基于菲涅耳波带片的光通信天线
第30卷 第1期光 学 学 报
Vol.30,No.12010年1月
ACTA OP TICA SINICA
J anuary ,2010
文章编号:025322239(2010)0120036207
基于菲涅耳波带片的光通信天线
方靖岳 常胜利 秦石乔 张海良
(国防科学技术大学理学院,湖南长沙410073)
摘要 利用平面屏幕衍射的基尔霍夫理论,模拟计算了波带片在平面光垂直入射情况下的会聚及分光性能。结果表明,菲涅耳波带片(FZP )对垂直入射的平行光具有会聚及分光能力;离轴波带片相对于相同面积的对称波带片对参考光波的聚集能力更强,能获得更加干净的背景。ZEMAX 分析表明,偏离中心一定位置的离轴波带片的面积越大,对光波的聚集能力越强,抑噪能力也越强;面积一定的离轴波带片偏离对称波带片中心越小,对光波的聚集能力越强,抑噪能力也越强。提出了利用菲涅耳波带片及卡塞格伦望远镜相结合的组合天线方案,分析表明,该天线具有一定的聚光能力,且抑噪能力相比抛物面天线更强。
关键词 光通信;光学天线;菲涅耳波带片;卡塞格伦望远镜;离轴波带片
中图分类号 TN256 文献标识码 A doi :10.3788/AOS 20103001.0036
Op t ical Co m m u nica t i on A nt e n n a B as ed o n F res nel Zo ne Pl a t e
Fang J ingyue Chang Shengli Qin Shiqiao Zhang Hailiang
(College of Science ,Na tion al U niversit y of Defense Tech nology ,Cha ngs ha ,Hu n a n 410073,Chi n a )Abs t r act The capability of Fres nel zone plate (FZP )for light converging and splitting is calculated for normal incidence plane lights by using the Kirchhoff diff raction formula ,and the results show that the capability of light converging and splitting capability is great for normal incident parallel light ;the abaxial FZP ′s capability of light converging and splitting exceeds the whole FZP for the same area.The ZEMAX analyses show that the abaxial FZP ′s light converging and noise rest raining ability is greater on condition that its area is bigger when it deviates the same distance f rom the FZP ′s center or the distance it deviates f rom the FZP ′s center is f urther when it has the same area.An optical antenna is p roposed which is composed of FZP and Cassegrain telescope for atmosp heric optical communication.It shows that the antenna can converge light and its noise rest raining ability exceeds the paraboloid antenna.
Key w or ds optical communications ;optical antenna ;Fres nel zone plate ;Cassegrain telescope ;abaxial Fres nel zone plate
收稿日期:2008212201;收到修改稿日期:2009202227
基金项目:国家自然科学基金(60607013)资助课题。
作者简介:方靖岳(1983—),男,博士研究生,主要从事光电器件与测控、紫外通信等方面的研究。E 2mail :fjy_nudt @https://www.wendangku.net/doc/df2807214.html,
导师简介:秦石乔(1963—),男,教授,博士生导师,主要从事光电仪器、测控技术及光电精确制导技术等方面的研究。E 2mail :sqqin8@https://www.wendangku.net/doc/df2807214.html,
1 引 言
自由大气紫外光通信技术的基本原理是把需要传输的信息加载到紫外光波上,利用大气散射效应作为传输通道,在接收端采用光学天线接收信号,通过分光滤波等手段降低背景光噪声,再利用光电探测元件将光信号转换为电信号,进行解调及信息还原[1]。接收滤光技术和光学天线技术是提高探测系统信噪比的关键。目前,通常采用抛物面作为接收天线[2,3]。利用MOD TRAN 计算得出的地表200～
400nm 太阳辐照度可知,若选取254nm 作为工作
波长[4],由于地表300～400nm 波段的辐照度相对
254nm 强烈,而光电探测元件对300～400nm 波段也有响应,所以需要滤光措施降低该波段的干扰。同时大气分子和气溶胶粒子的吸收及散射,引起光信号能量的衰减[5],所以需要光学天线增加接收的光信号强度。本文将对菲涅耳波带片(下文简称为波带片)进行分析,并针对大气紫外光通信,提出基于波带片和卡塞格伦望远镜的光学天线。
1期方靖岳等: 基于菲涅耳波带片的光通信天线
2 波带片的相关原理和公式
波带片是由一组透光与不透光的同心圆环交替
间隔组成的特殊光栅,圆环半径满足ρn =
n λf +n 2λ2
/4, (n =1,2,3,…,N ),
(1)
式中ρn 为第n 个圆环的半径,f 为波带片的主焦距。
非单色平面光波垂直入射波带片时,由(1)式知,
f λ=f ′λ′=ρ2
1,不同光波的主焦距不同
′f =λf /′λ,(2)光波越长,其焦距越短,波带片具有分光作用。
运用平面屏幕衍射的基尔霍夫理论,由基尔霍夫衍射公式推导波带片的衍射光强[6～9]
U 0(P 0)=
1
4π∫Σ
1
∫
5U 5n exp (j kr 01)r 01-U 55n
exp j kr 01
r 01d s ,
(3)式中Σ1为波带片透光的圆环面积,r 01为波带片上某点P 到观察点P 0的距离,U 为波带片上光的复振幅分布,U 0(P 0)是光在观察点P 0的复振幅(如图1所
示)。P 0点离Σ1足够远,满足r 01μλ,于是k ν1/r 01,得
U 0(P 0)=
14π∫Σ
1
∫
exp (j kr 01)r 01
5U
5n
-j kU co s φd s.
(4)
图1菲涅耳基尔霍夫衍射示意图
Fig.1Sketch diagram of Fresnel 2Kirchhoff diff raction
假设振幅为A 的平面波以方向余弦(co s α,co s
β,co s γ)入射波带片所在xoy 平面,则有
U =A exp j k x cos α+y cos β+z co s γ,5U
5n
=-j kU co s γ,
(5)在柱坐标系下,假设Σ1面z =0,并将(5)式代入(4)式得
U 0(r 0,θ0,z 0)=-
j kA
4
π∫Σ1
∫
exp j kr 01
01
×
exp j k x cos α+y cos βcos γ+co s φr d r d
θ,(6)
式中r 201=(r 20+r 2+z 2
0)-2r 0r cos (θ-θ0),cos φ=
z 0/r 01,x =r cos θ,y =r sin θ。得观察点P 0(r 0,θ0,z 0)
处的衍射光强I (r 0,θ0,z 0)=|U 0(r 0,θ0,z 0)|2
。
假设在波带片(位于xoy 平面)上以G (a ,0,0)
为圆心,以b 为半径截取一部分获得离轴波带片[10](如图2所示),则(6)式改写为
U 0(r 0,θ0,z 0)=-j kA
4π∫Σ1
∫
exp (j kr 01)r 01
×
exp j k (x cos α+y cos β)circ r 2+a 2
-2ar cos θb
×
(cos γ+cos φ)r d r d θ.
