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天线与电波教学实验指导书实验三 天线增益测量3．1实验内容和目的：用绝对测量法（即测传播损耗的方法）和相对测量法（即比较法）测量喇叭天线的增益，掌握天线增益的一般测量方法。
3．2测量原理1．天线增益的绝对测量根据福里斯公式，当发射功率为P t ，发射天线增益为G t ，接收天线增益为G r ，收发天线相距 R ，则位于远场区的接收天线的最大接收功率为2244⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⋅=R G G P A RG P P r t t r er tt r πληπ当收发天线完全相同即G t =G r =G 时，接收功率为2244⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⋅=R G P A R G P P t r er tt r πληπ由此可求出每个天线的增益为G P P R r t =⋅4πλ如用dB 表示，则为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+⎪⎭⎫ ⎝⎛=t r P P R dB G lg 10214lg 10)(λπ因此,如果测出收发电平差、工作频率和收发距离，即可通过上式求出被测天线的增益。
2．天线增益的相对测量被测天线增益G 和参考天线增益G 0间存在简单的关系：G=gG 0式中，g 是被测天线相对于参考天线的增益。
因此如果参考天线的增益已知，只要测出g ，即可按上式求出被测天线的增益。
用比较法测天线增益，常用半波对称振子(或折合振子)作线天线的标准增益天线（其增益约为1.64或2.15dB ）；常用按最佳方向性系数设计的标准增益喇叭作面天线的增益标准天线，其增益理论设计值和实际值相当吻合，可按下式估算：)(4lg 102dB Ak D G λπ≈≈式中，A 是喇叭口面面积，k 是口面利用率。
对角锥喇叭天线k 取0.51。
3. 天线增益的综合测量设三个不同天线的增益分别为G G G 010203、、,先用比较法测得1和2对3的相对增益0302203011G G G G G G ==，当G 03已知时，则0320203101G G G G G G ==，，用dB 表示,即)()()()()()(0320203101dB G dB G dB G dB G dB G dB G +=+=， 当G dB 03()未知时，可用上述1项（天线增益的绝对测量）的方法测出G dB G dB 0102()()+，与上两式联立求出G dB 03()。
天线增益的简易测试BG1LQX 05-10-10 1、天线增益的定义：G=η*D 增益=方向性*效率半波振子方向性为1.64，由于结构简单没什么损耗，故效率很高，其增益为1.64，用dBi 表示，即2.15dBi(i即以各向同性的点源为参考)增益的测量一般用比较法：A.在相同条件下，某天线收到的功率与半波振子收到的功率之比即相对与半波振子的增益dBd，再加2dB即得dBi。
Gd=P0/Pd |发射功率相同B.在相同条件下，某天线在其最大辐射方向上某一点的功率密度与半波振子天线在同一点的功率密度之比，即：Gd=S0/Sd |发射功率相同C.在相同条件下，某天线在其最大辐射方向上某一点的场强的平方与半波振子天线在同一点的场强的平方之比，即：Gd=|E0|^2/|Ed|^2 |发射功率相同D.在相同条件下，半波振子天线与某天线在最大辐射方向上同一点处产生相同场强时发射，功率控制单元是自电源（参见：自制（参见：4，测试步分贝表示：Gg（dB）=10lg（Pg/Px）5实物照片如下：为使增益数值可以从微安表头直接读出，免去计算的麻烦，从新推导计算了，表头指针偏转角度和功率，增益分贝之间的对应关系，并对功率测量的非线性误差做了三段补偿，绘制了包含两条增益刻线、一条功率刻线和一条相对场强刻线的表盘，这样就可以直接读出测试功率和天线增益了，而且对于测量功率的精度要求也降低了，只要求相对功率比率，绝对功率数值并不重要了。
