干扰具体地说就是（ ） A ．对敌方发射电磁波 B ．对敌方发射很强的电磁波 得分 评卷人
电磁波传播特性实验报告 Part1 电磁波参量的测量 一、实验目的 1、了解电磁波综合测试仪的结构，掌握其工作原理 2、利用相干波原理，测定自由空间内电磁波波长λ，确定电磁波的相位常数K 和波速v。 二、实验原理 1、自由空间电磁波参量的测量 当两束等幅，同频率的均匀平面电磁波，在自由空间内沿相同或相反方向传播时，由于相位不同发生干涉现象，在传播路径上可形成驻波场分布。本实验正是利用相干波原理，通过测定驻波场节点的分布，求得自由空间中电磁波波长λ值，再由 得到电磁波的主要参数K和v等。 电磁波参量测试原理如图1-1所示，和分别表示发射和接收喇叭天线，A和B分别表示固定和可移动的金属反射板，C表示半透射板（有机玻璃板）。由TP发射平面电磁波，在平面波前进的方向上放置成°角的半透射板，由于该板的作用，将入射波分成两束波，一束向A板方向传播，另一束向B板方向传播。由于A和B为金属全反射板，两列波就再次返回到半透射板并达到接收喇叭天线处。于是收到两束同频率，振动方向一致的两个波。如果这两个波的相位差为π的偶数倍，则干涉加强；如果相位差为π的奇数倍，则干涉减弱。 移动反射板B，当的表头指示从一次极小变到又一次极小时，则反射板B 就移动了λ/2的距离，由这个距离就可以求得平面波的波长。 设入射波为垂直极化波
当入射波以入射角向介质板C斜入射时，在分界面上产生反射波和折射波。设C板的反射系数为R，为由空气进入介质板的折射系数，为由介质板进入空气的折射系数。固定板A和可移动板B都是金属板，反射系数均为1?。在一次近似的条件下，接收喇叭天线处的相干波分别为 这里 其中，为B板移动距离，而与传播的路程差为2ΔL。 由于与的相位差为，因此，当2ΔL满足 和同相相加，接收指示为最大。 当2ΔL时满足 和反相抵消，接收指示为零。这里，n表示相干波合成驻波场的波节点数。
北邮电磁场与微波实验天线部分实验报告二
信息与通信工程学院电磁场与微波实验报告
实验二网络分析仪测试八木天线方向图 一、实验目的 1．掌握网络分析仪辅助测试方法； 2．学习测量八木天线方向图方法； 3．研究在不同频率下的八木天线方向图特性。 注：重点观察不同频率下的方向图形状，如：主瓣、副瓣、后瓣、零点、前后比等; 二、实验步骤: (1) 调整分析仪到轨迹（方向图）模式; (2) 调整云台起点位置270°； (3) 寻找归一化点(最大值点); (4) 旋转云台一周并读取图形参数; (5) 坐标变换、变换频率（f600Mhz、900MHz、1200MHz），分析八木天线方向图特性； 三、实验测量图 不同频率下的测量图如下： 600MHz：
900MHz：
1200MHz：
四、结果分析 在实验中，分别对八木天线在600MHz、900MHz、1200MHz频率下的辐射圆图进行了测量，发现频率是900MHz的时候效果是最好的，圆图边沿的毛刺比较少，方向性比较好，主瓣的面积比较大。 当频率为600 MHz的时候，圆图四周的毛刺现象比较严重，当频率上升到1200MHz时，辐射圆图开始变得不规则，在某些角度时出现了很大的衰减，由对称转向了非对称，圆图边缘的毛刺现象就非常明显了，甚至在某些角度下衰减到了最小值。 从整体来看，八木天线由于测量的是无线信号，因此受周围环境的影响还是比较大的，因此在测量的时候周围的人应该避免走动，以减小对天线电磁波的反射从而减小测量带来的误差使得圆图更接近真实情况。 由实验结果分析可知：最大辐射方向基本在90°和270°这条直线上，图中旁瓣均较小，及大部分能量集中在主瓣。 八木天线由于测量的是无线信号，因此受周围环境的影响还是比较大的，因此在测量的时候应当尽量保持周边环境参数一定，以减小对天线电磁波的反射从而减小测量带来的误差使得圆图更接近真实情况。 五、实验总结