(7)
图2截取离轴波带片
Fig.2Intercepting abaxial Fresnel zone plate
下面讨论两种特例。1)平面波垂直入射波带片
时,cos α=co s β=0,cos γ=1,则观察点P 0处的光波振幅为
U 0(r 0,θ0,z 0)=-
j kA
4
π∫Σ1
∫
exp (j kr 01)
r 01
×
(1+co s φ)r d r d θ,
(8)
当z 0μr ,z 0μr 0时,(8)式可简化为
U 0(r 0,θ0,z 0)=-j kA exp j k z 0+r 20/(2z 0)
2
πz 0×
∫Σ1
∫
exp
j k 2z 0
r 2
-2rr 0cos (θ-θ0)
r d r d θ.(9)
2)平面波传播方向平行于xoz 平面,与x 轴的夹
角为α
(如图3所示),即cos β=0,cos γ=sin α,则观察点P 0处的光波振幅为
7
3
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U 0(r 0,θ0,z 0)=-
j kA
4
π∫Σ1
∫
exp (j kr 01)
r 01
exp (j kr co s θcos α)(cos γ+cos φ)r d r d θ,(10)
当z 0μr ,z 0μr 0时,上式可简化为
U 0(r 0,θ0,z 0)=-j kA (1+co s γ)exp j k z 0+r 20/(2z 0)4
πz 0×
∫Σ
1
∫
exp j k r co s α
co s θ+r 2
-2rr 0co s (θ-θ0)
2z 0
r d r d
θ.(11)
图3平面波与x 轴成α角入射波带片
Fig.3Plane wave enters the Fresnel zone plate at
an angle of α
3 对波带片的模拟与分析
以λ1=254nm ,λ2=300nm 和λ3=400nm 三
种光波作为讨论对象。假设波带片的参考波长λ1=
254nm ,主焦距
f 1=20cm ,半波带数n =4000,透光的半波带数N =2000,此时,波带片的最外环半径为R 4000≈1.43cm 。若单位振幅平面光波垂直入射波带片,根据(8)式,利用MA TLAB 模拟计算得到如图4和图5所示的结果。
图4垂直入射波带片时的轴向光强分布
Fig.4Axial intensity distribution with incident angle α=0
图4所示三种光波各自在不同位置聚焦光,这是
因为波带片具有分光作用,由(
2)式得:f 2=0.169m ,f 3=0.127m ,光波越长,其焦距越短。图5所示主焦点处光强I 1≈1.6×107,这是因为菲涅耳半波带任何相邻两带的对应部分所发出的次波到达主焦点时的光程差为λ1/2,对于单位振幅平面光而言,不用波带
图5垂直入射波带片时主焦面横向光强分布
Fig.5Transverse intensity distribution of main
focal plane with α=0
片或任何光阑时(N →∞
),主焦点的合振幅为A ∞=a 1/2,若只让奇数半波带透光,则主焦点处的合振幅
为A N ≈N ×2A ∞=2000a 1,从而I N =4N 2I ∞≈1.6×107I ∞。由于波带片的分光作用,主焦点(z =f 1)上的光强I 2和I 3相比I 1非常小。
由(2)式知,波带片具有分光的作用,不同光波会聚在不同位置,从而可以降低参考光波焦点处的背景噪声。若半波带数n =62800,透光的半波带数N =31400,此时,波带片最外环半径为R 62800≈5.7cm 。假设a =3R 62800/4,b =R 62800/4,由(7)式计算得图6所示结果。虽然b ≈R 4000,但图6和图7所示主焦面上的各个光波的光强分布并不相同,通过离轴波带片后主焦面上的光强相对于通过相同面积的对称波带片后主焦面上的光强要小。但是,对于离轴情况
I 1/I 2,3≈107,而对于对称波带片I 1/I 2,3≈103
,所以离轴波带片相对于相同面积的对称波带片对参考光波的聚集能力更为突出,使用离轴波带片能获得更加干净的背景。图7所示即为b =R 62800/4,a =0和b =R 62800/4,a =3R 62800/4两种情况下,200～400nm 波段光波通过离轴波带片和具有相同面积的对称波带片后主焦点上光强的谱分布。可见,离轴波带片相比于对称波带片具有更好的抑噪性能。
根据(1)式有
Δρn =ρn+1-ρn =
λf +λ2/4+n λ2
/2ρn+1+ρn
<8
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1期方靖岳等: 基于菲涅耳波带片的光通信天线
λf +λ2/4+n λ2
/2
2ρn
.
(12
)
图6垂直入射离轴波带片时主焦面横向光强分布
Fig.6Transverse intensity distribution of main focal plane when light inject abaxial zone plate at α=0
目前,最好的波带片最外环线宽已经达到19nm [11],假设参考光波长λ1=254nm ,根据波带
片的加工水平,若Δρn ≥
150nm ,当主焦距f 1=1cm 时,由(12)式可知n max =69234,此时波带片的最外环半径R ≈1.591cm ;假设主焦距f 1=10cm ,则n max =692333,R ≈15.cm
。
图7主焦点光强的谱分布
Fig.7Spectrum of the main focus intensity
取主焦距f 1=10cm ,半波带数n =200,透光的半波带数N =100,则波带片的最外环半径R ≈
2.25mm ,利用ZEMA X 进行模拟计算得到如图8所示的结果。
图9所示为三种光波通过离轴位置相同、尺寸大小不同(a 相同且为1mm ,b 取不同值)而截取的离轴波带片时,主焦面上的光强分布。由此可见:1)离轴波带片的半径越大,
对光波的聚集能力越
图8垂直入射波带片时主焦面的光强分布
Fig.8Irradiance distribution of main focal plane when light enter zone plane with α=
图9垂直入射不同波带片时主焦面的光强分布
Fig.9Irradiance distribution of main focal plane when light inter different abaxial zone plane with α=0
9
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光 学 学 报30卷
强;2)离轴波带片的半径越大,对参考光波λ1的聚
集能力相对λ2和λ3越突出。
图10所示为三种光波通过尺寸大小相同、离轴位置不同(b 相同且为0.5mm ,a 取不同值)而截取
的离轴波带片时,主焦面上的光强分布。由此可见:1)离轴波带片对中心偏离越远,对光波的聚集能力越弱;2)离轴波带片对中心偏离越远,对参考光波λ1的聚集能力相对λ2和λ3越差
。
图10垂直入射不同波带片时主焦面的光强分布
Fig.10Irradiance distribation of main focal plane when light enter different zone plate with α=0
4 光学天线方案
图11所示为光线入射卡塞格伦(Cassegrain )
望远镜,其参数为主镜:k m =-1,r m =200cm ;副镜:k s =-1.5625,r s =22.5cm ;主副镜间距90cm 。角度从0～0.06°变化时,半径为1cm 的探测元件上的光斑分布。当入射角为0.06°时,光线已无法完
全到达探测元件,可见卡塞格伦望远镜视场角很小。
若忽略副镜对入射光线的阻挡,则卡塞格伦望远镜的光学增益为G ≈(r m /r d )2(r m 是主镜顶点曲率半径,r d 是探测元件半径)[12]。卡塞格伦望远镜具有小视场高增益的特点
。
图11探测器上光线会聚点随光线入射角度的变化
