《电信传输原理及应用》习题答案完成版.doc

电信传输习题 第1章 电信传输的基本概念一、实践活动1实地参观当地的中国电信市话传输机房，建立对传输系统整体、直观的印象，询问有关技术人员进一步了解市话对称电缆、同轴电缆、光纤的使用状况。2了解身边无线通信网络，特别要留心一下学校周边的各种基站、卫星地面站、微波中继及天线。3实地参观学校的专业实验室，向老师咨询传输线路和传输设备种类及用途。二、思考与练习1.什么是通信、电信和电信传输？电信号有哪些种类？各有什么特征？2.完整的电信传输系统的是如何组成的？3.电信传输有些什么特点？4.常用传输介质的结构及用途是什么？5、以功率电平为例，请简述正电平、负电平和零电平的意义。6、试简述绝对电平和相对电平的意义以及两者之间的关系。7已知测试点的阻抗RL=75,其电压为0.85V，试计算测试点上的绝对功率电平是多少？8设电路某点的绝对功率电平为（1）0.5NP， (2)-1.5 NP， (3)-7 dBm试求该点的功率值。9已知测试点功率为0.2w，线路始端功率为10mw，求测试点的相对功率电平值。10已知测试点电压为0.7V，线路始端电压为0.2V，求测试点的相对电压电平值。第2章 金属传输线理论一、实践活动实地参观当地的中国电信市话传输机房，询问有关技术人员进一步了解市话对称电缆、同轴电缆使用状况。二、思考与练习1.集总参数与分布参数有哪些异同？2.何为长线？何为短线？3.阐述金属传输线出现R、L、C和G的原因及它们的物理意义4.传输线的特性阻抗和传输常数代表什么意义？5.当ZC=ZL时，传输线处于什么工作状态？传输线具有什么特点？6.当ZCZL时，传输线处于什么工作状态？传输线具有什么特点？7.通信回路的串音损耗与串音防卫度的物理意义是什么？8.若已知f=5MHz，同轴电缆回路的一次参数：电阻 ，电感 ，电导 ，电容 。试求该同轴电缆的二次参数。 9设某平行双导线的直径为2mm，间距为8mm，周围介质为空气，求其特性阻抗。 10设某同轴线的外导体内直径为20mm，内导体外直径为10mm，求其特性阻抗；若在内外导体之间填充为2.20的介质，求其特性阻抗。第3章 波导传输线理论一、实践活动实地参观当地的中国电信微波发射站，直观观测波导、同轴线几何尺寸与传输信号频率的关系，与单模传输的关系。二、思考与练习1波导为什么不能传输TEM波？2波导波长与工作波长有何区别？3一空气填充的矩形波导，其截面尺寸a = 8cm, b = 4cm，试画出截止波c长的分布图，并说明工作频率f1=3GHz和f2=5GHz的电磁波在该波导中可以传输哪些模式。4若将3cm标准矩形波导BJ-100型（a = 22.86mm , b10.16mm）用来传输工作波长0= 5cm的电磁波，试问是否可能？若用BJ-58型（a =40.4mm, b = 20.2mm）用来传输波长0= 3cm的电磁波是否可能？会不会产生什么问题？5设有标准矩形波导BJ-32型，a=72.12rnm, b34.04mm (1)当工作波长=6cm时，该波导中可能传输哪些模式？ (2)设0=10cm并工作于TE10模式，求相位常数、波导波长p、相速度Vp、群速度Vg、和波阻抗ZTE106在BJ-100型的矩形波导中传输频率f =10GHz的TE10模式的电磁波。 (1）求C、p、和ZTE10(2)若波导宽边a增大一倍，上述各量如何变化？(3)若波导窄边尺寸b增大一倍，上述各量又将如何变化？(4)若波导截面尺寸不变，但工作频率变为15GHz，上述各量又将如何变化？7有一空气填充的矩形波导工作于TE10模式，其工作频率为10GHz，已测得波导波长p 4cm，试求：(1)截止频率f,和截止波长C；(2）相速度Vp、群速度Vg和波阻抗ZTE10；8有一内充空气，ba2b的矩形波导，以主模工作在3GHz。若要求工作频率至少高于主模截止频率的20和至少低于次一高阶模式截止频率的20%，试设计该波导的截面尺寸a和b 。9设有空气填充的内直径为5cm的圆形波导，试求：(1) TE11, TMo1和TE01,模式的截止波长；(2)当工作波长分别为7cm, 6cm和3cm时，波导中可能存在哪些模式？(3) 0为7cm时主模的、Vp、Vg、p 和波阻抗。10空气填充的圆形波导中传输主模，已知工作频率f = 5GHz, o /c= 0.9，试求：(1)该波导的内直径；（2）和p11设计一圆波导，工作波长=7 cm，只容许TE11波传输。