测试原理相同，操作方法略有不同。
第一步，接好参照天线，开关拨向功率/增益，调整发射功率使表头指针指到0dB处。
将开关拨向场强，适当调整场强旋扭，使场强为一确定读数。
第二步，替换参照天线为被测天线，开关保持在场强位置，不要再调整场强旋扭，调整功率旋扭，使场强读数与参照天线时读数相同。
将开关拨回功率增益位置，此时读出的分贝数，即是该天线的增益。
改变给定频率，重复以上步骤，可测出增益-频率曲线，如果场地条件允许，改变被测天线和场强接收天的水平角度可测水平方向图，改变仰角可测垂直方向图。
第9章天线增益的测试9.1 两天线法1．用途当有两个相同的小型天线要测增益时，可用此法。
尤其是圆极化天线，因为不容易找到标准增益天线作比较，不得不采用此法。
此法适于测试小的辐射中心明确的天线，如常见的手机天线、笔记本天线、瓷片GPS天线或单组贴片天线等等，不一而足。
2．原理此法的理论根据是，两点源在自由空间的插损IL是可以算出的，因此换成两个天线后，插损减小的dB值即两天线增益dB值的和。
若两天线相同，除2即得单个天线的增益dB值。
如其中有一个已知，也可算出另一个。
3．条件首先想法接近自由空间环境，在暗室中用吸波材料或在普通房间内采用小的测试距离以接近自由空间环境。
因此G≤10，频率高时好办些。
其次是被测天线应有明确的辐射中心，以便量距离。
如贴片天线的辐射中心就在口上，而八木天线的辐射中心就说不清，距离不好确定，严格来讲不适于此法。
4．算法对于天线口面每边D都≤λ的天线，测试距离R= 2D2/λ=2λ。
以GPS瓷片天线为例，λ=0.19 米，R=0.38m, 由（17-1）式知:两天线之间的衰减Pr /Pt= G1A2/4πR2 代入A2=G2λ2/4π=G1G2（λ/4πR）2代入R=2=0.00158G1G2以下用dB值表示，插损IL=G1dB+G2dB-28dB，即G1dB+G2dB=28dB-IL注意：两点源在自由空间的插损是(λ/4πR)2，而不是扩散因子1/(4πR2)。
5．测法·在两个相同的天线的背面直接装上插座，架好并保持口面间距为2λ；·两连接电缆校直通后，分别接到两个天线插座测其间插损IL；如IL=18dB，则G=5dB；注意：此法以点源为准，测出的增益倍数为G，dB数为dBi；此法可与比较法结合起来作，即可先测两个半波振子的G，以作比较。
9.2 三天线法当有三个天线时，可用此法。
条件同两天线法。
原理：用两天线法，可测得两个天线增益dB值之和；若有三个天线，其增益分别为G1，G 2，G3，两两组合测三次得：G1dB+ G2dB= XdBG2dB + G3dB= YdBG3dB+ G1dB = ZdB三式相加除2得 G1dB + G2dB + G3dB =（X+Y+Z）dB/2 = WdB 则：G1dB = WdB – YdB， G2dB = WdB – ZdB， G3dB = WdB - XdB三天线法显然比两天线法繁得多，不是极其考究的情况，不必采用。
运算放大器性能测量方法图解运算放大器是差分输入、单端输出的极高增益放大器，常用于高精度模拟电路，因此必须精确测量其性能。
但在开环测量中，其开环增益可能高达107或更高，而拾取、杂散电流或塞贝克(热电偶)效应可能会在放大器输入端产生非常小的电压，这样误差将难以避免。
通过使用伺服环路，可以大大简化测量过程，强制放大器输入调零，使得待测放大器能够测量自身的误差。
图1显示了一个运用该原理的多功能电路，它利用一个辅助运放作为积分器，来建立一个具有极高直流开环增益的稳定环路。
开关为执行下面所述的各种测试提供了便利。
图1. 基本运算放大器测量电路图1所示电路能够将大部分测量误差降至最低，支持精确测量大量直流和少量交流参数。
附加的“辅助”运算放大器无需具有比待测运算放大器更好的性能，其直流开环增益最好能达到106或更高。