1、与可见光一样，红外线是一种波，人体辐射的红外线波长约为10μm，频率约为赫兹。 2、单位换算： (1) 103.8 KHZ=HZ=MHZ； (2) 0.725 MHZ=HZ=KHZ．。 3、半波振子的方向函数为，方向系数为。 4、Maxwell提出的电流的概念，使在任何状态下的电流都可保持连续，并且指明电流和电流是产生涡旋磁场的源。 5、坡印廷矢量的大小代表，其单位为，其 方向代表 ，瞬时坡印廷矢量的表达式为。 6、任一线极化波都可分解为两个振幅、旋向的圆极化波，任一圆极化波都可分解为两个振幅、相互且相位的线极化波。 二、单项选择题：（每小题2分，共20分） 1. 我国的卫星通信技术拥有自主知识产权，在世界处于领先地位.在北京发射的信号通过通信卫星会转到上海被接收.实现这种信号传递的是() A.超声波 B.次声波 C.声波 D.电磁波 2. 关于电磁波的传播，以下说法正确的是（） A．只能在真空中传播B．在水中不能传播 C．可以在很多介质中传播D．只能在空气中传播3．微波炉中不能使用金属容器，这主要是因为（）A．金属易生锈，弄脏炉体 B．金属容易导电，造成漏电事故 C．微波能在金属中产生强大的电流，损坏微波炉 D．金属易传热，使炉体温度过高 4．下列说法正确的有（） A．频率越低的电磁波的波长越短 B．频率越高的电磁波传播速度越快 C．频率越低的电磁波传播速度越快 D．频率越高的电磁波的波长越短 5. 在2003年4月的伊拉克战争中，美英联军在战争中使用电子干扰取得了很好的效果，争取到了战争的主动权，电子干扰具体地说就是（） A．对敌方发射电磁波 B．对敌方发射很强的电磁波 C．对敌方发射频率很高的电磁波 D．对敌方发射与敌方电子设备工作频率相同的电磁波，施放反射电磁波的干扰波 6.对极化强度为的电介质，束缚体电荷密度为＿＿＿＿＿ A. B. C. D. 7. 是 A.左旋圆极化 B.左旋椭圆极化 C.右旋圆极化 D.右旋椭圆极化 8. 在两种不同介质（）的分界面上，电场强度的切向分量 A.总是连续的 B.总是不连续的 C.可能连续也可能不连续 D. ，时连续
信息与通信工程学院 电磁场与电磁波实验报告 题目：校园信号场强特性的研究 姓名班级学号序号薛钦予2011210496 201121049621
一、实验目的 1.掌握在移动环境下阴影衰落的概念以及正确的测试方法； 2.研究校园内各种不同环境下阴影衰落的分布规律； 3.掌握在室内环境下场强的正确测量方法，理解建筑物穿透损耗的概念； 4.通过实地测量，分析建筑物穿透损耗随频率的变化关系； 5.研究建筑物穿透损耗与建筑材料的关系。 二、实验原理 1、电磁波的传播方式 无线通信系统是由发射机、发射天线、无线信道、接收机、接收天线所组成。对于接受者，只有处在发射信号的覆盖区内，才能保证接收机正常接受信号，此时，电波场强大于等于接收机的灵敏度。因此基站的覆盖区的大小，是无线工程师所关心的。决定覆盖区的大小的主要因素有：发射功率，馈线及接头损耗，天线增益，天线架设高度，路径损耗，衰落，接收机高度，人体效应，接收机灵敏度，建筑物的穿透损耗，同播，同频干扰等。 电磁场在空间中的传输方式主要有反射﹑绕射﹑散射三种模式。当电磁波传播遇到比波长大很多的物体时，发生反射。当接收机和发射机之间无线路径被尖锐物体阻挡时发生绕射。当电波传播空间中存在物理尺寸小于电波波长的物体﹑且这些物体的分布较密集时，产生散射。