Fig.11Variation of convergent points of ray with different incident angles
通过以上计算和分析知道,波带片对垂直入射的平行光具有强大的会聚及分光能力,离轴波带片对垂直入射光波同样具有强大的会聚能力,且分光更加彻底;卡塞格伦望远镜系统具有小视场高增益特点,常用于激光通信系统。如果将卡塞格伦望远镜系统与波带片相结合组成如图12所示的光学天线(下文称组合天线),将波带片置于望远镜出射孔
径上,调整卡塞格伦望远镜系统副镜与主镜的距离,能使光线经副镜反射后,以平行光形式垂直入射波带片,那么就可以充分利用望远镜小视场高增益和波带片高会聚及分光的作用,提高信号光强度并降低背景光干扰。
利用ZEMA X 进行模拟计算,设置主镜为抛物面:顶点曲率半径r m =20cm ,焦距f m =10cm ,圆锥
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1期方靖岳等:
基于菲涅耳波带片的光通信天线
图12基于波带片的光学天线
Fig.12Optical antenna based on Fresnel zone plate
系数k m =-1,尺寸半径r m_size =20mm ;副镜为双曲面:顶点曲率半径r s =22.5mm ,焦距f s =10mm ,
圆锥系数k s =- 1.5625。当设置主镜和副镜的间
距为经验值88.728mm 时,经副镜射向主镜通光孔径的光线近似为平行光。若主镜的通光孔径r m_ap e =2.254mm ,将参考光波长λ1=254nm ,主焦距f 1=10cm 的对称波带片置于通光孔径上,探测平面位于波带片焦平面,计算得图13所示探测平面的光强分布。与图8所示结果相比较可见,相同面积的对称波带片,与Cassegrain 组合时对光波的聚
集能力比单独使用时对光波的聚集能力要强。这是因为主镜具有较大的受光面积,进入主镜有效视场的光线通过副镜向波带片进行了转移。根据前面得出的结论,若在主镜的通光孔径处放置离轴波带片,天线的抑噪性能将更为突出
。
图13垂直入射组合天线时探测平面的光强分布
Fig.13Irradiance distribution of probe plane when light enter composed antenna in normal incidence
对于抛物面天线,设置顶点曲率半径r par =10mm ,焦距f par =5mm ,尺寸半径r par_size =20mm ,
利用ZEMAX 模拟得到如图14所示的焦平面光强分布。组合天线和抛物面天线具有相同的入瞳大小,在探测平面的光强分布分别如图13和图14所示,通过比较两者的峰值辐照度及总功率可见,利用抛物面天线得到的峰值辐照度以及总功率较组合天
线都大,但是,组合天线比抛物面天线具有更高的抑噪效果。这是因为,抛物面能将入射光会聚到唯一的焦点上,波带片在利用光通量上却存在缺陷,它只让偶数或者奇数半波带通光,就使入射光的光通量损失了一半,它又存在一系列的焦点,也是对光能量的一种浪费
。而波带片所具有的系列焦点又使得组合天线比抛物面天线具有更好的抑噪性能。
图14垂直入射抛物面天线时探测平面的光强分布
Fig.14Irradiance distribution of probe plane when light enter paraboloid antenna in normal incidence
4 结 论
波带片适合应用在长程光通信、卫星激光通讯和宇航器对太阳能的采集等领域,本文根据波带片和卡塞格伦望远镜的特点,提出了将两者结合组成光学天线的方案。它利用望远镜小视场高增益的特点和波带片会聚及分光的作用,提高信号光强度并降低背景噪声。但是,由于波带片对一种波长的光有多个焦点,这不利于对光通量的充分利用,可以考
虑应用相位型波带片。波带片是该光学天线的关键器件,其加工水平直接影响其应用,有报道称[13～16],中国科学院微电子研究所在国家同步辐射实验室光刻站上利用X 射线光刻技术成功研制出最外环宽度为150nm 的高线密度钛特征线微聚焦波带片。通过合理选择参考光波长和主焦距,能加工出符合实际工作要求的波带片。本文为大气散射光通信光学天线的设计提供了参考依据。
1
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天线与电波传播实验一
实验报告实验一测量线法测量线式天线输入阻抗 使用仪器型号和编号： （1）同轴测量线：型号（TC8D ）和编号（051 ）； （2）信号发生器：型号（XBT ）和编号（860234 ）； （3）选频放大器：型号（XF-01 ）和编号（820591 ）； （4）被测天线负载组别（第4组）； 一．波导波长测量（采用交驻读数法） (1)测量读数 L1A =(111.17 )mm; L2A =(121.35 ) mm; LminA =(116.26 )mm; L1B =(162.90)mm; L2B =(190.1)mm; LminB =(176.50)mm; = 2| LminA - LminB |= (120.48) mm; 频率换算f = （2.49）GHz； (2) 测量读数 L1A =(66.08)mm; L2A =(90.56) mm; LminA =(78.32)mm; L1B =(125.00)mm; L2B =(150.68)mm; LminB =(137.84)mm; = 2| LminA - LminB |= (119.05 ) mm; 频率换算f = （2.52）GHz； (3) 测量读数 L1A =( 133.64 )mm; L2A =( 138.98 ) mm; LminA =( 136.31 )mm; L1B =( 192.18 )mm; L2B =( 199.72 )mm; LminB =( 195.95 )mm; = 2| LminA - LminB |= ( 119.28 ) mm; 频率换算f = （ 2.515 ）GHz； (4)计算平均值 g = (119.60) mm; 换算频率f = （2.508）GHz； 二．绘画晶体管定标曲线
matlab模拟菲涅尔波带片
4.菲涅尔波带片 （1）偶数波带片：将波带片所在屏幕分为1001*1001个点，依次求出各点处的半波带数，为奇数则涂黑，为偶数则不涂黑表示透光。设波带片中心为原点。clear; lam=600e-6; %设置波长为600nm R=3; %设置菲涅尔波带片半径为3mm f=1000; %设置焦距1m ym=R; xm=R; y=linspace(-ym,ym,1001); x=linspace(-xm,xm,1010); %设置程序中x，y向量，将屏幕分为1001*1001个点 for m=1:1001 for n=1:1001 %设置二重循环依次求菲涅尔波带片屏幕上各点p=sqrt(x(m).^2+y(n).^2); %求各点所在圆半径 k=fix(p.^2./(lam.*f)); %求各点半波点数 if p>R %如果屏幕上点大于波带片半径 I(m,n)=0; % 则用灰色表示背景，不是波带片部分else if mod(k,2)==1 %判断半波带数奇偶，为奇数则涂黑 I(m,n)=0; else I(m,n)=1; %为偶数则不涂黑表示透光 end end end end colormap(gray(255))
N=255; %设置灰度等级 Ir=I*N; image(Ir); %绘制波带片图像 运行程序得到如下图像，为菲涅尔偶数波带片： （2）奇数波带片：将波带片所在屏幕分为1001*1001个点，依次求出各点处的半波带数，为偶数则涂黑，为奇数则不涂黑表示透光。设波带片中心为原点。clear; %设置波长为600nm lam=600e-6; %设置波长为600nm R=3; %设置菲涅尔波带片半径为3mm f=1000; %设置焦距1m ym=R; xm=R; y=linspace(-ym,ym,1001); x=linspace(-xm,xm,1010); %设置程序中x，y向量，将屏幕分为1001*1001个点 for m=1:1001 for n=1:1001 %设置二重循环依次求菲涅尔波带片屏幕上各点p=sqrt(x(m).^2+y(n).^2); %求各点所在圆半径 k=fix(p.^2./(lam.*f)); %求各点半波点数
