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 = I1ej90 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 = I1ej90 ，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
磁波的电线城为缝隙天线。（2）基本缝隙天线的场辐射特点：最基本的缝隙天线是由开在矩形波导壁上的半波谐振缝隙构成的。由电磁场理论，对TE10波而言，在波导宽壁上有纵向和横向两个电流分量，横向分量的大小沿宽边呈余弦分布，中心处为零，纵向电流沿宽边呈正弦分布，中心处最大；而波导窄壁上只有横向电流，且沿窄边均匀分布。如果波导壁上所开的缝隙能切割电流线，则中断的电流线将以位移电流的形式延续，缝隙因此得到激励，波导内传输功率通过缝隙向外辐射，当缝隙与电流线平行时不能在缝隙区内建立激励磁场，不能产生激励而得到辐射。
5. 简述电波传播研究内容及对象和几种主要的电波传播的特点。（分数：5）
答：（1）研究内容：电波传播研究是为了开拓利用电磁波频谱。它研究的是３０
Ｈｚ－３０００ＧＨｚ．研究对象：它是对无线电波传播媒质特性的研究，研究媒质电特性对电波传播的影响。（2）a.地面波传播：传播的信号质量好，但是频率越高，地面对电波的吸收越严重。b.天波传播：传播损耗小，从而能以较小的功率进行可达数千千米的远距离传播。c.视距传播：要求天线具有强方向性并且有足够高的架设高度，传播中所受到的主要影响是视距传播中的直射波和地面反射波之间的干涉。d.散射传播：距离远，抗毁性好，保密性强。
6. 当发射天线为辐射垂直极化的鞭状天线，在地面上和地面下接收时，各自应采用何种天线比较合适，解释其原因？（分数：5）
答：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于水平分量，所以宜采用直立天线来接收； 在地面下接收时，则电场的水平分量远大于垂直分量，所以宜采 用水平埋地天线接收。 7.简述天波传播中的反射条件和电离层吸收特点。（分数：5） 答：（1）天波传播中的反射条件：电离层反射点播的能力与电波频率有关，在入
射角。一定时，电波频率越低，越易反射。在电波频率一定时，入射角越大，越易反射。（2）电离层吸收特点：电离层的碰撞速率越大或者电子密度越大，电离层对电波的吸收就越大。电波频率越低，吸收越大。 8. 为什么存在地面有效反射区？在其他条件都相同的情况下，有效
反射区的大小和频率关系如何？（分数：5）
答：a.反射波射线有天线的镜像点发出，根据电波传播的菲涅尔区概念，反射波
的主要空间通道是第一菲涅尔椭球体，而这个椭球体与地面相交的区域为一个椭圆，这就是有效反射区。反射面上只有有效反射区内的电流元对反射波起主要的贡献。b.频率越大，反射区越小。
9. 简述地面移动通信中电波传播特点及其研究方法？（分数：5） 答：（1）地面移动通信中电波传播特点： a.主要传播方式为视距传播； b.基站
较高，移动台较低，且收发天线的空间相对位置一般是事变的； c.存在快、中等速度、慢衰落现象。
（2）研究方法： a.建立在实验基础上的方法：Okumura方法、Lee方法； b.
实验和理论相结合的方法：GB/T14617.1-93
天 线 与 电 波 传 播 结 课 论 文
院系：电气信息工程 专业及班级：电信12-02 姓名：黄爽
学号：541201030216
微 带 天 线
摘 要
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。
关键词：微带天线 宽频带 小型化
目 录
摘 要
第一章 微带天线在现代通信系统的应用特点
第二章
第三章
微带天线在现代通信系统的发展趋势
微带天线在现代通信系统的研究方向
第一章 微带天线在现代通信系统的应用特点
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。微带天线的固有缺点就是阻抗频带窄，展宽频带是最困难也是最富有挑战性的技术之一，随着移动通信系统、全球定位系统(GPS)、卫星通信系统的发展，宽频带微带贴片天线的研究己成为了非常热门的课题，同时宽带微带贴片天线将逐渐向着小型化，简单化同时具有多功能、多用途的方向发展。近年来，人们在微带贴片天线展宽频带方面做了大量的研究微带天线的宽频带技术主要采用以下几种方法实现。
A.有空穴结构的宽带微带贴片天线。
B.采用多层介质基片微带天线的结构，将馈电网络与天线贴片分别置于不同的
介质基片上，这样可以获得宽频带的驻波比特性。
C.U形缝隙结构的宽带微带贴片天线。