12有一空气同轴线的截面尺寸a =10mm, b = 40mm 。(1)计算TE11, TE01和TM01三种模式的截止波长；(2)当工作波长0=10cm时，求TEM模和TE11模的相速度。13有一同轴线内导体的半径a=0.5mm，b=1.75mm，若绝缘材料的介电常数为1。该同轴线的特性阻抗为多少？并计算单模工作的工作频率范围。第4章 介质光波导传输理论一、实践活动实地参观当地的中国电信市话光纤传输机房，询问有关技术人员进一步了解通信传输网对光纤应用状况以及光纤传输特性现状。二、思考与练习1什么是光纤的数值孔径？2阶跃型光纤场方程的推导思路是什么？3用射线理论描述阶跃型光纤的导光原理是什么？画出示意图4写出导波的径向归一化相位常数、径向衰减常数、归一化频率的表达式。并简述其物理意义。5判断某种模式能否在光纤中传输的条件是什么？6阶跃型光纤的单模传输条件是什么？7什么是单模光纤的截止波长？写出表达式。8光纤产生的原因及其危害是什么？9光纤损耗和色散产生的原因及其危害是什么？为什么说光纤的损耗和色散会限制系统的光纤传输距离？10光纤中都有哪几种色散？解释其含义。11.已知渐变型光纤纤芯的折射率分布为 求: 光纤的本地数值孔径NA(r)。12均匀光纤芯与包层的折射率分别为：nl150，n2145，试计算：（1）光纤芯与包层的相对折射率差？（2）光纤的数值孔径NA？（3）在1km长的光纤上，由子午线的光程差所引起的最大时延差max ？（4）若在1km长的光纤上,将max减小为10ns/km, n2应选什么值.13. 已知阶跃光纤纤芯的折射率nl1.465，相对折射率差 = 0.01，纤芯半径a25m 试求:LPOl、LPO2、LP11和LP12模的截止波长各为多少？14.阶跃光纤，若nl1.50, 0=l.3m，试计算（1）若= 025，为了保证单模传输，其纤芯半径a应取多大？（2）若取a=5m ，为保证单模传输，应取多大？15.阶跃折射率光纤中nl1.52，n21.49（1）光纤浸在水中（n01.33），求光从水中入射到光纤输入端面的最大接收角；（2）光纤放置在空气中，求数值孔径。 16.一阶跃折射率光纤，纤芯半径a=25m，折射率nl1.50，相对折射率差=1，长度 L=2km。求：（1）光纤的数值孔径；（2）子午光纤的最大时延差；（3）若将光纤的包层和涂数层去掉，求裸光纤的NA和最大时延差。第5章 无线通信传输理论一、实践活动 去当地的中国电信和广播电视台实地参观无线传输系统，了解无线系统有那些设备？了解有哪些业务？比较有线传输系统的区别。二、思考与复习题1、简述无线电波的传播方式及其特点。2、简述无线电波的传播特性。3、介绍传输媒质对电波传播的影响。4、解释自由空间和自由空间损耗的概念5、惠更斯一费涅耳原理的基本思想是什么？解释费涅耳区的概念。6、 K值是怎样定义的？温带地区K值变化范围为多大？K值的变化意味着什么？7、大气和地面造成了几种衰落型式？衰落产生的原因以及抗衰落所采用的技术。8、微波和卫星通信中将采用哪些抗衰落技术？9、无线（如卫星、移动通信）通信为什么要采用多址技术？常见的多址技术有哪几种？10、简述码分多址的工作原理。11.已知发信功率PT =10W，工作频率f = 4. 2GHz，两微波站相距50km, GT =1000倍，GR =38dB , 收、发天线的馈线损耗Lr= Lt =3dB, 求：在自由空间传播条件下接收机的输入功率电平和输入功率。12、已知两微波站相距46km，反射点离发端18km，且天线高度恰好满足自由空间的余隙h0，通信频率为6GHz，地面反射因子0.7。求：天线的自由空间的余隙h0和衰落因子Lk13、某微波传输信道，发射天线的增益为32dB，接收天线的的增益为20dB，收发距离为24500 km，载波中心频率为6.904GHz，求：该信道的基本传输损耗为多少?若发射功率为25w,接收机的接收到的功率为多少?14.已知在自由空间传输条件下接收机的收信功率P=-35dBm，在传输途中有如图5-7所示的刃形障碍物，且hc= -0.5F1 (F1是第1费涅耳区半径) ，求此时收信功率电平。第6章 移动通信传输信道的特性一、实践活动（了解身边的移动通信网络）1、为了建立对移动通信系统整体、直观的印象，实地参观中国移动的GSM系统、中国联通的CDMA系统，了解基站有哪些设备？了解有哪些交换设备？了解有哪些业务？2、去手机生产厂家实地参观，了解手机的生产工艺流程，了解手机的外形、功能、业务辐射及构造原理。