哈工大天线原理_马汉炎习题答案.pdf
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1、 .下载可编辑 .第一章 1-1 试用对偶原理,由电基本振子场强式(1-5)和式(1-7),写出磁基本振子的场表示式。对偶原理的对应关系为:EeHm He-Em JJm m 另外,由于k,所以有kk 式(1-5)为 jkrrejkrrIdljHHH11sin200 式(1-7)为0111sin211cos22200002EerkjkrrIdljEejkrrIdlEjkrjkrr 因此,式(1-5)的对偶式为 jkrmrejkrrdlIjEEE11sin200 .下载可编辑 .式(1-7)的对偶式为0111sin211cos22200002HerkjkrrdlIjHejkrrdlIHjkrmjk
2、rmr 结合Imdl=j0IS 有磁基本振子的场表示式为:jkrrejkrrISEEE11sin2000 0111sin211cos2220000020HerkjkrrISHejkrrISjHjkrjkrr 可以就此结束,也可以继续整理为 jkrrejkrrISEEE11sin00002 0111sin11cos2222HerkjkrrISHejkrrISjHjkrjkrr .下载可编辑 .1-3 若已知电基本振子辐射电场强度大小sin20rIlE,天线辐射功率可按穿过以源为球心处于远区的封闭球面的功率密度的总和计算,即sSdrPS),(,ddrdssin2为面积元。试计算该电基本振子的辐射功
3、率和辐射电阻。【解】首先求辐射功率 22222000240sin2sin24012401 IlddrrIldsEPS 辐射电阻为 222802lIPR 注意:此题应用到了34sin03d .下载可编辑 .1-5 若已知电基本振子辐射场公式sin20rIlE,试利用方向性系数的定义求其方向性系数。【解】方向性系数的定义为:在相同辐射功率、相同距离条件下,天线在某辐射方向上的功率密度 Smax(或场强 Emax的平方),与无方向性天线在该方向上的功率密度 S0(或场强 E0的平方)之比。首先求辐射功率 22222000240sin2sin24012401 IlddrrIldsEPS 令该辐射功率为
4、 604240220220rErEP 其中 E0是无方向性天线的辐射场强。因此,可以求得22202400rIlE 所以方向性系数5.1202maxEED .下载可编辑 .1-6 设小电流环电流为I,环面积S。求小电流环天线的辐射功率和辐射电阻表示式。若1m 长导线绕成小圆环,波源频率为 1MHz,求其辐射电阻值。电小环的辐射场幅度为:sin2rISE 首先求辐射功率 2242220022160sinsin24012401 ISddrrISdsEPS 辐射电阻为 42423202SIPR 当圆环周长为 1m 时,其面积为2m41S,波源频率为 1MHz 时,波长为=300m。所以,辐射电阻为 R
5、=2.410-8。.下载可编辑 .1-7 试证明电基本振子远区辐射场幅值E与辐射功率P之间的关系为 rPEsin49.9【证明】电基本振子远区辐射场幅值sin60sin20rIlrIlE 根据题目 1-3 可知电基本振子辐射功率为2240IlP,所以40PIl 代入到E表达式中可以得到:rPrIlEsin4060sin60 所以有:rPEsin49.9 .下载可编辑 .1-9 试求证方向性系数的另一种定义:在最大辐射方向上远区同一点具有相同电场强度的条件下,无方向天线的辐射功率比有方向性天线辐射功率增大的倍数,记为 0max0EEPPD【证明】方向性系数的定义为:相同辐射功率、相同距离条件下,
6、天线在某辐射方向上的功率密度Smax(或场强Emax的平方),与无方向性天线在该方向上的功率密度S0(或场强E0的平方)之比。假设有方向性天线的辐射功率为P,最大辐射方向的辐射场为Emax,无方向性天线的辐射功率为P0,辐射场大小为E0,则有如下关系:22004240rEP=202060rPE 如果有方向性天线的方向性系数为D,则根据定义,当其辐射功率为P时,有 22max60rDPE 所以,当有Emax=E0时,则有0max0EEPPD .下载可编辑 .1-11 一个电基本振子和一个小电流环同时放置在坐标原点,如图示,若SIlI212,试证明远区任意点的辐射场均是圆极化的。【证明】如图示的电