如果待测器件(DUT)的失调电压可能超过几mV，则辅助运放应采用±15 V电源供电(如果DUT 的输入失调电压可能超过10 mV，则需要减小99.9 kΩ电阻R3的阻值。
)DUT的电源电压+V和–V幅度相等、极性相反。
总电源电压理所当然是2 × V。
该电路使用对称电源，即使“单电源”运放也是如此，因为系统的地以电源的中间电压为参考。
作为积分器的辅助放大器在直流时配置为开环(最高增益)，但其输入电阻和反馈电容将其带宽限制为几Hz。
这意味着，DUT输出端的直流电压被辅助放大器以最高增益放大，并通过一个1000:1衰减器施加于DUT的同相输入端。
负反馈将DUT输出驱动至地电位。
(事实上，实际电压是辅助放大器的失调电压，更精确地说是该失调电压加上辅助放大器的偏置电流在100 kΩ电阻上引起的压降，但它非常接近地电位，因此无关紧要，特别是考虑到测量期间此点的电压变化不大可能超过几mV)。
测试点TP1上的电压是施加于DUT输入端的校正电压(与误差在幅度上相等)的1000倍，约为数十mV或更大，因此可以相当轻松地进行测量。
中华人民共和国国家标准卫星电视地球接收站测量方法天线测量发布实施国家技术监督局发布前言中所要求的电性能对进行本标准对原版的内容主要作了如下修改本标准由中华人民共和国电本标准由电子工业部标准化研究所本标准起草单位电子工业部第五十四研究电影电视部广播科学本标准主要起草本标准于年月首次发年月第一次修中华人民共和国国家标准卫星电视地球接收站测量方法天线测量代替范围本标准规定了卫星电视地球接收站天线性能指标的和本标准适用于引用标准下列标准所包含的条过在本标准中的引用而构成为本标准的条本标准出示版本均为所有标准都会被修用本标准的各方应探讨使用下列标准最新版本的可卫星电视地球接收站测量方法系统测量电信术语天线定义除下采用中的天线分系统天线分系统是卫星电视接收设备的一部由天线图天线分系统天线由主反射器时还有副反馈源网络通常包括一个极化器和一段过渡过波导馈线接到室外单增益标准天线批准实施增益标准天线是一种具有确定结构并经过精确校益系数与方向性系数数值上接另益系数的计算值与实测值很接所用喇叭天线作为测试微波天线增益的比较视轴方向视轴方向即电轴方由天线辐射性能确定的轴方椭圆的长轴对短轴之极化极化是描述电场矢量端点随时间变化的轨迹的形状和在一个电磁振荡周期内端点轨迹可以是相应地称该极化为椭圆极化或线交叉极化鉴别率接收天线的交叉极化鉴别率是天线从给定方向上按预期最大功率传输的功率与从同一方向由功率相等但极化正交的同一远场区辐射源所接收的功率之天线功率增益天线功率增益意指相对于各向同性的无耗源的总增两个正交极化的增益分量的总果指某一极化的增应表明这种极化增或线极化增益等益的定义也可以从有效式中作波有效匹配终端上的有效口面上的平面波的单位天线方向图接收天线方向图是天线接收等幅平面波能力随天线指向角度变化情况的图照射被测天线的该一等幅平面波由设置在远区的某一固定点源力的大小表现为连接天线的接收机所显示的功率电当被测天线的极化与远区源天线的极化一致所得的方向图为天线的同极化方向图当被测天线的极化与远区源天线的极化正交所得的方向图为天线的交叉极化方向极化方向图的电平应按同极化方向图的峰值测量方向图改变天线指向角度的旋转轴的取向不同得到不同平面的方向当旋转轴与天线的方一致得的方向图称为铅垂方向当旋转轴与天线的极化面成得的方向图称为面方向面方向图和方向测量方法大气条件一般为现场大气环境晴环境条件在满足天线远场准则的测试场区有等引起反射的对测量仪器的要求信号源频率须保持稳定要求内频率稳定度输出功率一般要求满足加接功率放大频谱分析仪分辨带宽在小于时仍能稳定地工态范围须在对测试场地的要求为了确定远场的测试场地应提供均匀振幅的平面波照射天线口里规定采用近于理想的自由空间测试场该场区内要将周围物体的影响减小到最些影响包括测试场地表面的反天线和测试塔的反也可以采用反射测通常规定入射到待测天线口径中心与边缘的相位差小于此确定最小测试距离式中测天线口面直作波测天线至信号源的天线功率增益