3、特别留心一下学校周边的各种基站及天线，询问有关技术人员和老师，它们都有哪些设备，各自有什么作用。4、网搜索有关2.5G和3G的发展。请访问：华为网站http : /www. huawei. com. cn、中兴网站http: /www. zte. com. cn, 或以2.5G, 3G为关键词到百度网站上搜索一下，重点关心内容为：国内外有关2.5G, 3G的技术发展与市场；为什么要建设2.5G;2.5G和2G的差别；3G会给我们带来什么；未来3G标准融合的可能性；中国目前3G的发展。二、思考与复习题1、何谓移动通信？2、移动通信的信道有哪些特点？3、移动通信的工作方式有哪几种？每种有何特点？4、GSM移动通信系统由几部分组成？每部分的作用是什么？5、指出移动通信的传输特点。6、阐述频分双工（FDD）和时分双工（TDD）的区别和各自特点。7、叙述典型移动通信系统的主要工作频段。8、介绍产生阴影效应与多径效应的原因。9、给出按照多径信道特征参数的信道分类。10、简述噪声的分类和特性11、解释邻道干扰、同道干扰、互调干扰、远近效应和符号间干扰。12、基站天线有效高度为50m，移动台天线高度为2m，由r0=10km和要求的有用信号和干扰信号的比S/I =22 dB，试求同道再用距离D.13、当一个基站同时接收两个移动台发来的信号，一个移动台离基站为0.1km，另一个离基站为10km ，单位路径损耗相等，试求其近端 远端比干扰.14、已知市区移动台的工作频率为350MHz，其接收机带宽为16kHz，试求接收机输入端的人为噪声功率为多少dBw?15、某一移动信道，工作频段为450 MHz，基站天线高度为50 m，天线增益为10 dB，移动台天线高度为3m，天线增益为0 dB；在市区工作，传播路径为中等起伏地，通信距离为10km。试求：(1)传播路径损耗中值； (2)若基站发射机送至天线的信号功率为20 W，求移动台天线得到的信号功率中值16、已知干扰的频率fA=150.2MHz 、fB=150.1MHz、fC =150.0MHz。问当某用户移动台的接收频率为150.3MHz时，能否产生三阶互调干扰?17、基站天线有效高度为50m，移动台天线高度为2m，由r0=10km和要求的有用信号和干扰信号的比S/I =22 dB，试求同道再用距离D第7章 微波通信传输信道的特征一、实践活动实地参观当地的中国电信长途微波传输机房，询问有关技术人员进一步了解微波中继通信总体设计情况。二、思考与练习1、简述微波中继传输应用情况2、简述余隙的概念以及在工程中的选择条件。3、简述微波通信常用频率。4、简述微波常用天线的种类及其特点。5、数字微波的线路噪声分为哪几种？各包括哪几种？6、微波天线高度的选取应考虑哪些因素？hc =0. 577.F17、.已知微波发信功率4W，工作频率4000MHZ，微波两站相距50km，发射天线的增益为30dB，接收天线的的增益为25dB，收发两端馈线系统损耗Lr=2 dB, Lt=1 dB，传输路径上障碍物的尖峰好落hc=0，求：实际微波接收机能接收的功率PR8、若两相邻微波站A、B相距48km，反射点距A站18km和24km，求此两种情况下的地面突起高度h1和h2各是多少？若又考虑大气折射时的K值为4/3，再求上述两种情况下的等效地面突起高度he1和he2各是多少m？9、设微波中继通信采用f10GHz，站距为50km，路径为光滑球形地面，收发天线最小高度，如图7-12所示。求（1）不计大气折射K=1，保证自由空间余隙h0时，等高收发天线的最小高度；（2）在k4/3时，收发天线最小高度。10、已知某数字微波通信系统的技术指标如下： 理论载噪比20dB，固定恶化=4 dB，在室温下（290K），接收机的噪声系数2.1，接收机的等效带宽=26.8MHz，试计算出该系统的门限载波信号功率电平值11、已知一个6GHz的SDH 155Mbit/s系统的传输信道参数如下： 发射机的发射电平等于42dBm，收、发端天线增益各为43dB，单端馈线损耗Lf2.5dB，附加损耗Lc=2.5dB，信道的频带宽度为25.833MHz，实际门限载噪比C/N25.1dB，噪声系数2dB，收发两端之间的距离60km。试计算出系统的平衰落储备是多少？第8章 卫星通信传输线路的特征一、实践活动 调研卫星通信应用市场，了解卫星通信有那些业务？比较与其他通信的区别。二、思考与习题1、简要叙述卫星通信的主要优缺点；与光纤通信相比，你认为卫星通信系统适合什么样的应用领域。