散射波产生于粗糙表面，如小物体或其它不规则物体﹑树叶﹑街道﹑标志﹑灯柱。 2、尺度路径损耗 在移动通信系统中，路径损耗是影响通信质量的一个重要因素。大尺度平均路径损耗：用于测量发射机与接收机之间信号的平均衰落，即定义为有效发射功率和平均接受功率之间的（dB）差值，根据理论和测试的传播模型，无论室内或室外信道，平均接受信号功率随距离对数衰减，这种模型已被广泛的使用。对任意的传播距离，大尺度平均路径损耗表示为： ()[]()() =+（式1） 010log/0 PL d dB PL d n d d 即平均接收功率为： ()[][]()()()[]() =--=- Pr010log/0Pr010log/0 d dBm Pt dBm PL d n d d d dBm n d d （式2）其中，定义n为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速度，d0为近地参考距离，d为发射机与接收机之间的距离。公式中的横杠表示给定值d的所有可能路径损耗的综合平均。坐标为对数－对数时，平均路径损耗或平均接收功率可以表示为斜率10ndB /10 倍程的直线。n依赖于特定的传播环境，例如在自由空间，n为2；当有阻挡物时，n比2大。
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。
无线电波传播模型 与 覆盖预测 河北全通通信有限责任公司 工程部网络服务组 二0 0二年四月二十日
第一节无线传播理论 1.1 无线传播基本原理 在规划和建设一个移动通信网时，从频段的确定、频率分配、无线电波的覆盖范围、计算通信概率及系统间的电磁干扰，直到最终确定无线设备的参数，都必须依靠对电波传播特性的研究、了解和据此进行的场强预测。它是进行系统工程设计与研究频谱有效利用、电磁兼容性等课题所必须了解和掌握的基本理论。 众所周知，无线电波可通过多种方式从发射天线传播到接收天线：直达波或自由空间波、地波或表面波、对流层反射波、电离层波。如图1-1所示。就电波传播而言，发射机同接收机间最简单的方式是自由空间传播。自由空间指该区域是各向同性（沿各个轴特性一样）且同类（均匀结构）。自由空间波的其他名字有直达波或视距波。如图1-1（a），直达波沿直线传播，所以可用于卫星和外部空间通信。另外，这个定义也可用于陆上视距传播（两个微波塔之间），见图1-1（b）。 第二种方式是地波或表面波。地波传播可看作是三种情况的综合，即直达波、反射波和表面波。表面波沿地球表面传播。从发射天线发出的一些能量直接到达接收机；有些能量经从地球表面反射后到达接收机；有些通过表面波到达接收机。表面波在地表面上传播，由于地面不是理想的，有些能量被地面吸收。当能量进入地面，它建立地面电流。这三种的表面波见图1-1（c）。第三种方式即对流层反射波产生于对流层，对流层是异类介质，由于天气情况而随时间变化。它的反射系数随高度增加而减少。这种缓慢变化的反射系数使电波弯曲。如图1-1（d）所示。对流层方式应用于波长小于10米（即频率大于30MHz）的无线通信中。第四种方式是经电离层反射传播。当电波波长小于1米（频率大于300MHz）时，电离层是反射体。从电离层反射的电波可能有一个或多个跳跃，见图1-1（e）。这种传播用于长距离通信。除了反射，由于折射率的不均匀，电离层可产生电波散射。另外，电离层中的流星也能散射电波。同对流层一样，电离层也具有连续波动的特性，在这种波动上是随机的快速波动。蜂窝系统的无线传播利用了第二种电波传播方式。这一点将在后文中论述。 在设计蜂窝系统时研究传播有两个原因。