7、基本振子和小电流环的辐射场分别为:jkrerlIjEsin201 jkrerSIEsin022 令ASIlI212 则远区任一点辐射场为:jkrerAarAjaEsin2sin200这是一个右旋圆极化的电磁波。.下载可编辑 .1-13 设收发两天线相距r,处于极化匹配和阻抗匹配的最佳状态,且最大方向对准。若工作波长为,发射天线输入功率 Ptin,发射和接收天线增益系数分别为 Gt、Gr,试证明接收功率为rttinrGGPrP2max4【证明】满足题设三条件的情况下,根据天线增益的定义,可以得到发射天线在接收天线处产生的辐射场的最大功率密度为 ttinGrPS2max4 接收天线的有效面积为re
8、GS42 因此接收天线得到的最大接收功率为rttinerGGPrSSP2maxmax4 .下载可编辑 .1-15 若干扰均匀分布于空间并从所有方向传到接收点,利用定向接收天线可以增大有用信号功率和外部干扰功率之比,试证明这一比值和天线的方向性系数成正比。【证明】设定向接收天线的方向性函数为 F(,),方向性系数为 D,则有如下关系:2002sin),(4ddFD 设干扰的平均功率流密度大小Sn为常数,一个以接收点为中心的,半径为r的球面包围了接收点,则接收点处天线接收到的功率 Pn为不同方向面积微元通过的被接收的干扰的积分:DrSddFrSddrFSdsFSPnnnnn220022220022
9、4sin),(sin),(),(设天线接收到的有用功率为Ps,则有用功率与干扰功率之比为 s=Ps/PnD。.下载可编辑 .第二章 2-1 设对称振子臂长l分别为/2,/4,/8,若电流为正弦分布,试简绘对称振子上的电流分布。/2/2/4/4/8/8 .下载可编辑 .2-2 用尝试法确定半波振子、全波振子 E 面主瓣宽度。半波振子的方向性函数为sincos2cos)(F 可以看出,该函数关于=0 和=/2 对称,并且当=/2 时,F()有最大值 1,因此计算=/4/2 之间的值即可。经过计算,当=51时,F()=0.708,因此,可以得到主瓣宽度为 HPBW=2(90-51)=78 全波振子的
10、方向性函数为sincos2cos)(2F 可以看出,该函数关于=0 和=/2 对称,并且当=/2 时,F()有最大值 1,因此计算=/4/2 之间的值即可。经过计算,当=66.1时,F()=0.707,因此,可以得到主瓣宽度为 HPBW=2(90-66.1)=47.8 .下载可编辑 .2-3 试利用公式(1-51),求半波振子、全波振子的方向性系数。【解】公式(1-51)为 RfD2max120 对于对称振子,fmax=1-coskl 所以本题可以列表回答:天线种类 kl fmax R D 半波振子/2 1 73.1 1.64 全波振子 2 200 2.4 .下载可编辑 .2-4 试利用公式(
11、1-85),分别求解半波振子和全波振子的有效面积。【解】有效面积的公式为GSe42 利用 2-3 题的结论可以列出下表:天线种类 kl fmax R D Se 半波振子/2 1 73.1 1.64 0.132 全波振子 2 200 2.4 0.192 .下载可编辑 .2-5 试利用公式(2-24)或(2-25),求半波振子、全波振子的有效长度。【解】公式(2-24)是采取以归算电流为输入电流计算的有效长度2tanklle 公式(2-25)是采用了归算电流为波腹电流计算的有效长度302DRle 所以本题可以列表回答。天线种类 kl fmax R D le(2-24)le(2-25)半波振子/2