当在贴片表面开不同形式的槽或是细缝时，切断了原来的表面电流途径，在天线等效电路中相当于引入了级联电感。
虽然国内外对上述微带天线小型化技术展开了大量的研究，但是其中还是存在了很多问题，其中天线的性能如增益、带宽与小型化及加工制作之间相互牵制，必须权衡利弊。随着无线通信事业的飞速发展，微带天线的尺寸与其它通信器件相比尺寸越来越大，显得越来越不相适应，因此要求进一步缩小微带天线的尺寸，经过许多学者的研究，发展了各种各样的缩小微带天线的新方法，本节简单介绍如下。
A.加载短路探针
通过与馈电接近的短路探针在谐振中引入耦合电容实现小型化
B.采用高介电常数的材料基片从天线谐振频率关系式可以看出谐振频率与介质
参数成反比，因此采用高介电常数(如陶瓷材料)基片可降低谐振频率，从而减小天线尺寸。
C.表面开槽。
当在贴片表面开不同形式的槽或是细缝时，切断了原来的表面电流途径，在天线等效电路中相当于引入了级联电感。虽然国内外对上述微带天线小型化技术展开了大量的研究，但是其中还是存在了很多问题，其中天线的性能如增益、带宽与小型化及加工制作之间相互牵制，必须权衡利弊。
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。通常介质基片的厚度与波长相比是很小的，因而它实现了一维小型化，属于电小天线的一类。另外，随着技术的进步，现在许多手机天线都是采用曲折线型的微带天线实现了手机天线的小型化。导体贴片一般是规则形状的面积单元，如矩形、圆形或圆环形薄片等；也可以是窄长条形的薄片振子(偶极子)。由这两种单元形成的微带天线分别称为微带贴片天线和条带振子天线。微带天线的另一种形式是利用微带线的某种形变（如弯曲、直角弯头等)来形成辐射，称之为微带线型天线，种天线因为沿线传输行波，又称为微带行波天线。微带天线的第四种形式是利用开在接地板上的缝隙，由介质基片另一侧的微带线或其它馈线(如带状线)对其馈电，称之为微带行波天线，由各种微带辐射单元可构成多种多样的阵列天线，如微带贴片阵天线，微带振子阵天线，等等。
微带天线的分析方法有很多，但是大体上可以分为解析方法和数值方法两大类。第一类方法基于围绕贴片边缘的等效磁流分布来计算辐射场，包括传输线模型（The transmission line model）、腔体模型（The cavity model）、多端网络模型（Multiport Network Model）等。而第二类方法基于贴片和地板上的电流分布来计算辐射场，包括矩量法（method of moments）、有限元法（finite-element method）和时域有限差分法（finite-difference in time domain）等。
天线问题的严格分析是一个电磁场边值型问题，需要根据其边界条件确定麦克斯韦方程的特解。因此微带天线的严格分析将是非常复杂的，而通常根据微带天线的实际特征做某些方面的假设和近似进而得出分析模型则不失为一种简单有效的处理手段。由麦克斯韦方程的不同解法发展了多种分析微带天线的解析方法，这里我们主要介绍以下三种模型，它们由于其简单实用而在规则贴片天线的分析中获得了广泛的应用。
解析方法
a.传输线模型
传输线模型很简单，并且有助于理解微带天线的基本特性，因此首先介绍这种模型方法。在这种模型中，微带贴片天线被视为场沿着横向没有变化而沿着传输线的延伸方向呈驻波分布的一个传输线谐振器。天线的辐射主要源自两个开路终端的边缘场，因此微带天线被等效为两个相距贴片长度的缝隙，其上分布有面磁流。利用矢量位函数便可由磁流计算出天线的远场辐射和其它的电参数。 尽管传输线模型易于使用，但是很多结构类型不能使用它来分析，这是因为它没有考虑沿着与传播方向正交的方向上场的变化。
b.腔体模型
如果说传输线模型因为有场沿传输线横向无变化的限制而只是微带天线在
一维下近似的话，那么腔体模型就可以称为二维近似。因为腔体模型基于一维电小的基本假设（即介质基片的厚度远小于波长），将微带贴片与地板之间的空间等效为上下是电壁而四周是磁壁的谐振空腔。在腔体中，场沿基片厚度方向保持不变，并且它是该等效的二维谐振器中所有谐振模式之和。天线的远场辐射及其它电参数可以通过空腔四周的等效磁流来得到。
c.多端网络模型
多端网络模型实际上是腔体模型的一种拓展，在这种模型中，贴片被等效为一个具有多个端口分布在贴片四周的二维平面网络。通过二维格林函数可以计算出该网络的多端阻抗矩阵，再添加一个等效的边缘导纳网络，便可以将边缘场和辐射场联系起来，然后利用分割方法计算出全局阻抗矩阵，由贴片四周的电压分布得到等效磁流分布，再由等效磁流计算出辐射场。利用等高线积分技术可以使其在不规则形状的贴片天线中获得应用。
数值方法