第一，它对于计算覆盖不同小区的场强提供必要的工具。因为在大多数情况下覆盖区域从几百米到几十公里，地波传播可以在这种情况下应用。第二，它可计算邻信道和同信道干扰。 预测场强有两种方法。第一种纯理论方法，适用于分离的物体，如山和其他固体物体。但这种预测忽略了地球的不规则性。第二种基于在各种环境的测量，包括不规则地形及人为障碍，尤其是在移动通信中普遍存在的较高的频率和较低的移动天线。第三种方法是结合上述两种方法的改进模型，基于测量和使用折射定律考虑山和其他障碍物的影响。在蜂窝系统中，至少有两种传播模型，第一种是FCC建议的模型。第二种设计模型由Okumura提供，覆盖边
《电波与天线》课程教学大纲 课程编号：适用专业：通信工程 学时数：48 学分数：3 执笔者：编写日期：2006年3月 一、课程的性质和目的 《电波与天线》是通信及电子类专业学生的的一门很重要技术基础课，本课程着重介 绍有关天线与电波传播的基本理论。天线和电波传播特性对于无线通信、广播、定位和遥测等系统的正常工作具有很大的影响。例如，无线通信系统的传播距离不仅取决于发送设备的 输出功率、接收设备的接收灵敏度和信噪比，还取决于天线的性能和电波的传播特性。在研究电子产品的干扰和抗干扰性能及电磁环境特性时，都需要用到天线和电波传播的基础知 识。充分掌握这些内容，可以帮助其他相关课程（如通信、微波技术、电视技术）的学习。 二、课程的教学内容和学时分配 第一章电磁场理论基础（4学时） 1、矢量分析 2、麦克斯韦方程组 3、边界条件 4、正弦稳定状态下的场量 5、功率密度 6、无线电波的辐射 7、均匀平面波 8、惠更斯－费涅尔原理 第二章天线的特性参数（6学时） 1、辐射功率和辐射电阻 2、天线的方向性和增益 3、天线的有效长度 4、天线的有效孔径 5、天线系数 6、平衡不平衡转换 第三章点源和偶极子天线（4学时） 1、点源 2、电偶极子 3、磁偶极子 4、对称振子 第四章天线阵（4学时） 1、耦合阵子
2、方向性相乘原理 3、均匀直线式天线阵 第五章地面反射的影响（2学时） 1、镜像原理 2、理想导电地平面对对称振子地影响 3、多径效应 第六章测量领域的常用天线（4学时） 1、双锥天线 2、对数周期天线 3、喇叭天线 第七章通信领域的常用天线（6学时） 1、引向天线 2、移动台天线 3、地面台天线 4、微带天线 第八章电波传播基本理论（4学时） 1、电波传播模式 2、电波传播的费涅尔区 第九章电波传播模型（6学时） 1、自由空间传播模型 2、平面反射模型 3、球面绕射模型 4、大气对电波传播的影响 第十章电波在电离层中的传播特性（2学时） 1、电离层介绍 2、电波在电离层中的传播 第十一章移动通信的电波传播（2学时） 1、移动通信的电波传播特点 2、移动通信的电波传播特性的数学模型 第十二章移动通信电波传播特性的测量与仿真（4学时） 1、移动通信电波传播场强的测量 2、城市环境中电波传播特性的仿真和分析 三、课程教学的基本要求 本课程要求学生掌握电波的传播规律和天线的工作原理，覆盖了电、磁及电波传播方面的全部知识，结合实际应用来描述天线的特点和工程设计方法，在电波传播部分，加入了近
天线与电波传播实验报告级队区队学员姓名学号实验组别3同组人无实验日期实验成绩实验项目：双极天线方向图仿真实验 实验目的： 1.熟悉matlab 的使用。 2．加深对双极天线工作原理的理解； 3．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； 实验器材：计算机一台、matlab 软件。 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，研究双级天线的性质（这里主要指方向性）可以分两步进行。 1．对称振子的方向性 （1）电基本振子的远区辐射场 如果对称振子的电流分布已知，则由电基本振子的远区辐射场表达式沿对称振子几分，就可以得到对称振子的辐射场表达式。 电基本振子的远区（满足kr>>1，即πλ<<2r ）辐射场表达式如下：