天线与电波传播理论论文
天线与电波传播理论论文 关于微带天线 姓名：何探
学号：3090731126 班级：通信09-1班 指导教师：X月红 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。本论文的主要工作是概述微带天线。 一微带天线的发展历程 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。 二微带天线的结构与种类 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。其典型结构如图2.1所示 （a）微带贴片天线（b）微带振子天线
电波传播与天线专业
电波传播与天线专业 本专业旨在培养具有坚实数学物理基础，掌握现代电子信息科学技术的基本理论、基本知识和实验技能，能运用计算机等现代工具对无线电系统及信息获取进行分析、设计和综合应用的高级专门人才。 电波传播与天线（Electromagnetic wave propagation and antenna） 开设院校 序号主管部门学校名称专业代码专业名称修业年限学位 69教育部武汉大学080635S电波传播与天线四年理学 95教育部成都电子科技大学080635S电波传播与天线四年工学 101教育部西安电子科技大学080635S电波传播与天线四年工学 注：专业代码加有“S”者为在少数高校试点的目录外专业。 专业综合介绍 成都电子科技大学 修业年限及授予学位：四年、工学学士 本专业以国家重点学科“电磁场与微波技术”为支撑。本专业拥有包括中科院院士林为干教授为代表的学科中坚力量，老中青相结合，梯队结构合理的高水平师资队伍。本专业旨在培养具有坚实的电波传播与天线工程应用能力的高层次专业人才。 主干课程：信号与系统、电磁场理论、电波传播、电磁波散射、天线原理与设计、微波技术基础、电路分析基础、模拟电路基础、数字逻辑设计及应用、微机原理及接口技术、电磁场数学方法、阵列天线分析与综合、自适应天线、天线与微波测量、数字信号处理、随机信号分析等。 毕业走向：继续深造；到信息电子、航空、航天、船舶、电信等工业部门和国防科研院所从事相关科学研究、技术研发、技术应用、技术管理和教学等工作。 武汉大学 本专业应用近代物理学和电子信息科学的基本理论、方法和实验手段，主要研究电磁波的辐射、传播、散射及其在通信、雷达、遥感、导航等领域中的应用。本专业是我国电波科学人才培养的摇篮，培养具有坚实数学物理基础，掌握现代电子信息科学技术的基本理论、
菲涅尔透镜的原理及应用
菲涅尔透镜的原理及应用 （国防科大理学院光学小组第六组） [摘要] 菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆。菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。菲涅尔透镜可按照光学设计或结构进行分类。菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用；二是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。 [关键词] 菲涅尔透镜；原理；分类；应用；研究与发展状况 本文主要从菲涅尔透镜的历史，基本原理，分类，作用，应用以及国内外的研究与发展状况等方面完整介绍了菲涅尔透镜的相关知识。 1.简介 菲涅尔透镜 (Fresnel lens)，又称螺纹透镜，是由法国物理学家奥古斯汀·菲涅尔（Augustin·Fresnel)发明的，他在1822年最初使用这种透镜设计用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统——灯塔透镜。菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是利用光的干涉及扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的，透镜的要求很高，一片优质的透镜必须是表面光洁，纹理清晰，其厚度随用途而变，多在1mm左右，特性为面积较大，厚度薄及侦测距离远。
菲涅尔透镜 菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用；二是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。多用于对精度要求不是很高的场合，如幻灯机、薄膜放大镜、红外探测器等。 2.菲涅尔透镜的历史 通过将数个独立的截面安装在一个框架上从而制作出更轻更薄的透镜，这一想法常被认为是由布封伯爵提出的。孔多塞(1743-1794)提议用单片薄玻璃来研磨出这样的透镜。而法国物理学家兼工程师菲涅尔亦对这种透镜在灯塔上的应用寄予厚望。根据史密森学会的描述，1823年，第一枚菲涅尔透镜被用在了吉伦特河口的哥杜昂灯塔（Phare de Cordouan）上；透过它发射的光线可以在20英里（32千米）以外看到。苏格兰物理学家大卫·布儒斯特爵士被看作是促使英国在灯塔中使用这种透镜的推动者。 3.菲涅尔透镜的基本原理 菲涅尔透镜的工作原理十分简单：假设一个透镜的折射能量仅仅发生在光学表面（如：透镜表面），拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度。
电磁波传播
电磁波传播特性实验报告 Part1 电磁波参量的测量 一、实验目的 1、了解电磁波综合测试仪的结构，掌握其工作原理 2、利用相干波原理，测定自由空间内电磁波波长λ，确定电磁波的相位常数K 和波速v。 二、实验原理 1、自由空间电磁波参量的测量 当两束等幅，同频率的均匀平面电磁波，在自由空间内沿相同或相反方向传播时，由于相位不同发生干涉现象，在传播路径上可形成驻波场分布。本实验正是利用相干波原理，通过测定驻波场节点的分布，求得自由空间中电磁波波长λ值，再由 得到电磁波的主要参数K和v等。 电磁波参量测试原理如图1-1所示，和分别表示发射和接收喇叭天线，A和B分别表示固定和可移动的金属反射板，C表示半透射板（有机玻璃板）。由TP发射平面电磁波，在平面波前进的方向上放置成°角的半透射板，由于该板的作用，将入射波分成两束波，一束向A板方向传播，另一束向B板方向传播。由于A和B为金属全反射板，两列波就再次返回到半透射板并达到接收喇叭天线处。于是收到两束同频率，振动方向一致的两个波。如果这两个波的相位差为π的偶数倍，则干涉加强；如果相位差为π的奇数倍，则干涉减弱。 移动反射板B，当的表头指示从一次极小变到又一次极小时，则反射板B 就移动了λ/2的距离，由这个距离就可以求得平面波的波长。 设入射波为垂直极化波
当入射波以入射角向介质板C斜入射时，在分界面上产生反射波和折射波。设C板的反射系数为R，为由空气进入介质板的折射系数，为由介质板进入空气的折射系数。固定板A和可移动板B都是金属板，反射系数均为1?。在一次近似的条件下，接收喇叭天线处的相干波分别为 这里 其中，为B板移动距离，而与传播的路程差为2ΔL。 由于与的相位差为，因此，当2ΔL满足 和同相相加，接收指示为最大。 当2ΔL时满足 和反相抵消，接收指示为零。这里，n表示相干波合成驻波场的波节点数。
《天线与电波传播理论》试卷A