天线功率增益的测量通常用直接比较信号接校及推荐用直接比较法和直接比较法测量原理增益测量的比较是比较增益标准天线与被测天线从相同距离的辐射源接收到的信号电测量框图如图所图直接比较法测量框图测量步骤按图连接好设备开关打到被测天线调整被测天线与辐射源对准极化匹接收的功率电平将开关打到增益标准天线对准辐射源上下连续地改变增益标准天线的高接收信号电平的最大值小值被测天线功率增益由示式中测天线功率增益标准天线在测试频率上的增测天线接收电面反射修正系益标准天线接收最大电益标准天线接收最小电卫星法测量原理利用同步卫星上信标作信号源对待测天线的方位和俯仰方向图波束宽度进行测根据经验公式导出待测天线的增式中位和俯仰波束宽测量步骤设备按图连接图天线接收特性测量框图精确对准所选择信标并微调天线使之达到电平最大分别测出待测天线俯仰与方位的方向定出依据出天线增测定其他频另一颗卫星时步骤同注本方法也适用于远场天线噪声温度常用因子测量原理用因子由示式中试环境噪声放大因子定义式中别为常温标准负载和天线的噪声测量步骤预先用标准对低噪声放大按图连接测试现场可不带冷负载图测量天线噪声温度的设备配置将低噪声放大器与常温负载相频谱分析仪面板控制器如下设置频率跨按规定工作频段预衰减器中心频率按规定预置如分辨带宽接通低噪声放大器电源扫描出规定频段内的噪声功率曲将低噪声放大器与天线相连在规定的天线仰角上重复步骤打印并记录测试结果及测试环境线上查对应频率点的因用应频率点天线分系统含网络天线噪声温度的关系的参考点在天线网络的输出法考察的参考点在初级辐射器的输出端定馈源网络的损耗为与之间的关系见式中试环境天线电压驻波比或回波损耗测量原理假定天线的输入阻抗它与某一标称阻抗的传输系统连接时由于阻抗失配而在后一传输系统中产生电压反射系数为的反射波这一阻抗失配的程度通常用电压驻波比或回波损耗表可以用反射系数表上述各参数之间的关系见测量方法天线的电压驻波比或回波损耗用点频法或点频法测量点频法测量的设备配置见图测量精度主要取决于测量线本身的精好的系统常电压驻波比的测量精度约在以图测量电压驻波比的设备配置先在测量线输出端口接短路测量频定指示刻度然后去掉短路器接被测天线按照标定刻度可直接读出被扫频法扫频法的设备配置见图定向耦合器方向性对测量精度影响常要求有以上的方向图扫频法的设备配置频谱分析仪在这里是作为扫频接收机测量时首先在测量定向耦合输出端口接短路器在工作频段范围内作的校准曲线并储存然后接被工作频段内的回波损耗进行扫频并打印测量结果表示法测量结果应以曲线或带标度示波器上的照片或打印机绘制的曲线图表当结果不用图形表示按下列表示在工作频段范围波损耗大还应给出各种情况下测量结果的最大误天线方向图测量原理被测天线与源天线轴向源天线均匀入射场照的频率和极化状态转台在所需的需的角度范围内记录接收信选定的采样间隔采集数据实时或事后显示方向图数测量天线方向图设备配置测量天线方向图设备配置如图所图测量天线方向图设备配置测量步骤按照要求架设源天线和被测天线将被测天线对准源标定方俯仰度位被测天线绕天线的方连续或步进地旋转其指向角记下表示为角度函数的接收功率电结果表示无论是同极化方向图还是交叉极化方向应按同极化方向图的峰值整的方向图数据还须注明下列各项测量频率天线极化测量的当结果不用图形表示按下列给出典型数据如半功率波瓣宽第一旁瓣电平广角旁瓣包络不符合天线极化线极化天线的交叉极化鉴别率测量被测天线安装在测试场上用位于远区的线极化源天线照天线应为标称同置于最大增益位置记录接收功率然后将源天线围绕它的波束轴旋转到最小功率传输的位化零接收交叉极化鉴别率由出圆极化天线轴比被测天线安装在测位于远区的标准线极化源天线照天线按精确地设置在最大增益的位置天线围绕它的波束轴至少转动测接收最大功率小功率轴比表示见。
实验二十二天线增益测量一、实验目的（一）、掌握天线增益的测量方法（二）、学会确定标准天线的方法二、实验内容1、用比较法测量天线的增益。
2、用三天线法测量标准天线的增益。