?????????====θλπ=θλ=?θ-θ-?0E E H H e sin r Il 60j E e sin r 2Il j H r r jkr jkr （1-1） 式中： I——电基本振子的电流； l——电基本振子的长度； r——远区中一点到电基本振子的距离。 根据远区辐射场的性质可知，Eθ和Hφ的比值为常数（称为媒质的波阻抗），所以，在研究天线的辐射场时，只需要讨论其中的一个量即可。通常总是采用电场强度作为分析的主体。 （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，即非常接近于正弦驻波分布。 以振子中心为原点，忽略振子损耗，则细对称振子的电流分布为： ???≤+≥-=-=0 z )z l (k sin I 0z )z l (k sin I )z l (k sin I )z (I m m m （1-2） （3）对称振子的辐射场及方向函数
第六讲工程介质中电磁波的传播理论电磁波是交变电场与磁场相互激发在空间传播的波动。工程介质中电磁波的传播依然满足麦克斯韦方程。为清除地理解雷达检测理论基础，需要对介质中的电磁场、电磁波的传播、波速、衰减、反射与折射的理论有一个基本的了解。 6.1电磁场与电磁波传播方程 岩土、混凝土、钢筋、铁板等为常见的工程介质，前两者电导较小，后两者为良导体。在这些介质中电磁波传播的麦克斯韦方程为：▽×E=-μH t’ ▽×H=εE t’+σE ▽·E=0 ▽·H=0 通常介质的介电常数ε、磁导率μ都是电磁波频率的函数。式中E为电场强度矢量，H为磁场强度矢量，σ为介质的电导率。不失一般性，满足上述麦克斯韦方程的、沿X方向传播的频率为ω的平面电磁波，其电场强度与磁场强度的表达式为： E(x,t)=E o e-αx+i(βx-ωt) H(x,t)=H o e-αx+i(βx-ωt) 6.2电场、磁场与波矢量关系 电磁波是横波，电场强度E、磁场强度H和波矢量K三者互相垂直，组成右手螺旋关系。右手螺旋关系含义如下，四个手指并拢伸直指向电场方向，然后四指回握90° 指向磁场方向，大拇平伸则指向波的传播方向K。电磁波的电厂、磁场、与波矢量的关系如下土所示。在波的传播过程中其空间方向是固定不变的，即使是发生了反射与折射，也只是传播方向K发生变化，电场与磁场的方向依然不变。在空气中电场与磁场是同向位的，两者同时达到极大和极小值，电场强度与磁场强度的比值刚好等于电磁波速。在工程介质中因为有传导电流能量损失，电场与磁场的相位再不同步，磁场落后与电场一个相位，电导率越高，落后的相位越大。 6.3 介质中的电磁波速与能量衰减特性
天线与电波传播实验报告 08 级队区队学员姓名学号 实验组别 3 同组人实验日期2011.12.22 实验成绩 实验项目：行波天线方向图仿真实验 实验目的： 1．加深对行波天线工作原理的理解； 2．理解行波单导线的长度对天线方向性的影响； 3．了解菱形天线的参数选取。 实验器材： 1．计算机 2．MATLAB软件 实验原理阐述、实验方案： 一、实验原理 1．行波单导线的方向性 行波单导线是指天线上电流按行波分布的单导线天线。设长度为l 的导线沿z轴放置，如图2所示，导线上电流按行波分布，即天线沿线各点电流振幅相等，相位连续滞后，其馈电点置于坐标原点。设输入端电流为I0，忽略沿线电流的衰减，则线上电流分布为
