2025年新版天线原理及设计题库答案

2025年新版天线原理及设计题库答案一、选择题（每题3分，共30分）1.关于天线方向性系数与增益的关系，正确的表述是（）。A.方向性系数等于增益乘以效率B.增益等于方向性系数乘以效率C.方向性系数与增益仅与天线结构有关，与损耗无关D.增益恒大于方向性系数答案：B解析：方向性系数D描述天线将能量集中辐射的能力（无损耗时），增益G则考虑了天线的欧姆损耗和介质损耗，故G=D·η，其中η为天线效率。2.下列哪种天线属于行波天线？（）A.半波偶极子天线B.对数周期天线C.抛物面天线D.微带贴片天线答案：B解析：行波天线的电流沿导体单向传播（无反射），对数周期天线通过渐变结构抑制反射，属于典型行波天线；半波偶极子为驻波天线，抛物面为口径天线，微带贴片为谐振式天线。3.天线的3dB波瓣宽度越小，说明（）。A.天线方向性越弱B.主瓣能量越集中C.副瓣电平越高D.天线效率越低答案：B解析：3dB波瓣宽度（半功率波瓣宽度）是主瓣宽度的度量，宽度越小，能量在主瓣方向越集中，方向性越强。4.微带天线的极化方式主要由（）决定。A.贴片形状B.基板厚度C.馈电位置D.工作频率答案：A解析：微带天线的极化由贴片电流分布决定，例如矩形贴片沿长边馈电为线极化，圆形贴片或切角矩形可实现圆极化。5.阵列天线中，为实现波束扫描，通常需要（）。A.调整各单元幅度激励B.调整各单元相位差C.改变阵列单元间距D.增加单元数量答案：B解析：相控阵通过控制各单元的相位差（即“相位扫描”）实现波束指向变化，幅度控制主要用于副瓣抑制。6.天线近场与远场的分界距离通常取（）。A.2D²/λB.D²/(2λ)C.2λ/D²D.λ/(2D²)答案：A解析：远场条件要求观察点距离r满足r≥2D²/λ（D为天线最大尺寸，λ为波长），此时球面波可近似为平面波。7.下列哪种技术可有效展宽微带天线的带宽？（）A.减小基板厚度B.使用高介电常数基板C.采用叠层贴片结构D.缩短馈电探针长度答案：C解析：叠层贴片（双层或多层贴片）通过引入多谐振点叠加展宽带宽；减小基板厚度或使用高介电常数基板会降低带宽，缩短馈电探针影响阻抗匹配但不直接展宽带宽。8.天线的极化纯度是指（）。A.主极化与交叉极化的功率比B.主瓣与副瓣的功率比C.辐射功率与输入功率的比D.方向性系数与增益的比答案：A解析：极化纯度常用主极化分量与正交极化分量的功率比（dB）表示，比值越高，极化纯度越好。9.半波振子天线的输入阻抗约为（）。A.377ΩB.73ΩC.50ΩD.100Ω答案：B解析：半波振子（长度l=λ/2）的输入阻抗约为73+j42.5Ω，工程中常近似为73Ω，通过缩短或加载可实现50Ω匹配。10.超表面天线的核心优势是（）。A.低成本B.可动态调控电磁波C.高增益D.宽频带答案：B解析：超表面由亚波长单元组成，通过设计单元电磁响应可灵活调控波前（如相位、极化），实现波束扫描、多波束等动态功能。二、填空题（每空2分，共20分）1.天线的基本功能是实现______与______的能量转换。答案：导行波；自由空间波2.天线效率η定义为______与______的比值。答案：辐射功率Pr；输入功率Pin3.惠更斯元的辐射场具有______方向性，其远场E面和H面方向图均为______。答案：无方向性（或全向）；8字形4.微带天线的谐振频率主要由______和______决定。答案：贴片尺寸；基板介电常数5.阵列天线的阵因子描述______，其最大值方向由______条件决定。答案：各单元激励的干涉效应；相位差三、简答题（每题8分，共40分）1.简述天线方向性系数的物理意义及其计算方法。答：方向性系数D定义为天线在最大辐射方向的功率密度与相同输入功率下无方向性天线（理想点源）在同一距离处的功率密度之比，反映天线将能量集中辐射的能力。计算方法：D=4πUmax/Pin，其中Umax为最大辐射强度，Pin为输入功率；或通过方向图积分D=4π/∫∫F²(θ,φ)sinθdθdφ（F为归一化方向图函数）。2.比较偶极子天线与微带天线的优缺点。答：偶极子天线优点：结构简单、频带较宽（约5-10%）、易于分析；缺点：尺寸较大（半波振子约λ/2）、难以集成。微带天线优点：低剖面、易共形、可集成到电路中、易实现多极化；缺点：带宽窄（通常1-5%）、损耗较大、功率容量低。3.解释相控阵天线的波束扫描原理，并说明栅瓣产生的条件。