2、卫星通信系统由哪几部分组成? 它们各自的作用如何? 卫星转发器的主要功能是什么?3、卫星通信使用哪些工作频段? 原因是什么? 目前使用较多的卫星通信业务主要有哪些?4、通信卫星有哪些运行轨道? 影响静止卫星轨道的有哪些因素? 5、有哪几种干扰在卫星通信中必须考虑? 它们的产生原因是什么？6、在接收机前端滤波器输出端，测试得到的噪声功率为0.03pW，而滤波器等效噪声带宽为10MHz，试确定等效噪声温度。 7、试解释卫星接收系统G/T值的含义。某地球站使用5m的天线，工作频率为12Hz，天线噪声温度为100 K，接收机前端噪声温度为120 K，试计算G/T值(天线与接收机之间的馈线损耗忽略)。8、C频段(6.1GHz)地球站发射天线增益为54dB，发射机输出功率为l00W。卫星与地球站相距37500km，卫星与地球站收发馈线损耗均为Lr=1 dB、馈线损耗Lt=2 dB，LR=0.8 dB、La=1.1dB卫星接收天线增益为398倍，转发器噪声温度为500K，卫星接收机带宽为36MHz。试计算下列数值：求卫星输入噪声功率电平dBW和卫星输入载噪比C/N。9、个12GHz的下行卫星系统参数如下：卫星输出功率为10W，馈线损耗1dB，天线增益为35.2dB；卫星到地球站距离d40000km，大气层附加损耗为0.3dB。接收地球站天线增益为51.2dB，馈线损耗0.5dB，G/T26.2(dB/K)。求下行线路的C/ND。10、在IS-IV号卫星通信系统，其卫星有效全向辐射功率EIRP S =34.2dBw，接收天线增益GRS=20.7dB。又知道某地球站发射天线增益GTE60.1 dB，发送馈线损耗LtE0.4 dB，发射机输出功率PTE=3.9kW，地球站接收天线增益GRE=60.0dB,接收馈线损耗LrE=0.1 dB。试计算卫星接收机输入端的载波接收功率CS和地球站接收机输入端的载波接收功率CE。11、已知条件如图8-17所示，设卫星转发器工作在单载波状态，卫星和地球站的馈线损耗Lr=1 dB、馈线损耗Lt=2 dB，LR=0.2 dB、La=1 dB，分别求出卫星线路的上行C/TU和下行C/TD的值。电信传输原理及应用课后习题答案 2009-9-2911目 录第一章 电信传输的基本概念1第二章 金属传输线理论4第三章 波导传输线理论7第四章 介质光波传输理论13第五章 无线通信传输理论19第六章 移动通信传输信道的特性24第七章 微波通信传输信道的特征28第八章 卫星通信传输线路的特征32I第一章 电信传输的基本概念1、 什么是通信、电信和电信传输？电信号有哪些种类？各有什么特征？答：从广义上说，无论采用何种方法，使用何种传输媒质只要将信息从一地传送到另一地，均可称为通信。电信号按照不同的角度可有不同的分类，按照电信号传载信息的形式的不同，可分为：模拟信号和数字信号两种类型。模拟信号，是指模拟、仿照原有消息变化的电信号，这种信号的幅度变化是时间的连续函数；数字信号在时间上和幅度上的取值都是离散的。数字信号在传输上有很多优点，最主要的是它的抗干扰性强。由于它是以1、0两种状态传输的，在接收端只要正确地判断是“1”或者是“0”，就等于完全取消了干扰。2、 完整的电信传输系统是如何组成的？答：一个完整的电信传输系统除了必须具备传输信道部分外，还需要有用户终端设备、交换机、多路复用设备和传输终端设备（收发信机）等。3、 电信传输有些什么特点？答：一是传输信号的多频率；二是电信传输的功率在有线传输的功率比较小，它一般只有毫瓦量级；三是电信传输的效率，由于电信传输是弱电传输，其传输效率非常重要；四是电信传输离不开信号的变换。4、 常用传输介质的结构及用途是什么？答：电信号的传输实质是电磁波的传播，传播方式分有线传播和无线传播两种，因此其传输介质也按此分类方式分为有线传输介质和无线传输介质。现有的传输线有架空明线、对称电缆、同轴电缆、金属波导管和光纤等；无线电传播的传输介质是对流层、平流层或电离层，传播方式有直射波，反射波，地波，散射波等。用途：（1） 架空明线：架空明线是利用金属裸导线捆扎在固定的线担上的隔电子上，是架设在电线杆上的一种通信线路，现今多用于专网通信，如利用高压输电线实现载波通信；利用铁路电气汽车输电线实现载波通信等；（2） 对称电缆：市话对称电缆是由若干条扭绞成对（或组）的导电芯线加绝缘层组合而成的缆芯，外面包裹有保护层的一个整体。