微波与天线相关问题100问

此文是笔者多年来在科研、教学及各种交流过程中挑选出来的，具有一些定代表性的问题。对于日常的学习、科研有着补充作用。一、微波的相关问题1、微波的波长微波是指频率为300MHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1米（不含1米）到1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”。2、微波的性质微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。3、介质的穿透性通过不同介质时，会发生折射、反射、绕射、散射及吸收等等。电磁波的传播有沿地面传播的地面波，还有从空中传播的空中波以及天波。波长越长其衰减也越少，电磁波的波长越长也越容易绕过障碍物继续传播。机械波与电磁波都能发生折射\反射\衍射\干涉,因为所有的波都具有波粒两象性.折射\反射属于粒子性；衍射\干涉为波动性。4、天波与地波天波是靠电磁波在地面和电离层之间来回反射而传播的。天波是短波的主要传播途径。短波信号由天线发出后，经电离层反射回地面，又由地面反射回电离层，可以多次反射，因而传播距离很远(可上万公里)，而且不受地面障碍物阻挡。但天波传播的最大弱点是信号很不稳定的，处理不好会影响通信效果。沿大地与空气的分界面传播的电波叫地表面波，简称地波，传播时无线电波可随地球表面的弯曲而改变传播方向。长波无线电之传递，以地波为主。其折射率在海面与平原之吸收率均较小。在传播途中的衰减大致与距离成正比，因受气候影响甚微，在有效距离内通信可靠。5、卫星通信卫星通信是地球上(包括陆地、水面和低层大气中)无线电通信站之间利用人造卫星作为中继站而进行的空间微波通信，卫星通信是地面微波接力通信的继承和发展。我们知道微波信号是直接传播的，因此，可以把卫星通信看作是微波中继通信的一种特例，它只是把中继站放置在空间轨道上。6、卫星通信使用哪些频段？由于卫星处于外层空间，即在电离层之外，地面上发射的电磁波必须能穿透电离层才能到达卫星；同样，从卫星到地面上的电磁波也必须穿透电离层，而在无线电频段中只有微波频段恰好具备这一条件，因此卫星通信使用微波频段。目前大多数卫星通信系统选择在下列频段工作：(1)UHF波段（400MHz/200MHz）；(2)L波段（1.6GHz/1.5GHz）；(3)C波段（6.0GHz/4.0GHz）；(4)X波段（8.0GHz/7.0GHz）；(5)K波段（14.0GHz/12.0GHz；14.0GHz/11.0GHz；30GHz/20GHz）。由于C波段的频段较宽，又便于利用成熟的微波中继通信技术，且天线尺寸也较小，因此，卫星通信最常用的是C波段。7、微波检测根据微波反射、透射、衍射干射、腔体微扰等物理特性的改变，以及被检材料介电常数和损耗正切角的相对变化，通过测量微波基本参数(如幅度衰减、相移量或频率等)变化，实现对缺陷进行检测的方法。8、超短波和微波的传播视距超短波特别是微波，频率很高，波长很短，它的地表面波衰减很快，因此不能依靠地表面波作较远距离的传播。超短波特别是微波，主要是由空间波来传播的。简单地说，空间波是在空间范围内沿直线方向传播的波。显然，由于地球的曲率使空间波传播存在一个极限直视距离Rmax。在最远直视距离之内的区域，习惯上称为照明区；极限直视距离Rmax以外的区域，则称为阴影区。不言而语，利用超短波、微波进行通信时，接收点应落在发射天线极限直视距离Rmax内。受地球曲率半径的影响，极限直视距离Rmax和发射天线与接收天线的高度HT与HR间的关系为：Rmax＝3.57{√HT（m）+√HR（m）}（km）考虑到大气层对电波的折射作用，极限直视距离应修正为Rmax＝4.12{√HT（m）+√HR（m）}（km）由于电磁波的频率远低于光波的频率，电波传播的有效直视距离Re约为极限直视距离Rmax的70%，即Re=0.7Rmax。