2025年新版天線原理及設(shè)計(jì)題庫(kù)答案一、選擇題（每題3分，共30分）1.關(guān)于天線方向性系數(shù)與增益的關(guān)系，正確的表述是（）。A.方向性系數(shù)等于增益乘以效率B.增益等于方向性系數(shù)乘以效率C.方向性系數(shù)與增益僅與天線結(jié)構(gòu)有關(guān)，與損耗無(wú)關(guān)D.增益恒大于方向性系數(shù)答案：B解析：方向性系數(shù)D描述天線將能量集中輻射的能力（無(wú)損耗時(shí)），增益G則考慮了天線的歐姆損耗和介質(zhì)損耗，故G=D·η，其中η為天線效率。2.下列哪種天線屬于行波天線？（）A.半波偶極子天線B.對(duì)數(shù)周期天線C.拋物面天線D.微帶貼片天線答案：B解析：行波天線的電流沿導(dǎo)體單向傳播（無(wú)反射），對(duì)數(shù)周期天線通過(guò)漸變結(jié)構(gòu)抑制反射，屬于典型行波天線；半波偶極子為駐波天線，拋物面為口徑天線，微帶貼片為諧振式天線。3.天線的3dB波瓣寬度越小，說(shuō)明（）。A.天線方向性越弱B.主瓣能量越集中C.副瓣電平越高D.天線效率越低答案：B解析：3dB波瓣寬度（半功率波瓣寬度）是主瓣寬度的度量，寬度越小，能量在主瓣方向越集中，方向性越強(qiáng)。4.微帶天線的極化方式主要由（）決定。A.貼片形狀B.基板厚度C.饋電位置D.工作頻率答案：A解析：微帶天線的極化由貼片電流分布決定，例如矩形貼片沿長(zhǎng)邊饋電為線極化，圓形貼片或切角矩形可實(shí)現(xiàn)圓極化。5.陣列天線中，為實(shí)現(xiàn)波束掃描，通常需要（）。A.調(diào)整各單元幅度激勵(lì)B.調(diào)整各單元相位差C.改變陣列單元間距D.增加單元數(shù)量答案：B解析：相控陣通過(guò)控制各單元的相位差（即“相位掃描”）實(shí)現(xiàn)波束指向變化，幅度控制主要用于副瓣抑制。6.天線近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)的分界距離通常?。ǎ?。A.2D2/λB.D2/(2λ)C.2λ/D2D.λ/(2D2)答案：A解析：遠(yuǎn)場(chǎng)條件要求觀察點(diǎn)距離r滿足r≥2D2/λ（D為天線最大尺寸，λ為波長(zhǎng)），此時(shí)球面波可近似為平面波。7.下列哪種技術(shù)可有效展寬微帶天線的帶寬？（）A.減小基板厚度B.使用高介電常數(shù)基板C.采用疊層貼片結(jié)構(gòu)D.縮短饋電探針長(zhǎng)度答案：C解析：疊層貼片（雙層或多層貼片）通過(guò)引入多諧振點(diǎn)疊加展寬帶寬；減小基板厚度或使用高介電常數(shù)基板會(huì)降低帶寬，縮短饋電探針影響阻抗匹配但不直接展寬帶寬。8.天線的極化純度是指（）。A.主極化與交叉極化的功率比B.主瓣與副瓣的功率比C.輻射功率與輸入功率的比D.方向性系數(shù)與增益的比答案：A解析：極化純度常用主極化分量與正交極化分量的功率比（dB）表示，比值越高，極化純度越好。9.半波振子天線的輸入阻抗約為（）。A.377ΩB.73ΩC.50ΩD.100Ω答案：B解析：半波振子（長(zhǎng)度l=λ/2）的輸入阻抗約為73+j42.5Ω，工程中常近似為73Ω，通過(guò)縮短或加載可實(shí)現(xiàn)50Ω匹配。10.超表面天線的核心優(yōu)勢(shì)是（）。A.低成本B.可動(dòng)態(tài)調(diào)控電磁波C.高增益D.寬頻帶答案：B解析：超表面由亞波長(zhǎng)單元組成，通過(guò)設(shè)計(jì)單元電磁響應(yīng)可靈活調(diào)控波前（如相位、極化），實(shí)現(xiàn)波束掃描、多波束等動(dòng)態(tài)功能。二、填空題（每空2分，共20分）1.天線的基本功能是實(shí)現(xiàn)______與______的能量轉(zhuǎn)換。答案：導(dǎo)行波；自由空間波2.天線效率η定義為_(kāi)_____與______的比值。答案：輻射功率Pr；輸入功率Pin3.惠更斯元的輻射場(chǎng)具有______方向性，其遠(yuǎn)場(chǎng)E面和H面方向圖均為_(kāi)_____。答案：無(wú)方向性（或全向）；8字形4.微帶天線的諧振頻率主要由______和______決定。答案：貼片尺寸；基板介電常數(shù)5.陣列天線的陣因子描述______，其最大值方向由______條件決定。答案：各單元激勵(lì)的干涉效應(yīng)；相位差三、簡(jiǎn)答題（每題8分，共40分）1.簡(jiǎn)述天線方向性系數(shù)的物理意義及其計(jì)算方法。答：方向性系數(shù)D定義為天線在最大輻射方向的功率密度與相同輸入功率下無(wú)方向性天線（理想點(diǎn)源）在同一距離處的功率密度之比，反映天線將能量集中輻射的能力。計(jì)算方法：D=4πUmax/Pin，其中Umax為最大輻射強(qiáng)度，Pin為輸入功率；或通過(guò)方向圖積分D=4π/∫∫F2(θ,φ)sinθdθdφ（F為歸一化方向圖函數(shù)）。2.