主要作为传统的话音通信介质，是当前电信接入网的主体；（3） 同轴电缆：同轴电缆又称为同轴线对，属于不对称的结构。它是由内、外导体和内、外导体之间的绝缘介质和外护层四部分组成，同轴电缆主要用在端局间的中继线、交换机与传输设备间中继连接线、移动通信的基站发信机与天线间的馈线以及有线电视系统中用户接入线等；（4） 金属波导：金属波导是用金属制成的中空的柱状单导体，金属波导常用于微波或卫星的收、发信机与天线间馈线使用；（5） 光纤：光缆是由光纤、加强件和外户层构成。光纤是由纤芯、包层和涂敷层组成，光纤作为传输介质主要优点是传输频带宽、通信容量大、传输损耗小、抗电磁场干扰能力强、线径细、重量轻、资源丰富等。为各种通信系统广泛使用，光纤目前是最理想的传输线。（6） 无线信道：主要靠电磁波在大气层的传播来传递信息。5、 以功率电平为例，请简述正电平、负电平和零电平的意义。答：由定义知，当时，电平为零，其含义是该点的功率等于基准功率。当时, 电平是负值,其含义是该点的功率小于基准功率。当时, 电平是正值，其含义是该点的功率大于基准功率。对于绝对功率电平来说，因为基准功率是lmw，所以当时，电平是正值，当时。电平是零值，当时，电平是负值。6、 试简述绝对电平和相对电平的意义以及两者之间的关系。答：所谓某点的电平，是指电信系统中某一信号的实测功率（或电压、电流）值与某参考点的信号功率（或电压、电流）之比的对数值，某参考点的信号功率（或电压、电流）又称为基准功率（或基准电压、基准电流）。需指出的是：基准功率是基本不变的，而基准电压或基准电流则是根据在某一阻抗上所获得的基准功率来确定的。当阻抗变化时，基准电压或基准电流也要随之而变化。求相对向平时所取的基准是不固定的，被测量值和基准是相对的，而绝对电平的基准是固定的。在电话通信中，绝对电平的基准参考点的阻抗，功率是时，就可分别计算出绝对电压电平的基准电压和绝对电流电平的基准电流。7、 已知测试点的阻抗，其电压为0.85V，试计算测试点上的绝对功率电平是多少？解：直接带公式计算有：8、设电路某点的绝对功率电平为：（1）0.5Np （2）-1.5Np （3）-7dBm试求该点的功率值。解：（1）将0.5Np带入公式，计算得到2.72mW。（2）带入上式得到e(-3)mW；（3）将-7dBm带入，计算得到0.1995mW。9、已知测试点功率为0.2W，线路始端功率为10mW，求测试点的相对功率电平值。解：直接带入公式得到：。10、已知测试点电压为0.7V，线路始端电压为0.2V，求测试点的相对电压电平值。解：带公式有：第二章 金属传输线理论1、集总参数与分布参数有哪些异同？答：在低频传输时，常把传输线当“短线”，可以认为传输线上所有的电场能都全部集中在了一个电容器C中，磁场能都全部集中在了一个电感器L中，把消耗的电磁能量集中在一个电阻元件R和一个电导元件G上，而连接元件的导线（传输线）则认为理想导线。常把这些独立存在的R、C、L、G称为集总参数；随着传输信号频率升高，此时传输线已工作在“长线”状态，当信号通过“长线”传输线所需要的传输时间与信号变化的一个周期所需要的时间接近时，即使在稳态工作情况下，传输线上电压、电流不仅随时间变化而且还随传输线的长度变化有关。因此沿传输线上的电压、电流表达式要用偏微分方程来表示；其次，传输线间的电阻、电感、电容以及电导不仅互不可分，而且沿线随机分布。常把传输线单位长度上的电阻R1、电感L1、电容C1、电导G1，统称为传输线的分布参数。2、何为长线？何为短线？ 答：当传输线的几何长度L比其上所传输的电磁波的最小波长min还长，即时，传输线称为长线，反之则为短线3、阐述金属传输线出现R、L、C和G的原因及它们的物理意义。答：是因为利用这些电路参数和相应的VAR关系，通过基尔霍夫定律对传输线上的信号进行研究，可较为准确的列出传输线上任意一点的V和I的表达式。物理意义：R取决于导线的材料和传输信号的频率；L是由于变化的电流流经导体时，导体内部及其周围出现变化的磁通而产生的，导线的磁通量与产生磁通的电流之比称为电感频率越高导线的电感越小；互相绝缘的平行双导线可以认为是电容器的两个极板，从而产生电容C，线路的直径越大，双导线间距越近，线路越长时电容量越大；G反映了双导线之间的绝缘情况，电导值越大导线之间绝缘越差，漏电越严重。4、传输线的特性阻抗和传输常数代表什么意义？答：传输线的特性阻抗是线上任意一点的电压入射波和电流入射波的比值，或电压反射波同电流反射波比值的负值。