虽然以上介绍的解析方法具有简洁性和较为明确的物理意义，但是它们不能用来分析任意形状的微带天线，同时微带天线工程精确度的提高也对以上简化模型分析方法提出了考验。然而计算机技术的发展给微带天线的分析带来了新的思路，即依据微带天线的电磁场边值问题，将求解麦克斯韦微分方程转化为利用计算机来求解矩阵代数方程。由此也产生了多种数值方法，它们各具有一些优缺点和适用性，这里我们仅介绍几种典型的分析方法。
a.矩量法
矩量法分析微带天线的基本思想是利用并矢格林函数建立关于微带贴片和地板上的表面电流的积分方程，然后利用函数展开法将此积分方程转化为矩阵方程，利用计算机便可得出近似解。矩量法因为考虑了贴片周围的物理边界的边缘场而具有较高的精度。
b.有限元法
有限元法的原理是先将整个连续求解区域划分为很多小的离散单元（如在二维结构中选取三角形单元，在三维结构中选取四面体单元等），在子域中将未知函数（如电磁场量、位函数或电流等）表示为子域基函数的插值，根据变分原理或迦略金方法便可建立一个关于未知函数展开系数的矩阵方程，利用计算机便可方便求解该代数方程。有限元法因为离散单元选择的灵活性而具有模拟任意形状的优点，但是其求解精度要受求解区域剖分精细程度的影响。
c.时域有限差分法
时域有限差分法的基本思想是把求解空间进行离散化，并将麦克斯韦方程中的电磁场量进行时间和空间的离散化，由此将麦克斯韦微分方程转化为关于电磁场量的时域差分方程。选取合适的场初值（或激励源）和计算空间的边界条件，便可以得到包括时间变量的麦克斯韦方程的四维数值解，通过离散傅里叶变换还可以得到三维空间的频域解。时域有限差分法的优点是其离散比较简单（空间网格大小一致、时间步长恒定），并且通过离散傅里叶变换可以方便的得到其在宽带范围内特性。但是其数值解的稳定性要受时间步长和空间步长的限制。
第二章
微带天线在现代通信系统的发展趋势
与普通微波天线相比，微带天线有如下优点：
(1)体积小，重量经；
(2)平面结构，并可制成与导弹、卫星等表面相共形的结构；
(3)馈电网络可与天线结构一起集成，适合于用印刷电路技术进行大批量生产； (4)能与有源器件和电路集成为单一的配件；
(5)便于获得圆极化，容易实现双频段、双极化等多功能工作； (6)没有作大的变动，天线既能很容易地装在导弹、火箭和卫星。 (7)天线的散射截面较小；
(8)稍稍改变馈电位置就可以获得线极化和圆极化(左旋和右旋)。
(9) 微带天线适合于组合式设计(固体器件，如振荡器、放大器、混频器、功分
器、移相器、可变衰减器、调制器、开关等可以直接加到天线基片上)；
(10)馈线和匹配网络可以和天线结构同时设计和加工。
但是与通常的微波天线相比，微带天线也有一些缺点： 1) 频带窄；
2) 有导体和介质损耗，并且会激励表面波，导致辐射效率降低； 3) 功率容量较小，适用于中、小功率场合； 4) 性能受基片材料影响大； 5) 馈线与辐射元之间的隔离差；
尽管如此，有一些方法可以用来减小某些缺点。例如，采用一些宽频带技术可以有效地展宽频带；在设计和制造过程中特别注意并采取一些措施就可抑制或消除表面波。
第三章
微带天线在现代通信系统的研究方向
在许多实际设计中，微带天线的优点远超过它的缺点。甚至在仍被认为是微带天线发展幼年时期的80年代时，微带天线已有多种成功的应用。随着微带天线的继续研究和发展以及日益增多的使用需求，可以预料，对于大多数的应用，它将最终取代常规的天线。在一些显要的系统中已经应用微带天线的有：卫星通讯；多普勒及其它雷达；无线电测高计；指挥和控制系统；导弹遥测；武器信管；
便携装置；环境检测仪表；复杂天线中的馈电单元；卫星导航接收天线；生物医学辐射器等等。
相信随着对微带天线应用可能性认识的提高，以及各种电路系统对天线的小型化集成化要求的提高，微带天线的优点日益凸显，其应用场合将会继续增多。
参考文献
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【3】倪洋、叶明、王晓静《应用于ISM频段的小型双频微带天线》2014 【4】《一种用于“ 北斗\" 卫星导航系统的小型化微带贴片天线》2012
【5】陈雅娟 龙云亮，小型宽带微带天线的研究进展，系统工程与电子技术 2009
【6】卢晓鹏、张玉梅、李昂《非辐射边馈电的宽带双层微带贴片天线》2011 【7】付强、曹少珺、余孝安、乔飞《弹丸头锥上对称配置的S波段微带天线阵》2011
【8】张钧，刘克诚等，微带天线理论与工程，国防工业出版社，2010 【9】 顺时，微带天线理论与应用，西安电子科技大学出版社，2009 【10】肖宪东、信美华、刘 伟《微带天线的设计与应用》2013
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