三、实验原理和方法各种天线都有一定的方向性，方向函数或方向图仅描述天线的辐射场强在空间的相对分布，为了定量描述天线在某一特定方向上的辐射能量的集中程度需引入天线方向系数这一参数。
绝大多数天线都需要通过实际测试来确定其增益，测量天线的增益有比较法和绝对法1、比较法图21-1示出了用比较法测量天线增益的测试系统方框图，其中图中的待测天线和标准天线作为发射天线。
如果与传输线匹配的待测天线和标准天线作为发射天线，比较法测量增益的实质是通图21-1比较法测增益方框图⑴、把待测天线接入信号源，最大方向对准，调可变衰减器，使接受指示器有一个较大的指示值，记下精密可变衰减器分贝值Ax。
⑵、确定最小测试距离和架设高度⑶、进行电道估算选择测量仪器⑷、收发天线应架设在同一高度上，并将转台调到水平105106⑸、检查周围的反射电平及必须具备的测量条件 ⑹、转台转轴尽可能通过待测天线相位中心⑺、接上标准增益天线，最大方向对准，调整精密可变衰减器的值，使接受指示同刚才一样，记下衰减器的分贝值。
2、接待测天线，调衰减器使指示为一个值，记下待测天线输入功率 假定1、阻抗匹配2、极化匹配3、最大方向对准4、距离相同 绝对增益的测量Asx s AxP G G P =如果用精密可变衰减器测量功率 ()/1010()()()()x s A A x s x s x s G G G dB G dB A dB A dB -==+-2、双天线法（两天线相同）假设两天线极化和阻抗均匹配22()41420lg 10lg 2R A A R P P G rP r G dBr P λππ=⎡⎤⎛⎫⎛⎫=-⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎣⎦由此可见，用两付相同增益的天线，只要测得收发天线之间的距离、工作波长及接收天线的接收功率与天线的输入功率之比即可确定天线的增益。
14.2.1 比较法法测量地球站系统G/T 值图14-6所示，为比较法测量地球站系统G/T 值的原理方框图。
图中待测地球站的低噪声放大器（LNA ）为系统本身的设备，而标准增益喇叭的LNA 是一个性能参数已知的低噪声放大器。
在实际工程测量中，通常待测站天线LNA 和标准喇叭的LNA 可用同一个低噪声放大器，用一台频谱分析仪测量即可；但是标准喇叭通常为高增益标准喇叭，以确保标准增益喇叭接收卫星信号的信噪比满足工程测量需求。
图14-6 比较法测量地球站G/T 的原理方框图比较法测量地球站系统G/T 值的原理是：待测站系统G/T 值同标准增益喇叭系统G/T 进行比较，从而确定待测地球站系统G/T 值的方法。
当待测站天线对准卫星，且极化匹配时，频谱分析仪测量的卫星信标（或单载波下行信号）的归一化信噪比与G/T 的关系为：0228.6P S X G C EIRP L A T N ⎛⎫=--+++ ⎪⎝⎭ （14-12） 式中：G /T −待测地球站系统G/T 值(dB/K)；EIRP −卫星信标或信号的等效各向同性辐射功率(dBW)；(C /N 0)X −待测天线接收卫星信标或信号的归一化载噪比(dB/Hz)；L P −卫星下行自由空间传播损耗(dB)；A S −地理增益修正因子(dB)。
待测地球站 卫星频谱分析仪当标准增益喇叭天线对准卫星，且极化匹配时，标准增益喇叭系统(G /T )S 值与测量归一化载噪比(C /N 0)S 的关系为：0228.6P S S SG C EIRP L A T N ⎛⎫⎛⎫=--+++ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ (14-13) 由式(14-12)和(14-13)可求得待测地球站系统G/T 为：00S X SG G C C T T N N ⎛⎫⎛⎫⎛⎫=+- ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭ (14-14) 式（14-14）就是比较法测量地球站系统G/T 的原理公式。
该公式是在待测天线极化、标准增益喇叭天线极化均与卫星信号极化匹配的条件下获得的，当存在极化失配时，应考虑极化损失对测量结果的影响。