传输常数代表了信号的电磁波沿均匀匹配线路传输时，一个单位长度回路内在幅值和相位上所发生的变化的程度。5、当ZC=ZL时，传输线处于什么工作状态？传输线具有什么特点？答：传输线处于行波工作状态，特点如下：1、传输线上只存在入射波而无反射波，电压波或电流波处于纯行波状态；2、电压波和电流波同相，其值之比为传输线的特性阻抗；3、有传输线任意截面处向终端负载方向看进去的输入阻抗；4、因没有发射，始端向终端方向传输的功率，全部被负载吸收，传输效率高。6、当ZCZL时，传输线处于什么工作状态？传输线具有什么特点？答：此时传输线上既有行波，又有驻波，构成行驻混合波状态。7、通信回路的串音损耗与串音防卫度的物理意义是什么？ 答：串音损耗是表征主串回路对被串回路影响大小的量，其值越大，则串音功率越小，对相邻回路的串音干扰越小；反之，串音干扰越大。串音防卫度表明被串回路本身对外来干扰的防卫程度，串音防卫度越大，则防卫能力越强。8、若已知f=5MHz，同轴电缆回路的一次参数：电阻，电感，电导，电容。试求该同轴电缆的二次参数。解：特性阻抗衰减常数和相移常数为： 或者不乘以8.686可得：0.321714Np/km9、设某平行双导线的直径为2mm，间距为8mm，周围介质为空气，求其特性阻抗。解：首先求，10、设某同轴线的外导体内直径为20mm，内导体外直径为10mm，求其特性阻抗；若在内外导体之间填充为2.20的介质，求其特性阻抗。解：当填充介质后， 。第三章 波导传输线理论1、 波导为什么不能传输TEM波？答：因为若金属波导中存在TEM波，那么磁力线应在横截面上，而磁力线应是闭合的，根据右手螺旋规则，必有电场的纵向分量，即位移电流支持磁场，若沿此闭合磁力回线对H做线积分，积分后应等于轴向电流（即）。2、 波导波长与工作波长有何区别？答：波导中某波型沿波导轴向相邻两个点相位面变化2(一个周期T) 之间距离称为该波型的波导波长，以P表示。而工作波长是由不同的信号波所特有的，与自身性质有关。3、 一空气填充的矩形波导，其截面尺寸a = 8cm, b = 4cm，试画出截止波c长的分布图，并说明工作频率f1=3GHz和f2=5GHz的电磁波在该波导中可以传输哪些模式。解：根据公式可以得到，cm。图略。由得，而各模式的截止波长为，可见，该波导在工作频率为3GHz时，只能传输波。4、 若将3cm标准矩形波导BJ-100型（a = 22.86mm , b10.16mm）用来传输工作波长0= 5cm的电磁波，试问是否可能？若用BJ-58型（a =40.4mm, b = 20.2mm）用来传输波长0= 3cm的电磁波是否可能？会不会产生什么问题？解：（1）首先考虑TE 10波，因此，不能用来传输波长5cm的电磁波。（2）同上，因此可以传输。5、 设有标准矩形波导BJ-32型，a=72.12rnm, b34.04mm (1)当工作波长=6cm时，该波导中可能传输哪些模式？(2)设0=10cm并工作于TE10模式，求相位常数、波导波长p、相速度Vp、群速度Vg、和波阻抗ZTE10解：（1）可以传输；可以传输 可以传输m=1,n=1：，可以传输TE11和TM11波；m=1,n=2：，不能传输；m=2,n=1：，不能传输。因此，只能传输TE10、 TE11和TM11、。TE20（2），其中，带入公式解得，。6、在BJ-100型的矩形波导中传输频率f =10GHz的TE10模式的电磁波。(1）求C、p、和ZTE10(2)若波导宽边a增大一倍，上述各量如何变化？(3)若波导窄边尺寸b增大一倍，上述各量又将如何变化？(4)若波导截面尺寸不变，但工作频率变为15GHz，上述各量又将如何变化？解：（1），（2）（3）（4）方法同上。7、有一空气填充的矩形波导工作于TE10模式，其工作频率为10GHz，已测得波导波长p 4cm，试求： (1)截止频率f,和截止波长C； (2）相速度Vp、群速度Vg和波阻抗ZTE10；解：（1）由公式得到，则；（2），。8、有一内充空气，ba f1.2fc1fc1=c/2a; fc2=c/2b0.8*c/2b f1.2* c/2a or 0.8*c/ f1.2* c/2aSo : a6cm，b4 cm9、设有空气填充的内直径为5cm的圆形波导，试求： (1) TE11, TMo1和TE01,模式的截止波长； (2)当工作波长分别为7cm, 6cm和3cm时，波导中可能存在哪些模式？ (3) 0为7cm时主模的、Vp、Vg、p 和波阻抗。