比較偶極子天線與微帶天線的優(yōu)缺點(diǎn)。答：偶極子天線優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻帶較寬（約5-10%）、易于分析；缺點(diǎn)：尺寸較大（半波振子約λ/2）、難以集成。微帶天線優(yōu)點(diǎn)：低剖面、易共形、可集成到電路中、易實(shí)現(xiàn)多極化；缺點(diǎn)：帶寬窄（通常1-5%）、損耗較大、功率容量低。3.解釋相控陣天線的波束掃描原理，并說(shuō)明柵瓣產(chǎn)生的條件。答：相控陣通過(guò)控制各單元的激勵(lì)相位差（Δφ=2πdsinθ0/λ）實(shí)現(xiàn)波束指向θ0的掃描（d為單元間距，λ為波長(zhǎng)）。當(dāng)相鄰單元相位差超過(guò)2π時(shí)，會(huì)在非主瓣方向出現(xiàn)與主瓣幅度相當(dāng)?shù)臇虐?，條件為d>λ/(1+|sinθ0|)（θ0為掃描角），通常取d≤λ/2以避免柵瓣。4.說(shuō)明天線互易定理的內(nèi)容及其在工程中的應(yīng)用。答：互易定理指出，同一天線作為發(fā)射和接收時(shí)的方向圖、輸入阻抗、增益等參數(shù)完全相同。工程應(yīng)用：可通過(guò)測(cè)量接收狀態(tài)的參數(shù)（如方向圖）替代發(fā)射狀態(tài)的測(cè)量，簡(jiǎn)化測(cè)試；設(shè)計(jì)收發(fā)共用天線（如雷達(dá)天線）時(shí)，無(wú)需分別優(yōu)化發(fā)射和接收性能。5.列舉三種提高微帶天線增益的方法，并簡(jiǎn)述其原理。答：（1）增加貼片尺寸：擴(kuò)展口徑面積，等效增加有效輻射孔徑，提高增益；（2）采用微帶陣列：通過(guò)多個(gè)單元的相干疊加增強(qiáng)主瓣方向能量；（3）加載高阻抗表面（HIS）：HIS可抑制表面波損耗，同時(shí)反射電磁波與直射波疊加增強(qiáng)輻射，提高增益；（4）使用介質(zhì)透鏡：透鏡匯聚電磁波，等效增大天線口徑，提升增益（任選三種）。四、計(jì)算題（每題15分，共30分）1.設(shè)計(jì)一個(gè)工作在2.4GHz的半波偶極子天線，計(jì)算其長(zhǎng)度、輸入阻抗及遠(yuǎn)場(chǎng)E面方向圖表達(dá)式（假設(shè)自由空間，ε0=8.85×10?12F/m，μ0=4π×10??H/m）。解：（1）工作波長(zhǎng)λ=c/f=3×10?/2.4×10?=0.125m=125mm。半波偶極子長(zhǎng)度l=λ/2=62.5mm（實(shí)際中因末端效應(yīng)需縮短5-10%，取l≈60mm）。（2）輸入阻抗：半波振子的輸入阻抗約為Zin=73+j42.5Ω（工程近似為73Ω）。（3）遠(yuǎn)場(chǎng)E面（赤道面，φ=90°）方向圖函數(shù)：F(θ)=|cos(πcosθ/2)/sinθ|，其中θ為與振子軸線的夾角（θ=0°沿軸線，θ=90°垂直軸線）。2.一個(gè)由4個(gè)半波振子組成的均勻直線陣，單元間距d=λ/2，同幅同相激勵(lì)，計(jì)算其陣因子方向圖、3dB波瓣寬度及最大旁瓣電平（SLL）。解：（1）陣因子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波瓣寬度：對(duì)于均勻直線陣，主瓣寬度近似為θ3dB≈0.886λ/(Ndsinθ0)（θ0=0°時(shí)，sinθ0=1），代入得θ3dB≈0.886×λ/(4×λ/2×1)=0.886/2≈0.443rad≈25.4°。（3）最大旁瓣電平：均勻激勵(lì)時(shí)，第一旁瓣電平約為-13.26dB（由sin(x)/x函數(shù)的旁瓣特性決定）。五、設(shè)計(jì)題（20分）設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用于5GNRn41頻段（2496-2690MHz）的微帶貼片天線，要求：中心頻率2.593GHz，增益≥6dBi，駐波比≤1.5，給出基板材料選擇、貼片尺寸計(jì)算、饋電方式及優(yōu)化措施。設(shè)計(jì)步驟：1.基板選擇：選用低損耗、高頻性能穩(wěn)定的基板（如RogersRT5880，εr=2.2，tanδ=0.0009，厚度h=1.575mm），低介電常數(shù)可展寬帶寬，低損耗降低插入損耗。2.貼片尺寸計(jì)算：（1）有效介電常數(shù)εreff=(εr+1)/2+(εr-1)/2×[1+12h/W]^(-1/2)（W為貼片寬度，初始假設(shè)W≈λ0/(2√εr)，λ0=c/f=115.7mm，W≈115.7/(2×1.483)=39mm）。（2）諧振長(zhǎng)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.饋電方式：選擇微帶線饋電（便于集成），饋電點(diǎn)位置x0=W/2×√(Zin/Z0)（Zin=73Ω，Z0=50Ω），x0≈39/2×√(73/50)=19.5×1.21≈23.6mm（從貼片邊緣起算），調(diào)整x0實(shí)現(xiàn)50Ω匹配。4.