一二测量相位差的方法主要有哪些？ 测量相位差可以用示波器测量，也可以把相位差转换为时间间隔，先测量出时间间隔，再换算为相位差，可以把相位差转换为电压，先测量出电压，再换算为相位差，还可以与标准移相器进行比较的比较法(零示法)等方法。
怎么用示波器来测量相位差? 应用示波器测量两个同频正弦电压之间的相位差的方法很多，本节介绍具有实用意义的直接比较法。
将u1、u2分别接到双踪示波器的Y1通道和Y2通道，适当调节扫描旋钮和Y增益旋钮，使荧光屏显示出如图2.42所示的上、下对称的波形。
比较法测量相位差 设u1过零点分别为A、C点，对应的时间为t A、t C；u2过零点分别为B、D点，对应的时间为t B、t D。
正弦信号变化一周是360°，u1过零点A比u2过零点B提前t B-t A出现，所以u1超前u2的相位。
u1超前u2的相位，即u1与u2的相位差为(2.56) T为两同频正弦波的周期; ΔT为两正弦波过零点的时间差。
数字式相位计的结构与工作原理是什么?三数字相位计框图 将待测信号u1(t)和u2(t)经脉冲形成电路变换为尖脉冲信号，去控制双稳态触发电路产生宽度等于ΔT的闸门信号以控制时间闸门的启、闭。
晶振产生的频率为fc的正弦信号，经脉冲形成电路变换成频率为fc的窄脉冲。
在时间闸门开启时通过闸门加到计数器， 得计数值n，再经译码，显示出被测两信号的相位差。
这种相位计可以测量两个信号的“瞬时”相位差，测量迅速，读数直观、清晰。
数字式相位计称做“瞬时”相位计，它可以测量两个同频正弦信号的瞬时相位，即它可以测出两同频正弦信号每一周期的相位差。
基于相位差转换为电压方法的模拟电表指示的相位计的测量原理是什么? 如图2.44所示，利用非线性器件把被测信号的相位差转换为电压或电流的增量，在电压表或电流表表盘上刻上相位刻度，由电表指示可直读被测信号的相位差。
转换电路常称做检相器或鉴相器。
常用的鉴相器有差接式相位检波电路和平衡式相位检波电路两种。
第一章概念1.1 定义1.1.1 功率增益天线在某方向上的辐射强度（每单位立体角内天线所辐射的功率）与天线从其信号源所得的净功率的比值称为天线在该方向的功率增益。
功率增益表征天线固有的性质，不包括因阻抗或极化失配所引起的系统损失。
在确定整个系统的功率传递时，要测量和考虑天线的输入阻抗与天线的极化。
1.1.2 峰值功率增益功率增益的最大值称为峰值功率增益。
本文所指的公路增益测量均为峰值功率增益测量，知道了辐射方向图就可确定任何其它方向的增益。
1.2 测量方法概述1.2.1功率增益测量方法分类功率增益测量方法可分为两大类：绝对法和比较法。
1.2.1.1 绝对法分类绝对增益测量不需要预先知道测量中所使用的任一天线的增益。
这种方法通常用于增益标准天线的定标。
除了专门从事标准定标的实验室外，其它实验室很少采用这种方法。
1.2.1.2 增益传递法增益传递发也称增益比较法，它是增益测量最常用的方法。
用这种方法进行测量时，需使被测天线的增益与增益标准的增益天线进行比较。
1.2.2 确定天线功率增益所采用的技术确定天线功率增益所采用的技术因天线的工作频率而异。
1.2.2.1 1GHz以上的频率在1GHz以上的频率，通常采用自由空间测试场进行功率增益测量。
对这些频率，可采用微波技术，例如可采用电磁喇叭等波导元件。
1.2.2.2 0.1--1GHz之间的频率对于0.1--1GHz之间的频率，通常用地面反射测试场进行测量。
在这一频率范围内工作的天线通常安装在诸如飞机之类的构件上，这些构件会影响天线的性能。
此时可采用比例模型技术。
然而，只要比例模型天线制作的合适，其方向性与原型天线的方向性是相同的，故可以测量比例模型天线的方向性，再用其它方法测出原型天线的效率，从而求得功率增益。
可使装有原型天线的飞机相对于一个适当的地面站按规定的路线飞行，以证实方向性测量结果。
可用原型被测天线测出系统性能，并与比例模型的测量结果进行比较。