########学院 2010—2011学年第二学期网络教育期末考试试卷 《天线与电波传播理论》课程（A 卷） 题号 一 二 三 四 五 总分 分数 得分 评卷人 一、填空题：（每空1分，共20分） 1、与可见光一样，红外线是一种 波，人体辐射的红外线波长约为10μm ，频率约为 赫兹。 2、单位换算： (1) 103.8 KHZ= HZ= MHZ ； (2) 0.725 MHZ= HZ= KHZ ．。 3、半波振子的方向函数为 ，方向系数为 。 4、Maxwell 提出的 电流的概念，使在任何状态下的电流都可保持连续，并且指明 电流和 电流是产生涡旋磁场的源。 5、坡印廷矢量的大小代表 ，其单位为 ，其方向代表 ，瞬时坡印廷矢量的表达式为 。 6、任一线极化波都可分解为两个振幅 、旋向 的圆极化波，任一圆极化波都可分解为两个振幅 、相互 且相位 的线极化波。 二、单项选择题：（每小题2分，共20分） 1. 我国的卫星通信技术拥有自主知识产权，在世界处于领先地位.在北京发射的信号通过通信卫星会转到上海被接收.实现这种信号传递的是( ) A.超声波 B.次声波 C.声波 D.电磁波 2. 关于电磁波的传播，以下说法正确的是（ ） A ．只能在真空中传播 B ．在水中不能传播 C ．可以在很多介质中传播 D ．只能在空气中传播 3．微波炉中不能使用金属容器，这主要是因为（ ） A ．金属易生锈，弄脏炉体 B ．金属容易导电，造成漏电事故 C ．微波能在金属中产生强大的电流，损坏微波炉 D ．金属易传热 ，使炉体温度过高 4．下列说法正确的有（ ） A ．频率越低的电磁波的波长越短 B ．频率越高的电磁波传播速度越快 C ．频率越低的电磁波传播速度越快 D ．频率越高的电磁波的波长越短 5. 在2003年4月的伊拉克战争中，美英联军在战争中使用电子干扰取得了很好的效果，争取到了战争的主动权，电子干扰具体地说就是（ ） A ．对敌方发射电磁波 B ．对敌方发射很强的电磁波 得分 评卷人
无线电波传播模型与覆盖预测
无线电波传播模型 与 覆盖预测 河北全通通信有限责任公司 工程部网络服务组 二0 0二年四月二十日
第一节无线传播理论 1.1 无线传播基本原理 在规划和建设一个移动通信网时，从频段的确定、频率分配、无线电波的覆盖范围、计算通信概率及系统间的电磁干扰，直到最终确定无线设备的参数，都必须依靠对电波传播特性的研究、了解和据此进行的场强预测。它是进行系统工程设计与研究频谱有效利用、电磁兼容性等课题所必须了解和掌握的基本理论。 众所周知，无线电波可通过多种方式从发射天线传播到接收天线：直达波或自由空间波、地波或表面波、对流层反射波、电离层波。如图1-1所示。就电波传播而言，发射机同接收机间最简单的方式是自由空间传播。自由空间指该区域是各向同性（沿各个轴特性一样）且同类（均匀结构）。自由空间波的其他名字有直达波或视距波。如图1-1（a），直达波沿直线传播，所以可用于卫星和外部空间通信。另外，这个定义也可用于陆上视距传播（两个微波塔之间），见图1-1（b）。 第二种方式是地波或表面波。地波传播可看作是三种情况的综合，即直达波、反射波和表面波。表面波沿地球表面传播。从发射天线发出的一些能量直接到达接收机；有些能量经从地球表面反射后到达接收机；有些通过表面波到达接收机。表面波在地表面上传播，由于地面不是理想的，有些能量被地面吸收。当能量进入地面，它建立地面电流。这三种的表面波见图1-1（c）。第三种方式即对流层反射波产生于对流层，对流层是异类介质，由于天气情况而随时间变化。它的反射系数随高度增加而减少。这种缓慢变化的反射系数使电波弯曲。如图1-1（d）所示。对流层方式应用于波长小于10米（即频率大于30MHz）的无线通信中。第四种方式是经电离层反射传播。当电波波长小于1米（频率大于300MHz）时，电离层是反射体。从电离层反射的电波可能有一个或多个跳跃，见图1-1（e）。这种传播用于长距离通信。除了反射，由于折射率的不均匀，电离层可产生电波散射。另外，电离层中的流星也能散射电波。同对流层一样，电离层也具有连续波动的特性，在这种波动上是随机的快速波动。蜂窝系统的无线传播利用了第二种电波传播方式。这一点将在后文中论述。 在设计蜂窝系统时研究传播有两个原因。第一，它对于计算覆盖不同小区的场强提供必要的工具。因为在大多数情况下覆盖区域从几百米到几十公里，地波传播可以在这种情况下应用。第二，它可计算邻信道和同信道干扰。 预测场强有两种方法。第一种纯理论方法，适用于分离的物体，如山和其他固体物体。但这种预测忽略了地球的不规则性。第二种基于在各种环境的测量，包括不规则地形及人为障碍，尤其是在移动通信中普遍存在的较高的频率和较低的移动天线。第三种方法是结合上述两种方法的改进模型，基于测量和使用折射定律考虑山和其他障碍物的影响。在蜂窝系统中，至少有两种传播模型，第一种是FCC建议的模型。第二种设计模型由Okumura提供，覆盖边
《天线与电波传播理论》试卷及答案
1、与可见光一样，红外线是一种波，人体辐射的红外线波长约为10μm，频率约为赫兹。 2、单位换算： (1) 103.8 KHZ= HZ= MHZ； (2) 0.725 MHZ= HZ= KHZ．。 3、半波振子的方向函数为，方向系数为。 4、Maxwell 提出的电流的概念，使在任何状态下的电流都可保持连续，并且指明电流和电流是产生涡旋磁场的源。 5、坡印廷矢量的大小代表，其单位为，其方向代表，瞬时坡印廷矢量的表达式为。 6、任一线极化波都可分解为两个振幅、旋向的圆极化波，任一圆极化波都可分解为两个振幅、相互且相位的线极化波。 二、单项选择题：（每小题2分，共20分） 1. 我国的卫星通信技术拥有自主知识产权，在世界处于领先地位.在北京发射的信号通过通信卫星会转到上海被接收.实现这种信号传递的是( ) A.超声波 B.次声波 C.声波 D.电磁波 2. 关于电磁波的传播，以下说法正确的是（） A．只能在真空中传播 B．在水中不能传播 C．可以在很多介质中传播 D．只能在空气中传播3．微波炉中不能使用金属容器，这主要是因为（）A．金属易生锈，弄脏炉体 B．金属容易导电，造成漏电事故 C．微波能在金属中产生强大的电流，损坏微波炉 D．金属易传热，使炉体温度过高 4．下列说法正确的有（） A．频率越低的电磁波的波长越短 B．频率越高的电磁波传播速度越快 C．频率越低的电磁波传播速度越快 D．频率越高的电磁波的波长越短 5. 在2003年4月的伊拉克战争中，美英联军在战争中使用电子干扰取得了很好的效果，争取到了战争的主动权，电子干扰具体地说就是（） A．对敌方发射电磁波 B．对敌方发射很强的电磁波 C．对敌方发射频率很高的电磁波 D．对敌方发射与敌方电子设备工作频率相同的电磁波，施放反射电磁波的干扰波 6. 对极化强度为的电介质，束缚体电荷密度为＿＿＿＿＿ A. B. C. D. 7.是 A. 左旋圆极化 B. 左旋椭圆极化 C. 右旋圆极化 D. 右旋椭圆极化 8. 在两种不同介质（）的分界面上，电场强度的切向分量 A. 总是连续的 B. 总是不连续的 C. 可能连续也可能不连续 D. ，时连续 9. 入射方向矢量为
第六讲 工程介质中电磁波的传播理论
第六讲工程介质中电磁波的传播理论电磁波是交变电场与磁场相互激发在空间传播的波动。工程介质中电磁波的传播依然满足麦克斯韦方程。为清除地理解雷达检测理论基础，需要对介质中的电磁场、电磁波的传播、波速、衰减、反射与折射的理论有一个基本的了解。 6.1电磁场与电磁波传播方程 岩土、混凝土、钢筋、铁板等为常见的工程介质，前两者电导较小，后两者为良导体。在这些介质中电磁波传播的麦克斯韦方程为：▽×E=-μH t’ ▽×H=εE t’+σE ▽·E=0 ▽·H=0 通常介质的介电常数ε、磁导率μ都是电磁波频率的函数。式中E为电场强度矢量，H为磁场强度矢量，σ为介质的电导率。不失一般性，满足上述麦克斯韦方程的、沿X方向传播的频率为ω的平面电磁波，其电场强度与磁场强度的表达式为： E(x,t)=E o e-αx+i(βx-ωt) H(x,t)=H o e-αx+i(βx-ωt) 6.2电场、磁场与波矢量关系 电磁波是横波，电场强度E、磁场强度H和波矢量K三者互相垂直，组成右手螺旋关系。右手螺旋关系含义如下，四个手指并拢伸直指向电场方向，然后四指回握90° 指向磁场方向，大拇平伸则指向波的传播方向K。电磁波的电厂、磁场、与波矢量的关系如下土所示。在波的传播过程中其空间方向是固定不变的，即使是发生了反射与折射，也只是传播方向K发生变化，电场与磁场的方向依然不变。在空气中电场与磁场是同向位的，两者同时达到极大和极小值，电场强度与磁场强度的比值刚好等于电磁波速。在工程介质中因为有传导电流能量损失，电场与磁场的相位再不同步，磁场落后与电场一个相位，电导率越高，落后的相位越大。 6.3 介质中的电磁波速与能量衰减特性
天线与电波传播_宋铮_习题答案