12、1 73.1 1.64 0.318 (/)0.318 (/)全波振子 2 200 2.4 0.637 (2/).下载可编辑 .2-6 已知对称振子臂长l=35cm,振子臂导线半径a=8.625mm,若工作波长=1.5m,试计算该对称振子的输入阻抗的近似值。已知对称振子臂长l=35cm,a=8.625mm,=1.5m,则有:利用公式(2-29)求得 Z0A=120(ln2l/a-1)=120ln(2350/8.625)-1=408,刚好介于图 2-9 的 340 和 460 之间。l/=0.233,根据图 2-9 的(a)和(b)可以分别查得:Zin=70+j0,需要注意:这里的数字读取得很粗略
13、。还有一种方法:利用公式(2-32)进行计算。首先计算l/(2a)=20.3,l/=0.233,并利用公式(2-29)求得 Z0A=120(ln2l/a-1)=120(ln2350/8.625-1)=408;查图 2-8,得 n=1.05 查图 2-5,Rm=70=n2/=2.1/利用公式(2-31)求得 A=0.753/,然后代入公式(2-32),最终求得 Zin=69.4-21.4。.下载可编辑 .2-7 试计算电流呈三角形分布短天线的方向性系数和有效高度。【解】电流呈三角形分布的电流表达式为:lzIzIA|1)(,|z|l,IA为输入点电流。这是对称振子当l时的情况。天线的辐射场为 jk
14、rAjkzlljkrAjkzjkrllerlIjdzelzerIjdzeerzIjEsin60|1sin60sin)(60coscos 这里 20cos)cos()coscos(12)coscos(12)coscos(|1)cossin()coscos(|1|1klklldzkzlzdzkzlzdzkzjkzlzdzelzllllljkzll 当kl0 区域的部分。E 面(xoz 平面)的上述因子表达式为:阵元方向性函数:|cossin2cos|地面上阵轴为 x 轴方向的等幅同相二元阵(m=1,=0,d=/2)阵因子:|sin2cos|地面上的阵列和地面下的负镜像阵列组成的阵轴为 z 方向的等
15、幅反相二元阵(m=1,=,d=)的阵因子:|)cossin(|最终E面(xoz平面)总的阵方向图为FE()=|cossin2cossin2cos)cossin(|可以化简结果为)cossin(cossin2cos)(2EF,注意不要忘记书写绝对值符号,这里 为观察方向与+z 轴夹角,而 则为观察方向与+x 轴(阵轴)夹角,在 xoz 平面上有+=/2。注意最终函数自变量的统一,我们一般使用 或者(xoy 平面上观察方向与+x 轴夹角),这样便于规范化。类似地,可以求得 H 面(yoz 平面)的上述因子表达式为:阵元方向性函数:1(令 E 面的=0 即可)地面上阵轴为 x 轴方向的等幅同相二元阵
16、(m=1,=0,d=/2)阵因子:1(令 E 面的=0 即可)地面上的阵列和地面下的负镜像阵列组成的阵轴为 z 方向的等幅反相二元阵(m=1,=,d=)的阵因子:|)cossin(|(因为 H 平面平行于阵轴,所以方向性函数不变)最终 H 面(yoz 平面)总的阵方向图为 FH()=|)cossin(|方向图如下:.下载可编辑 .E 面 F1F2F3FExzOxzOxzOxzO=yzOyzOyzOyzOF1F2F3FH=H 面 .下载可编辑 .3-14 2 元垂直接地振子如图排列,试求:天线系统方向性函数,画出含两振子轴平面的方向图。设大地所在平面为 xoy 平面,振子轴向平行于 z 轴,地面
17、上的阵列阵轴则平行于 x 轴。E 面为 xoz 平面,H 面为 xoy 平面 天线阵系统最终的方向图由两个因子乘积所得:阵元及其地面镜像组成的半波振子天线的方向性函数 地面上阵轴为 x 轴方向的等幅二元阵(m=1,=-/2,d=/4)阵因子 需要注意的是:最终只取 z0 区域的部分。E 面(xoz 平面,含振子轴平面)的上述因子表达式为:阵元及其地面镜像组成的半波振子天线的方向性函数:|sincos2cos|地面上阵轴为 x 轴方向的等幅二元阵(m=1,=-/2,d=/4)阵因子:|sin14cos|最终 E 面(xoz 平面)总的阵方向图为 FE()=|sincos2cossin14cos|
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