解：（1）直接查表有；（2）当工作波长为7cm时，故可以存在。，故不可以存在。，不可以存在。综上，在工作波长为7cm时，波导中只能存在TE11波。同理可知，在工作波长为6cm时，可以存在的模式为TE11波和TM01波；在工作波长为3cm时，可以存在的模式为TE11、TE21、TE01、TE31、TM01、TM11以及TM21。（3）0为7cm时主模为TE11波，且有，；。10、空气填充的圆形波导中传输主模，已知工作频率f = 5GHz, o /c= 0.9，试求： (1)该波导的内直径；（2）和p解：（1）f = 5GHz, o /c= 0.9知，因为是传输主模，则为TE11波，有6.67cm=3.41a得到a=1.96cm，则内直径为2a=3.92cm。（2）；11、设计一圆波导，工作波长=7 cm，只容许TE11波传输。解：在波导中单模传输的条件是：2.623.41。得到2.053cma2.672。即只要满足圆波导的a在上述范围内，即可保证为单模传输，也即只容许TE11波传输。12、有一空气同轴线的截面尺寸a =10mm, b = 40mm 。 (1)计算TE11, TE01和TM01三种模式的截止波长； (2)当工作波长0=10cm时，求TEM模和TE11模的相速度。解： （1），；（2）同轴线中相速度等于相应介质中波的传播速度。所以有在TEM模中的截止波长为 所以 同轴线中相速度等于相应介质中波的传播速度对于TE11 13、有一同轴线内导体的半径a=0.5mm，b=1.75mm，若绝缘材料的介电常数为1。该同轴线的特性阻抗为多少？并计算单模工作的工作频率范围。解：单模传输有c/f(b+)，代入数据得fVc时，该模式在传输中不会截止；若VVc时，此模式截止。6阶跃型光纤的单模传输条件是什么？答：通常把只能传输一种模式的光纤称为单模光纤，单模光纤只传输一种模式即基模LP01或HE11，所以它不存在模式色散且带宽极宽，一般都在几十GHzkm以上，可实用于长距离大容量的通信。要保证单模传输，需要二阶模截止即让光纤的归一化频率V小于二阶模LP11归一化截止频率，从而可得：0VVc(LP01)=2.4048这一重要关系称为“单模传输条件”。7什么是单模光纤的截止波长？写出表达式。答：通常把只能传输一种模式的光纤称为单模光纤，单模光纤只传输一种模式即基模LP01或HE11。对某一光纤，每个模式，都对应有一个截止波长lc，当工作波长llc时，该模式可以传输；当llc时，该模式就截止了。对于单模光纤，其截止波长为lc=2pn1(2D)1/2a/Vc。8光纤产生的原因及其危害是什么？9光纤损耗和色散产生的原因及其危害是什么？为什么说光纤的损耗和色散会限制系统的光纤传输距离？答：造成光纤损耗的原因很多，主要有吸收损耗、散射损耗和附加损耗。吸收损耗是光波通过光纤材料时，一部分光能被消耗（吸收）转换成其他形式的能量而形成；散射损耗是由于材料的不均匀使光散射将光能辐射出光纤外导致的损耗；附加损耗属于来自外部的损耗或称应用损耗，如在成缆、施工安装和使用运行中使光纤扭曲、侧压等造成光纤宏弯和微弯所形成的损耗等。光纤的损耗将导致传输信号的衰减，光纤损耗是决定光纤通信系统中继距离的主要因素之一。光纤的损耗将导致传输信号的衰减，所以把光纤的损耗又称衰减。当光信号在光纤中传输时，随着距离增长光的强度随之减弱，其规律为：；在光纤中，信号的不同模式或不同频率在传输时具有不同的群速度，因而信号达到终端时会出现传输时延差，从而引起信号畸变，这种现象统称为色散。对于数字信号，经光纤传播一段距离后，色散会引起光脉冲展宽，严重时，前后脉冲将互相重叠，形成码间干扰，导致误码率增加。因此，色散决定了光纤的传输带宽，限制了系统的传输速率或中继距离。10光纤中都有哪几种色散？解释其含义。答：根据色散产生的原因，光纤的色散主要分为：模式色散、材料色散、波导色散和偏振模色散。下面分别给予介绍。模式色散一般存在于多模光纤中。因为，在多模光纤中同时存在多个模式，不同模式沿光纤轴向传播的群速度是不同，它们到达终端时，必定会有先有后，出现时延差，形成模式色散，从而引起脉冲宽度展宽；由于光纤材料的折射率随光波长的变化而变化，使得光信号各频率的群速度不同，引起传输时延差的现象，称为材料色散。这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的线谱宽度；波导色散是针对光纤中某个导模而言的，在不同的波长下，其相位常数b不同，从而群速度不同，引起色散。