第一章习题参考答案（仅供参考） 1. 解：电基本振子放置于Z轴上，其空间坐标如右图所示。 ? （1）辐射场的传播方向为径向；电场方向为；磁场方向为；（注：这里表示的是电基本振子的远区辐射场） （2）电基本振子辐射的是线极化波。 （3）过M点的等相位面是一个球面，所以远区辐射场是球面波；又因为 与成正比，则球面波又是非均匀的。 （4）M点的电场与磁场之间有如下关系： （5）从电基本振子的远区辐射场表达式可见： 与电流大小、空间距离及电长度以及子午角有关。 （6）从电基本振子辐射场的表达式可知： 当时，电场有最小值；当时，电场有最大值；磁 场无方向性。（注：也可以用电磁场的方向图来说明。） （7）电基本振子的E面和H面的方向图如下图所示。
5、解：（1）电基本振子的归一化方向函数为： 因为是指主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角。由此可知： ? →? 取，则。 因为是指主瓣最大值两边场强等于最大值0.707的两个辐射方向之间的夹角。由此可知： ? →? 取，则。 （2）磁基本振子的E面图为电基本振子的H面图，H面图为电基本振子 的E面图。所以，其和的计算过程于电基本振子的类似，从略。 8、解：本题考察对半功率点波瓣宽度的理解。因为，所以 ；从图上可以看出点是半功率点，其场强大小为： ，其中为的场强。 由于场强与成正比，则的场强是点场强的 ，即。故有。
10、解：已知天线1的，；天线2的， 。 （1）由可得： （2）由可得： （3）由可得： ?? →?? ?? →?? ????→?? 14、解：接收天线的有效接收面积为 将，代入，则可得。 29、解：如图所示，这是一个4元均匀直线阵，,,,d=0.25λ。
天线与电波传播
天线与电波传播 天线部分： 引言 天线是一种用来发射或接收电磁波的器件，是任何无线电系统中的基本组成部分。换句话说，发射天线将传输线中的导行电磁波转换为“自由空间”波，接收天线则与此相反。于是信息可以在不同地点之间不通过任何连接设备传输，可用来传输信息的电磁波频率构成了电磁波谱。人类最大的自然资源之一就是电磁波谱，而天线在利用这种资源的过程中发挥了重要的作用。 第一讲：传输线基础知识 在通信系统中，传输线(馈线)是连接发射机与发射天线或接收机与接收天线的器件。为了更好的了解天线的性能及参数，首先简单介绍有关传输线的基础知识。 传输线根据频率的使用范围区分有两种类型：1、低频传输线；2、微波传输线。这里重点介绍微波传输线中无耗传输线的基础知识，主要包括反映传输线任一点特性的参量：反射系数Γ、阻抗Z 和驻波比ρ。 一、反射系数Γ 这里定义传输线上任一点处的电压反射系数为 ()()' ' ' ' ' ''' 2()()() 00j z j z j z l U z z U z U z e U z e e βββ-+--+ -Γ=== ==Γ (1) 由上式可以看出，反射系数的模是无耗传输线系统的不变量，即 ()'l z Γ=Γ (2) 此外，反射系数呈周期性，即 ()()''/2g z m z λΓ+=Γ (3) 二、阻抗Z
这里定义传输线上任一点处的阻抗为 ()() () '' 'U z Z z I z = (4) 经过一系列的推导，得出阻抗的最终表达式 ()'' 00'0t a n t a n l l Z j Z z Z z Z Z j Z z ββ+=+ (5) 三、驻波比ρ(VSWR) 这里定义传输线上任一点处的驻波比为 ()() 'm a x 'm i n U z U z ρ= (6) 经过一系列的推导，得出阻抗的最终表达式 11l l ρ+Γ= -Γ (7) 此外，这里还给出反射系数与阻抗的关系表达式 ()()() ()()()'' '' ' '0 11z Z z Z z Z z Z z Z z Z +Γ=-Γ-Γ= + (8) 这里还简单介绍一下传输线理论所要用到的一些基本参数，例如特性阻抗0Z 以及相位常数β，具体表达式如下： 02Z π βλ = == (9) 此外，不同的系统有不同的特性阻抗0Z ，为了统一和便于研究，常常提出归一化的概念，即阻抗 () '0 Z z Z 称为归一化阻抗 ()() '' Z z Z z Z = (10) 第二讲：基本振子的辐射
电磁波与天线知识点
第一章 1.天线的定义：用来辐射和接收无线电波的装置 2.天线的作用： 3.天线基本辐射单元：电基本振子、磁基本振子、惠更斯元 4.电基本振子又称电流元，其辐射场是球面波（等相位面的形状），辐射的是线极化波，传输的波的模式是横电磁波（TEM 波，沿传播方向电场、磁场分量为0） 5.媒质波阻抗η自由空间（120ηπ=Ω） 电基本振子E H θη? = 磁基本振子E H ? θη=- 6.磁基本振子又称磁流元、磁偶极子 7.电基本振子归一化方向函数(,)sin F θ?θ= 理想电源归一化方向函数(,)1F θ?= 8.方向图：E 面 H 面 9.电基本振子E 面方向函数()sin E F θθ=，H 面()1H F ?= 磁基本振子E 面方向函数()1E F θ=，H 面()sin H F ??= 10.方向系数：在同一距离及相同辐射功率条件下，某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度（场强的平方）和无方向性天线（点源）的辐射功率密度（场强的平方）之比 11.电基本振子D=1.5半波振子D=1.64 12.增益系数：在同一距离及相同输入功率条件下，某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度（场强的平方）和无方向性天线（点源）的辐射功率密度（场强的平方）之比 13.天线效率：物理意义（表述了天线能量转换的有效程度） 14.A G D η= 15.天线极化可分为：线极化、圆极化、椭圆极化 16.有效长度 17.输入阻抗 18.频带宽度 19.有效接收面积是衡量接收天线接收无线电波能力的重要指标。 20.对称振子中间馈电，极化方式为线极化，辐射场为球面波。 计算输入阻抗采用“等值传输线法”，最终等效成具有一平均特性阻抗的有耗传输线。对称振子天线振子越粗，平均特性阻抗越小。 21.末端效应：由于对称振子末端具有较大的端面电容，末端电流实际不为零。 22.采用天线阵是为了加强天线的定向辐射能力。
半波带法求解及波带片
光学 赵凯华 半波带法求解圆孔衍射： 如图，设顶点与0P 的距离为b ，将波前∑分割为一系列的环形带，使之每个代的边缘点 12,,, O M M 到0P 的距离分别相差半个波长，古称之为半波带。用()()1020,, U P U P ??代表各个半波带发出的次波在0P 点产生的复振幅，由于相邻半波带贡献的复振幅中相位相差π，则 ()()()()()()()() 1131010202023030,,, j j j U P A P e U P A P e U P A P e ??π?π++?=?=?= 则0P 点合成的复振幅为， ()()()()()() () ()1 00010203001 1n n k n k A P U P U P A P A P A P A P +=== ?=-++-∑ 考虑各个波带的振幅大小，由惠更斯—菲涅尔原理可知， () k k k k A f r θ?∑∝ k ?∑是第k 个波带的面积，k r 是其到0P 的距离，()k f θ是倾斜因子。 求 k k r ?∑，如图所示，首先求球冠的面积为， ()221cos R πα∑=-
其中() () 2 22 cos 2 R R b r R R b α ++- = + 将两式进行微分得， () 2 2sin sin d R d rdr d R R b παα αα ∑= = + 则有， () () 2 /2 2 2dr rdr d R R R b d Rdr R r R b R b λ π ππλ ≈ ∑= + ∑ =≈ ++ 可见，k k r ?∑ 与k无关，由此可知， k A只随着()k fθ缓慢减小，如图所示， 则合成的振幅为， ()()1 01 1 1 2 n n A P A A + ?? =+- ?? 此时看圆孔衍射，若圆孔的孔径挡住了奇数个半波带时，屏的中心呈现暗点，挡住偶数个半波带时，屏的中心呈现亮点。 菲涅尔波带片： 首先计算半波带的半径 k ρ，令/2 k r b kλ =+，忽略2λ，可以导出， 1 k Rb k k R b ρλρ == + 可以作一块板，如图所示，