答：相控阵通过控制各单元的激励相位差（Δφ=2πdsinθ0/λ）实现波束指向θ0的扫描（d为单元间距，λ为波长）。当相邻单元相位差超过2π时，会在非主瓣方向出现与主瓣幅度相当的栅瓣，条件为d>λ/(1+|sinθ0|)（θ0为扫描角），通常取d≤λ/2以避免栅瓣。4.说明天线互易定理的内容及其在工程中的应用。答：互易定理指出，同一天线作为发射和接收时的方向图、输入阻抗、增益等参数完全相同。工程应用：可通过测量接收状态的参数（如方向图）替代发射状态的测量，简化测试；设计收发共用天线（如雷达天线）时，无需分别优化发射和接收性能。5.列举三种提高微带天线增益的方法，并简述其原理。答：（1）增加贴片尺寸：扩展口径面积，等效增加有效辐射孔径，提高增益；（2）采用微带阵列：通过多个单元的相干叠加增强主瓣方向能量；（3）加载高阻抗表面（HIS）：HIS可抑制表面波损耗，同时反射电磁波与直射波叠加增强辐射，提高增益；（4）使用介质透镜：透镜汇聚电磁波，等效增大天线口径，提升增益（任选三种）。四、计算题（每题15分，共30分）1.设计一个工作在2.4GHz的半波偶极子天线，计算其长度、输入阻抗及远场E面方向图表达式（假设自由空间，ε0=8.85×10⁻¹²F/m，μ0=4π×10⁻⁷H/m）。解：（1）工作波长λ=c/f=3×10⁸/2.4×10⁹=0.125m=125mm。半波偶极子长度l=λ/2=62.5mm（实际中因末端效应需缩短5-10%，取l≈60mm）。（2）输入阻抗：半波振子的输入阻抗约为Zin=73+j42.5Ω（工程近似为73Ω）。（3）远场E面（赤道面，φ=90°）方向图函数：F(θ)=|cos(πcosθ/2)/sinθ|，其中θ为与振子轴线的夹角（θ=0°沿轴线，θ=90°垂直轴线）。2.一个由4个半波振子组成的均匀直线阵，单元间距d=λ/2，同幅同相激励，计算其阵因子方向图、3dB波瓣宽度及最大旁瓣电平（SLL）。解：（1）阵因子AF(θ)=[sin(Nψ/2)/sin(ψ/2)]，其中N=4，ψ=kdcosθ=2πdcosθ/λ=πcosθ（d=λ/2）。故AF(θ)=|sin(2πcosθ)/sin(πcosθ/2)|。（2）3dB波瓣宽度：对于均匀直线阵，主瓣宽度近似为θ3dB≈0.886λ/(Ndsinθ0)（θ0=0°时，sinθ0=1），代入得θ3dB≈0.886×λ/(4×λ/2×1)=0.886/2≈0.443rad≈25.4°。（3）最大旁瓣电平：均匀激励时，第一旁瓣电平约为-13.26dB（由sin(x)/x函数的旁瓣特性决定）。五、设计题（20分）设计一个应用于5GNRn41频段（2496-2690MHz）的微带贴片天线，要求：中心频率2.593GHz，增益≥6dBi，驻波比≤1.5，给出基板材料选择、贴片尺寸计算、馈电方式及优化措施。设计步骤：1.基板选择：选用低损耗、高频性能稳定的基板（如RogersRT5880，εr=2.2，tanδ=0.0009，厚度h=1.575mm），低介电常数可展宽带宽，低损耗降低插入损耗。2.贴片尺寸计算：（1）有效介电常数εreff=(εr+1)/2+(εr-1)/2×[1+12h/W]^(-1/2)（W为贴片宽度，初始假设W≈λ0/(2√εr)，λ0=c/f=115.7mm，W≈115.7/(2×1.483)=39mm）。（2）谐振长度L=λ0/(2√εreff)-2ΔL，其中ΔL=0.412h×(εreff+0.3)(W/h+0.264)/[(εreff-0.258)(W/h+0.8)]≈0.412×1.575×(2.1+0.3)(39/1.575+0.264)/[(2.1-0.258)(39/1.575+0.8)]≈0.7mm。εreff≈(2.2+1)/2+(2.2-1)/2×[1+12×1.575/39]^(-1/2)=1.6+0.6×[1+0.486]^(-1/2)=1.6+0.6×0.816≈2.09。λg=λ0/√εreff≈115.7/1.446≈80mm，L=80/2-2×0.7≈40-1.4=38.6mm。3.馈电方式：选择微带线馈电（便于集成），馈电点位置x0=W/2×√(Zin/Z0)（Zin=73Ω，Z0=50Ω），x0≈39/2×√(73/50)=19.5×1.21≈23.6mm（从贴片边缘起算），调整x0实现50Ω匹配。4.