'jk z 0e I )'z (I -= （2-1） z o R r kz cos θ??l dz ′ θ 图2 行波单导线及其坐标 行波单导线辐射场的分析方子相似法与对称振，即首先把天线分割成许多个电基本振子，而后取所有电基本振子辐射场的总和，故 ?θ-θθλ =l 0)cos 'z r (jk 'jk z 0 'dz e e sin r I 60j E )cos 1(2 k l j jk r 0e )]cos 1(2 kl sin[cos 1sin e r I 60j θ--θ-θ-θλ= （2-2） 式中，r 为原点至场点的距离;θ为射线与z 轴之间的夹角。由上式可得行波单导线的方向函数为 ) cos 1()]cos 1(2 kl sin[ sin )(f θ-θ-θ =θ （2-3） 根据上式可画出行波单导线的方向图如图3所示，由图可以看出行波单导线的方向性具有如下特点：
《电磁场与微波实验》 ——天线部分实验报告 姓名：王胤鑫 班级：08211108 序号：09 学号：08210224
实验一网络分析仪测量振子天线输入阻抗 实验目的: 1.掌握网络分析仪校正方法； 2.学习网络分析仪测量振子天线输入阻抗的方法； 3.研究振子天线输入阻抗随振子电径变化的情况。 实验原理： 当双振子天线的一端变为一个无穷大导电平面后，就形成了单振子天线。实际上当导电平面的径向距离大到0.2~0.3λ，就可以近似认为是无穷大导电平面。这时可以采用镜像法来分析。天线臂与其镜像构成一对称振子，则它在上半平面辐射场与自由空间对称振子的辐射场射相同。 由于使用坡印亭矢量法积分求其辐射功率只需对球面上半部分积分，故其辐射功率为等臂长等电流分布的对称振子的一半，其辐射电阻也为对称振子的一半。当h<<λ时，可认为R≈40错误！未找到引用源。。由于天线到地面的单位长度电容比到对称振子另一个臂的单位长度电容大一倍，则天线的平均特征阻抗也为等臂长对称振子天线的一半，为错误！未找到引用源。=60[ln(2h/a)-1]。
实验步骤: 1.设置仪表为频域模式的回损连接模式后，校正网络分析仪; 2.设置参数并加载被测天线，开始测量输入阻抗; 3.调整测试频率寻找天线的两个谐振点并记录相应阻抗数据； 4.更换不同电径（φ1，φ3，φ9）的天线，分析两个谐振点的阻抗变化情况; 设置参数：BF=600，?F=25，EF=2600，n=81； 测量图： 1mm天线的smith圆图
3mm天线的smith圆图 9mm天线的smith圆图
实验结果分析 通过3种不同直径的天线的smith圆图的测量，发现随着天线直径的增大，天线的阻抗特性变化越大，理想状态下天线的smith圆图应该是一个中心在正实轴某处的一个规则的圆，但实验结果发现9mm天线的smith圆图的阻抗特性非常不规则，随着频率的增高，其阻抗特性变化非线性。 被测天线的电径对天线的阻抗是基本不产生影响的，上述三图中阻抗有差别主要是因为三根阵子粗细不同因而对空间电磁场产生了一些影响导致了天线阻抗的变化，本质上是不影响的。 天线的电阻随着频率的变化是不断变化的，频率变化范围为600KHz到2600KHz，变化的趋势为——在前20个点基本不变，后面的点基本随着频率的增加电阻增加。随着频率的增大从负电抗变化到正电抗，每一个都有电抗零点。 心得体会 本次实验让我初步掌握了网络分析仪的使用方法，学会了用网络分析仪测量振子天线输入阻抗，并且了解了振子天线输入阻抗随振子电径的变化。通过本次实验让我了解到了许多知识，让我受益匪浅。