菲涅尔透镜的原理及应用
菲涅尔透镜的原理及应用 (国防科大理学院光学小组第六组) ［摘要］菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆。菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。菲涅尔透镜可按照光学设计或结构进行分类。菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用；二是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。 ［关键词］菲涅尔透镜；原理；分类；应用；研究与发展状况 本文主要从菲涅尔透镜的历史，基本原理，分类，作用，应用以及国内外的研究与发展状况等方面完整介绍了菲涅尔透镜的相关知识。 1.简介 菲涅尔透镜(Fresnel lens)，又称螺纹透镜，是由法国物理学家奥古斯汀?菲涅尔(Augustin ? Fresnel)发明的，他在1822年最初使用这种透镜设计用于建立一个玻璃菲涅尔透镜系统一一灯塔透镜。菲涅尔透镜多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的，镜片表面一面为光面，另一面刻录了由小到大的同心圆，它的纹理是利用光的干涉及扰射和根据相对灵敏度和接收角度要求来设计的，透镜的要求很高，一片优质的透镜必须是表面光洁，纹理清晰，其厚度随用途而变，多在1mm左右，特性为面积较大，厚度薄及侦测距离远。
菲涅尔透镜 菲涅尔透镜作用有两个：一是聚焦作用；二是将探测区域内分为若干 个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号。菲涅尔透镜的在很多时候相当于红外线及可见光的凸透镜，效果较好，但成本比普通的凸透镜低很多。多用于对精度要求不是很高的场合，如幻灯机、薄膜放大镜、红外探测器等。 2. 菲涅尔透镜的历史 通过将数个独立的截面安装在一个框架上从而制作出更轻更薄的透 镜，这一想法常被认为是由布封伯爵提出的。孔多塞(1743-1794)提议用单 片薄玻璃来研磨出这样的透镜。而法国物理学家兼工程师菲涅尔亦对这种 透镜在灯塔上的应用寄予厚望。根据史密森学会的描述，1823年，第一枚 菲涅尔透镜被用在了吉伦特河口的哥杜昂灯塔( Phare de Cordouan )上；透过它发射的光线可以在20英里(32千米)以外看到。苏格兰物理学家大卫布 儒斯特爵士被看作是促使英国在灯塔中使用这种透镜的推动者。 3. 菲涅尔透镜的基本原理 菲涅尔透镜的工作原理十分简单：假设一个透镜的折射能量仅仅发生在光学表面(如：透镜表面)，拿掉尽可能多的光学材料，而保留表面的弯曲度。
电磁波和天线
电磁波和天线 [单项选择题] 1、导体中传导电流方向与电场方向（） A.相同 B.相反 C.垂直 D.以上均错误 参考答案：A [单项选择题] 2、传导电流大小与（）有关 A.导体颜色 B.导体密度 C.导体电导率 D.以上均错误 参考答案：C [单项选择题] 3、当导线中的电流方向是从右向左的时，导线中的电子运动方向是（） A.从左向右 B.从右向左 C.从上到下 D.从下到上 参考答案：A [单项选择题] 4、当导线中的电流方向是从下向上的时，导线中的电子运动方向是（） A.从左向右 B.从右向左 C.从上到下 D.从下到上 参考答案：C [单项选择题] 5、当导线中的电压方向是右高左低时，导线中的电流方向是（）
A.从左向右 B.从右向左 C.从上到下 D.从下到上 参考答案：B [单项选择题] 6、当导线中的电势差是左高右低时，导线中的电流方向是（） A.从左向右 B.从右向左 C.从上到下 D.从下到上 参考答案：A [单项选择题] 7、当导线中的电压方向是左高右低时，导线中的电子运动方向是（） A.从左向右 B.从右向左 C.从上到下 D.从下到上 参考答案：B [单项选择题] 8、当导线中的电压方向是左高右低时，导线上方的磁场方向是（） A.从左向右 B.从右向左 C.从里向外 D.从外向里 参考答案：C [单项选择题] 9、线极化的电磁波可以分解为（）和水平极化的叠加。 A.左旋极化 B.右旋极化 C.水平极化 D.垂直极化 参考答案：D [单项选择题]
10、右旋圆极化电磁波的两垂直线极化分量之间相位差为（）。 A.π B.2π C.π/2 D.π/4 参考答案：C [单项选择题] 11、电磁波的极化可以分为线极化、圆极化和（）。 A.水平极化 B.垂直极化 C.椭圆极化 D.以上均错误 参考答案：C [单项选择题] 12、电磁波的线极化可以分为水平极化和（）。 A.水平极化 B.垂直极化 C.椭圆极化 D.以上均错误 参考答案：B [单项选择题] 13、电磁波的椭圆极化可以分为左旋极化和（）。 A.水平极化 B.垂直极化 C.圆极化 D.右旋极化 参考答案：D [单项选择题] 14、电磁波的圆极化可以分为左旋极化和（）。 A.水平极化 B.垂直极化 C.椭圆极化 D.右旋极化 参考答案：D
天线与电波传播重点
1.简述天线的定义及其基本要求？P1 2.发射天线与接收天线工作的物理过程？P16 3.写出电基本振子远区辐射场的公式？概述其性质？P4-5 4.从电气性能方面考虑，天线有哪四大特性？(方向、阻抗、带宽、极化) 5.方向系数的定义及其计算公式？P10-11 6.天线效率的定义？写出基于辐射电阻的效率计算公式？P12 7.天线有效长度的概念？电基本振子的有效长度与其几何长度的关系？P14 8.请写出天线的最佳接收条件？P17 9.有效接收面积的计算公式？有效接收面积一定小于天线的几何面积吗？P18 10.对称振子的辐射场的公式？其性质？P21 11.对称振子与均匀传输线的区别？计算输入阻抗的修正方法？P23 12.何谓方向图乘积定理？P27 13.二元阵的阵因子表达式？N元均匀直线阵的阵因子表达式？ 14.均匀直线阵的几种实际应用？P34-36 15.无限大理想导电平面对天线电性能的影响有哪几方面？如何处理这种影响？P45 1.什么是线天线？典型的线状天线有哪些？P54 2.水平架设天线的优点？P54 3.水平对称天线的臂长选择原则？架高选择主要考虑什么因素？P60 4.旋转场天线的工作原理？P65 5.蝙蝠翼天线的演变过程？试述其宽频带特性的原因(选做)？P66-67 6.鞭状天线在实际应用中主要存在什么问题？改进的措施有哪些？P70-72,76-77 7.从尺寸上考虑，环形天线的分类？P82 8.提高小环天线辐射电阻的方法？P83-84 9.大环天线（以一个波长环为例）与小环天线在辐射特性方向最大的不同是什么？P86 10.分析一个波长环的环形天线上的电流分布？与L=λ/2的折合振子电流分布是否类 似？ 11.引向天线由哪几个部分构成？各部分的作用是什么？P91 12.如何把多元引向天线的辐射能量集中到引向器一边？P95 13.引向天线的有源振子输入阻抗受无源振子的影响有哪几方面？有什么改进的措施？ P97 14.等粗细半波折合振子可以将输入电阻提高为半波振子的几倍？为什么（选做）？ P99-100 15.巴仑的作用？常见巴仑的种类？P101-104 1.何谓惠更斯原理？基此原理，对于面天线的辐射问题如何转化？P154 2.何谓等效原理？基此原理，对于存在切向电场Ey的惠更斯元的辐射如何等效？ P154-155 3.惠更斯元辐射场的E/H面方向函数？P156 4.面积利用系数的计算公式（P157）？基此公式计算口径场均匀分布和余弦分布时的 面积利用系数(以矩形口径面为例)？ 5.同相平面口径方向系数的计算公式？分析此公式的意义？P158 6.同相口径辐射特性一览表？P161（给出公式，计算相应电参数）
天线与电波传播试卷