例如，HT与HR分别为49m和1.7m，则有效直视距离为Re=24km。9、电波的绕射传播在传播途径中遇到大障碍物时，电波会绕过障碍物向前传播，这种现象叫做电波的绕射。超短波、微波的频率较高，波长短，绕射能力弱，在高大建筑物后面信号强度小，形成所谓的“阴影区”。信号质量受到影响的程度，不仅和建筑物的高度有关，和接收天线与建筑物之间的距离有关，还和频率有关。例如有一个建筑物，其高度为10米，在建筑物后面距离200米处，接收的信号质量几乎不受影响，但在100米处，接收信号场强比无建筑物时明显减弱。注意，诚如上面所说过的那样，减弱程度还与信号频率有关，对于216～223兆赫的射频信号，接收信号场强比无建筑物时低16dB，对于670兆赫的射频信号，接收信号场强比无建筑物时低20dB。如果建筑物高度增加到50米时，则在距建筑物1000米以内，接收信号的场强都将受到影响而减弱。也就是说，频率越高、建筑物越高、接收天线与建筑物越近，信号强度与通信质量受影响程度越大；相反，频率越低，建筑物越矮、接收天线与建筑物越远，影响越小。因此，选择基站场地以及架设天线时，一定要考虑到绕射传播可能产生的各种不利影响，注意到对绕射传播起影响的各种因素。10、电波的多径传播在超短波、微波波段，电波在传播过程中还会遇到障碍物（例如楼房、高大建筑物或山丘等）对电波产生反射。因此，到达接收天线的还有多种反射波（广义地说，地面反射波也应包括在内），这种现象叫为多径传播。由于多径传输，使得信号场强的空间分布变得相当复杂，波动很大，有的地方信号场强增强，有的地方信号场强减弱；也由于多径传输的影响，还会使电波的极化方向发生变化。另外，不同的障碍物对电波的反射能力也不同。例如：钢筋水泥建筑物对超短波、微波的反射能力比砖墙强。我们应尽量克服多径传输效应的负面影响，这也正是在通信质量要求较高的通信网中，人们常常采用空间分集技术或极化分集技术的缘由。11、建筑物的贯穿损耗建筑物的贯穿损耗是指电波通过建筑物的外层结构时所受到的衰减，它等于建筑物外与建筑物内的场强中值之差。建筑物的贯穿损耗与建筑物的结构、门窗的种类和大小、楼层有很大关系。贯穿损耗随楼层高度的变化，一般为-2dB/层，因此，一般都考虑一层（底层）的贯穿损耗。下面是一组针对900MHz频段，综合国外测试结果的数据：---中等城市市区一般钢筋混凝土框架建筑物，贯穿损耗中值为10dB，标准偏差7.3dB；郊区同类建筑物，贯穿损耗中值为5.8dB，标准偏差8.7dB。大城市市区一般钢筋混凝土框架建筑物，贯穿损耗中值为18dB，标准偏差7.7dB；郊区同类建筑物，贯穿损耗中值为13.1dB，标准偏差9.5dB。大城市市区一金属壳体结构或特殊金属框架结构的建筑物，贯穿损耗中值为27dB。由于我国的城市环境与国外有很大的不同，一般比国外同类名称要高8---10dB。对于1800MHz，虽然其波长比900MHz短，贯穿能力更大，但绕射损耗更大。因此，实际上，1800MHz的建筑物的贯穿损耗比900MHz的要大。GSM规范3.30中提到，城市环境中的建筑物的贯穿损耗一般为15dB，农村为10dB。一般取比同类地区900MHz的贯穿损耗大5---10dB。12、电磁波经过人体的损耗对于手持机，当位于使用者的腰部和肩部时，接收的信号场强比天线离开人体几个波长时将分别降低4---7dB和1---2dB。一般人体损耗设为3dB。13、车内电磁损耗金属结构的汽车带来的车内损耗不能忽视。尤其在经济发达的城市，人的一部分时间是在汽车中度过的。一般车内损耗为8---10dB。14、微波天线辐射卫生标准（1）辐射标准由于各国的标准都不一样，我们选用的标准采用有关的《电磁辐射防护规定》要求:在一天24小时内,公众环境电磁辐射场的场量参数在任意连续6分钟内的平均值应满足下表的要求频率范围(MHZ)30～30003000～15000电场强度(V/m)(12)*(0.22(f)1/2)*磁场强度(A/m)(0.032)*(0.001(f)1/2)*功率密度(W/m2)0.4f/7500全身平均比吸收率(w/kg)0.02*不作限值,仅供参考;表中f为频率,单位为MHZ.