波导色散还与光纤的结构参数、纤芯与包层的相对折射率差等多方面的原因有关，故也称为结构色散；对于理想单模光纤，由于只传输一种模式（基模LP01或HE11模），故不存在模式色散，但存在偏振模色散。偏振模色散是单模光纤特有的一种色散，偏振模色散的产生是由于单模光纤中实际上传输的是两个相互正交的偏振模，它们的电场各沿x，y方向偏振，分别记作LPx01和LPy01，其相位常数bx，b y不同（bxby），相应的群速度不同，从而引起偏振色散。11.已知渐变型光纤纤芯的折射率分布为求: 光纤的本地数值孔径NA(r)。解：，12均匀光纤芯与包层的折射率分别为：nl150，n2145，试计算：（1）光纤芯与包层的相对折射率差？（2）光纤的数值孔径NA？（3）在1km长的光纤上，由子午线的光程差所引起的最大时延差max ？（4）若在1km长的光纤上,将max减小为10ns/km, n2应选什么值.解：（1）；（2）；（3）由n1sinq1=n2sinq2可求出sinq1为1.45/1.5，则列出方程并解得此时所走的光程为1.034483km，max=（1.034483-1）/c=1.1494e-7s/m。更正：则 = （1000*1.5）/(3.0*108) * (1.5/1.45 - 1) =172.35ns（4）由题可以先求出光走的光程L=1003m。sinq1=1/1.003= n2/1.5，带入数据得到，n2=1.4955。更正：由公式可得，代入数据可得: 1.49713. 已知阶跃光纤纤芯的折射率nl1.465，相对折射率差 = 0.01，纤芯半径a25m 试求:LPOl、LPO2、LP11和LP12模的截止波长各为多少？解：查表可以得到对应的Vc值分别为：0，3.8317，2.4048，5.5201，分别带入公式lc=2pn1(2D)1/2a/Vc，得到以下各值：无截止波长；9.624m(8.493m)；13.533m；5.896m。14. 阶跃光纤，若nl1.50, 0=l.3m，试计算（1）若= 025，为了保证单模传输，其纤芯半径a应取多大？（2）若取a=5m ，为保证单模传输，应取多大？解：（1）单模传输的条件，将数据带入解出0a0.469m。 （2），带入数据得到，0 0，时，ReR， 此时电波射线折射向上弯曲，与地球弯曲方向相反，故称负折射。当 R，此时电波射线折射向下弯曲，与地球弯曲方向相同，故称正折射。在正折射中，K称为临界折射。K=4/3，=4R称为标准大气折射；K0，R时称为超折射现象。当 = 0，K1时，ReR，此时大气折射指数不随高度变化，大气为均匀介质，射线轨迹为一直线，相当电波射线的曲率半径，故称无折射。7、大气和地面造成了几种衰落？衰落产生的原因以及抗衰落所采用的技术有那些？答：当电波传播空间的参数变化时，收信端的收信电平会偏离设计值，称为传播衰落。引起衰落的原因是多方面的，大体上可以归为两大类：第一类是由气象条件的不平稳变化引起的，如大气折射的慢变化，雨雾衰减以及大气中不均匀体的散射等引起的衰落；第二类是由多径传播引起的衰落。由于气象条件不平稳变化，使传播发生异常，可能出现多条传播路径这就称为多径传播。这时到达接收天线的几条射线在垂直天线口面上的相位不可能完全相同，产生相互迭加干扰，使合成信号产生或深或浅的衰落。抗衰落一般采用分集技术和自适应均衡技术来实现。主要技术有分集技术和自适应均衡。8、微波和卫星通信中将采用哪些抗衰落技术？答：在微波和卫星通信中，主要采用的是分集技术和自适应均衡技术来实现抗衰落。9、无线（如卫星、移动通信）中将采用哪些抗衰落技术？答：减少通信距离；增加发送功率；调整天线高度；选择合适路由；在移动通信中采用微蜂窝、直放站；采用分集技术、均衡技术、瑞克技术、纠错技术等。10、简述码分多址的工作原理。答：码分多址（CDMA，Code Division Multiple Access）是一种利用信号结构的正文性来鉴别有用信号的多址方式。在码分多址(CDMA)系统中，站址的划分是根据各站的码型结构不同来实现的。各地球站可以便用相同的载波频率，占用同样的射频带宽，在任意时间内发射信号。一般选择伪随机(PN)码作地址码。一个地球站发出的信号，只能用与它相关的接收机才能检测出来。11、已知发信功率PT =10W，工作频率f = 4. 2GHz，两微波站相距50km, GT =1000倍，GR =38dB , 收、发天线的馈线损耗Lr