《天线与电波传播》 命题人：赵薇电子信息工程12-1班学号：2012211709 一、简答题 1.什么是天线互易定理？ 2.什么是最佳棱锥喇叭？ 3.为什么地面波传播会出现波前倾斜现象？波前倾斜的程度与那些因素有关？为什么？ 4.对旋转抛物面天线的馈源有哪些基本要求 5.何为惠更斯元？它的辐射场及辐射特性如何？ 二、计算题 1. 设有极化为AR=4 和τ= 15。的左旋椭圆极化波(w)入射到极化为AR= -2 和τ=45。的右旋椭圆极化天线(α) ，求极化匹配因子F。 2.(a) 估算某半功率波束宽度为θHP =4°，?HP = 2°的天线之定向性; (b) 计算该天线在效率为k=0.5时的增益。 3. 设元线电线路中有工作频率3GHZ的13 W 发射机接入有效口径为2.5m2的天线，在视 线距离13 km 处放置有效口径为0.5 m2的接收天线，两天线都无损耗且已匹配。求进入 接收机的功率。 4.对于工作在3GHz的最佳矩形喇叭天线，增益要达到16dB，问要求多大的口径面积？ 5.地球从太阳接收2.0gcalmin- 1 cm?2的功率密度。(a)对应的坡印廷矢量为多少(w m?2)? (b) 假定太阳为各向同性源，其输出功率有多少? (c) 假定太阳的能量是单频率的，由太阳辐射到达地球的均方根场强是多少? 注：:1 W= 14.3 g ca\ min- 1，日地距离为149 Gm。 6.设微波中继通信的段距为r=60km,工作波长为6.5cm，收发天线的增益系数都为35dB，馈线及分路系统一端损耗为3.5dB，该路径的衰减因子A=0.6。若发射天线的输入功率为9W，求其收信电平。
电波与天线
天 线 与 电 波 传 播 作 业 学院：电气信息工程学院 专业班级：电信12-01班 姓名：朱建林 学号：541201030161
1.Ae=(λ/4π)G 将G=20dB=100，λ=1m代入，则可得 Ae=(1/4π)*100=7.96㎡. 2.答案：（1）蝙蝠翼天线由水平对称振子天线排列组成，朝空间辐射水平极化波，以满足电视广播信号的要求；（2）两幅蝙蝠翼在空间正交布置，构成旋转场天线，以获得在水平平面的全向特性；（3）各振子沿传输线两侧水平放置，中间馈电处振子较短，而两侧短路端振子较长，以获得宽频带阻抗特性，满足电视信号发射的带宽要求。 3.螺旋天线工作原理 阿基米德螺旋天线的半径随角度的变化均匀地增加： r=r0+αφ 一式中, r0是起始半径, a 是螺旋增长率, φ是角度(弧度) 。但是不可能像非频变天线要求的那样按式中使其结构缩比到无限小。因此,对高端频率有所限制。但是,若用一根平衡馈线从平面螺旋中心馈电,那么馈电点附近,由大小相等方向相反的电流产生的辐射场在远区互相抵消,在螺旋的周长接近一个波长时有最大辐射。周长为λ的圆环上的行波电流将辐射圆极化波,因此,在周长为一个波长附近的区域,形成平面螺旋的主要辐射区。当频率变化时,主要辐射区随之变动,方向图基本不变。因此,天线具有宽频带工作特性。对应最低频率天线要有1. 25λmax ,对最高频率,由馈电点间隔尺寸决定,其间隔必须小于λmin/4 。为了避免电流在螺旋最外层的边沿上反射,通常在最外层螺旋线的末端端接吸收电阻或吸收材料。这样螺旋线上是行波电流,它产生的是圆极化波。如果存在从末端反射回馈电点的电流,它辐射的是反相圆极化波。平衡馈电的巴仑可放在反射腔内,这样可避免方向图倾斜并可以用同轴线馈电。 4.答案：理想缝隙天线和与之互补的电对称振子的辐射场之间的异同有：（1）极化不同，它们的E面和H面是互换的;(2)它们有相同的方向性，有共同的方向函数。 5.电波在传播时，能量是通过以发射、接收两点为焦点的一系列椭球区域来传播的，这些区域称为菲涅尔区。其中第一菲涅尔区对电波传播起主要作用，因此将第一菲涅尔区称为电波传播的主要通道。如果第一菲涅尔区内有障碍物，则接收点的信号强度将受到影响。 6.大地对地波能量吸收的大小与下列因素有关： (1)地面的导电性能越好，吸收越小，则电波传播的损耗越小。因为电导率越大，地电阻越小，故电波沿地面传播的损耗越小。因此，电波在海洋上的传播损耗最小，湿土和江河湖泊上的损耗次之，干土和岩石上的损耗最大。 （2）电波的频率越低，损耗越小。因为地电阻与电波频率有关，所以频率越高，感应电流更趋于表面流动，趋肤效应使流过电流的有效面积减小，损耗增大。因此，利用地波传播的频率使用范围一般在1．5～5MHz。 （3）垂直极化波较水平极化波衰减小。这是因为水平极化波的电场与地面平行，导致地面的感生电流增大，故产生较大的衰减。 7.①电磁波在传播过程中，由于传播媒介及传播途径随时间的变化而引起的接收信号强弱变化的现象叫作衰落。譬如在收话时，声音一会儿强，一会儿弱，这就是衰落现象。②现慢速变化，称为慢衰落；曲线的瞬时值呈快速变化，称快衰落。慢衰落产生的原因：（1）路径损耗，这是慢衰落的主要原因。（2）障碍物阻挡电磁波产生的阴影区，因此慢衰落也被称为阴影衰落。（3）天气变化、障
无线电波的传播特性
无线电波的传播特性 1、无线电波的传播特性及信号分析 甚低频 VLF 3-30KHz 超长波 1KKm-100Km 空间波为主海岸潜艇通信;远距离通信;超远距离导航 低频 LF 30-300KHz 长波 10Km-1Km 地波为主越洋通信;中距离通信;地下岩层通信;远距离导航 中频 MF 中波 1Km-100m 地波与天波船用通信;业余无线电通信;移动通信;中距离导航 高频 HF 3-30MHz 短波 100m-10m 天波与地波远距离短波通信;国际定点通信 甚高频 VHF 30-300MHz 米波 10m-1m 空间波电离层散射（30-60MHz）;流星余迹通信;人造电离层通信（30-144MHz）;对空间飞行体通信;移动通信 超高频 UHF 分米波空间波小容量微波中继通信;（352-420MHz）;对流层散射通信（700-10000MHz）;中容量微波通信（1700-2400MHz） 特高频 SHF 3-30GHz 厘米波 10cm-1cm 空间波大容量微波中继通信（3600-4200MHz）;大容量微波中继通信（5850-8500MHz）;数字通信;卫星通信;国际海事卫星通信（1500-1600MHz） ELF 极低频 3~30Hz SLF 超低频 30~300Hz ULF 特低频300~3000Hz VLF 甚低频 3~30kHz LF 低频 30~300kHz 中波，长波 MF 中频 300~3000kHz 100m~1000m 中波AM广播 HF 高频3~30MHz 10~100m 短波短波广播 VHF 甚高频30~300MHz 1~10m 米波 FM广播 UHF 特高频300~3000MHz ~1m 分米波 SHF 超高频 3~30GHz 1cm~10cm 厘米波 EHF 极高频 30~300GHz 1mm~1cm 毫米波 无线电波按传播途径可分为以下四种：天波—由空间电离层反射而传播；地波—沿地球表面传播；直射波—由发射台到接收台直线传播；地面反射波—经地面反射而传播。无线电波离开天线后，既在媒介质中传播，也沿各种媒介质的交界面（如地面）传播，具有一定的规律性，但对它产生影响的因素却很多。无线电波在传播中的主要特性如下： （1）直线传播均匀媒介质（如空气）中，电波沿直线传播。 （2）反射与折射电波由一种媒介质传导另一种媒介质时，在两种介质的分界面上，传播方向要发生变化。由第一种介质射向第二中介质，在分界面上出现两种现象。一种是射线返回第一种介质，叫做反射；另一种现象是射线进入第二种介质，但方向发生了偏折，叫做折射。一般情况下反射和折射是同时发生的。入射角等于反射角，但不一定等于折射角。反射和折射给测向准确性带来很大的不良影响；反射严重是，测向设备误指反射体，给干扰查找造成极大困难。 （3）绕射电波在传播途中，有力图绕过难以穿透的障碍物的能力。绕射能力的强弱与电波的频率有关，又和障碍物大小有关。频率越低的电波，绕射能力越弱；障碍物越大，绕射越困难。工作于80米（375MHZ）波段的电波，绕射能力是较强的，除陡峭高山（相对高度在200米以上）外，一般丘陵均可逾越。2米波段的电波绕射能力就很差了，一座楼房，或一个小山丘，都可能使信号难以绕过去。 （4）干涉直射波与地面反射波或其它物体的反射波在某处相遇时，测向收到的信号为两个电波合成后的信号，其信号强度有可能增强（两个信号跌叠加）也可能减弱（两个信号相互抵消）。这种现象称为波的干涉。产生干涉的结果，使得测向机在某些接收点收到的信号强，而某些接收点收到的信号弱，甚至收不到信号，给判断干扰信号距离造成错觉。天线发射到空间的电波的能量是一定的，随着传播距离的增大，不仅在传播途中能量要损耗，而且能量的分布也越来越广，单位面积上获得的能量越来越小。反