（2）实际电路的计算办法直接计算微波中继断面附近任意A点处的功密PA：一般在距离微波天线开口距离17.1D2/λ天线近区近空附近范围内,以A点至微波天线射线中心的距离为半径,计算出此横切面上的功率密度不大于:相应的平均功率密度f/7500(W/m2)和全身平均比吸收率=0.02(w/kg)即符合要求。二、天线的设计、安装、使用的相关问题15、关于传输线的50、75欧的由来对于同轴线的的使用过程来看，它是最先应用到无线通信中的，直到现在，它的应用最为广泛。对于同轴线，我们主要关心功率的传输及在传输过程中的能量衰减这两个问题。为了能使同轴线传输的功率最大，就要使同轴线的内外导体有一个比值，对于空气为介质的同轴线来说，外半径/内半径=常数E开方时，传输的功率为最大，此时的特性阻抗为３０Ω。外半径/内半径=3.59时,这是的衰减为最小，此时的特性阻抗为７７Ω。为了二者兼有，折中取值为５０Ω，当然现在一些设备中７５Ω的同轴线也在使用中，比如有线电视系统中。16、关于空气阻抗电磁波在空气（真空）中传播时，这也是最为广泛应用的电磁传播，由于电场与磁场的存在，它们的比值为一个定值为１２０π，也正是这个值的存在，形成了电磁波的衰减传播。17、请问天线的馈线的长短会影响发射机与天线的匹配吗？天线的馈线的长短会影响发射机与天线的匹配，最主要的原因是天线的馈线是有损线而非无损线。天线与发射机的匹配有两点，一是阻抗匹配；二是功率的完全发射。有损馈线阻抗匹配的计算过程见下面的图片所示。功率的完全发射与馈线也有极大关系，这也是很多设备功率不能完全发射的原因，比如馈线损耗为0.3DB/米，那么当馈线长度为10米时，功率就要衰减一半的，如果是100米长的馈线呢？功率可能要衰减没有了。18、基础天线由于空气阻抗的存在，如何把高频电流变成电磁波传播出去，这中间就需要一个器件，当然，这个器件就是天线了。天线也就可以认为是波源与空间的连接器了。正如前面所述，为了能很好地把高频电流的能量传输出去，且要传输功率要高、衰减要小，天线的阻抗就要在７７Ω与３０Ω二者之前选择。在这种情况下，对称振子的阻抗是７５Ω左右，四分之一单极天线的阻抗为３６Ω左右，在此，我们不得不承认大自然的力量之伟大。这种情况下，也决定了这两种天线是一种基本天线了。19、天线的作用与地位无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线（电缆）输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。20、天线的大致分类天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。对于众多品种的天线，进行适当的分类是必要的：按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等；等等分类。21、天线小型化一般来说，综合考虑天线性能，天线小型化有两种形式，一是天线的体积小了，就是物理模型小了；二就是一种天线在体积不变的情况下能在更低频点实现良好的效果22、平行导线的电磁辐射导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，电场就散播在周围空间，因而辐射增强。必须指出，当导线的长度L远小于波长λ时，辐射很微弱；导线的长度L增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。23、利用微带线匹配单极天线提出了一种对于四分之一振子天线展宽带宽的便捷方法。通过仿真可以看出阻抗带宽展览宽