微波实验天线特性的测量实验报告

天线特性的测量实验报告

一、实验目的

1.了解天线的基本特性参数 2. 测量天线的频率特性,方向图

3. 了解鞭状天线、八木天线、壁挂天线等的构造及特性 4.学会用频谱仪测量天线的方向图。

二、实验仪器

1.鞭状天线、八木天线、壁挂天线。(选购)

2.微波信号源。(选购或用锁相源、跟踪振荡器等代替) 3.频谱仪。(标配)

4. 频谱分析仪 三、天线测量原理

天线是向空间辐射电磁能量,实现无线传输的重要设备。天线的种类很多,常见天线分为线天线和面天线两大类。高频、超高频多用线电线,微波常用面天线。每一类天线又有很多种,常见的线天线,有鞭状天线、八木天线、偶极子天线等。常见的面天线有抛物面天线、喇叭口天线等。

天线的基本参数有天线方向图 ,主瓣波束宽度、旁瓣电平、带宽、前后向比、极化方向、天线增益、天线功率效率、反射系数、驻波比、输人阻抗等等。本实验对天线的方向图进行测试。

天线向空间辐射电磁能量,在不同的方向辐射的电磁能量的大小是不相同的,将不同方向天线辐射的相对场强绘制成图形,称为天线方向图。

1 方向图函数和方向图

天线的最基本特性是它的方向特性。对发射天线来说,方向特性通常是表示在相同距离条件下天线的远区辐射场与它的空间方向之间的关系。描述天线的方向特性,最常用的是方向图函数和方向图。

方向图函数是定量表示远区天线辐射能量在空间相对分布情况的一个参数,通常是指远区同一距离处天线辐射场强(或能流密度) 的大小与方向坐标关系的函数。若用图形把它描绘出来,便是天线方向图。其中表示场强大小与方向关系的,称为场强振幅方向图,表示能流密度大小与方向关系的,称为功率方向图。习惯上又把场强振幅方向图简称为场强方向图,或进一步简称为方向图。把场强振幅方向图函数用f (θ, ) 表示,或进一步简写成f (θ, ϕ) 。把最大值为1的方向图称为归一化方向图。把归一化场强振幅方向图函数用F (θ, 或进一步简写成F (θ, ϕ) 。

方向图一般是三维立体图形。为了简单,大多数实际应用场合中通常只画出两个具有代

ϕ) 表示,

表性的正交平面上的方向图。这两个正交的平面称为主平面。主平面经常选取水平面(平行于地面的面) 和垂直面(垂直于地面的面) ,或E 面(包含天线最大辐射方向及其电场方向的面) 和H 面(包含天线最大辐射方向及其磁场方向的面) 。有时也选取XY 面、YZ 面、ZX 面等。 在所有方向的辐射都相同的天线称为无方向性天线。显然无方向性天线的立体方向图呈球状,它在任一平面的方向图均为园。在某一平面上无方向性的天线称为该平面全向天线,它在该平面上的方向图为园。

天线的平面方向图有两种表示方式。一种是以直角坐标表示的,称为直角坐标方向图. 。此时横轴代表角度(以度为单位) ,纵轴代表函数值。另一种是以极坐标表示的,称为极坐标方向图。它用极角(射线与极轴的夹角) 代表角度(以度为单位) ,用射线的长度代表函数值。极坐标方向图由于直观形象,应用很广。

天线的平面方向图一般呈花辫状。我们把它的每一个辫称为波辫。其中把包含最大辐射方向的一个辫称为主辫,位于主辫相反方向的辫称为后辫,与主辫完全相同的辫称为栅辫。其余的瓣称为副瓣(或旁辫) 。其中紧靠近主瓣的副瓣称为第一副瓣。对于定向天线来说,我们当然希望它的主瓣越窄越好,副瓣和后瓣越小越好。因为这有利于能量的集中辐射和接收,有利于抑制干扰。

2 方向性系数和增益

2.1 方向性系数(D)

方向性系数是定量衡量天线定向特性的一个参数。通常把某天线在其远区最大辐射方向上产生的能流密度与其在同样距离远处产生的平均能流密度的比,定义为这天线在最大辐射方向的方向性系数,简称为方向性系数。用D 表示。显然,无方向性天线的方向性系数等于1。这是因为它在同样距离远的所有方向产生的能流密度的大小都相等。其它天线的方向性系数永远大于1。

假设天线在其远区最大辐射方向上r 远处产生的电场为E m (有效值) ,归一化场强方向图函数为F (θ,

2

ϕ) ,则天线在最大辐射方向上产生的能流密度

S m

E m

=

120π

天线的辐射功率

P R =⎰

π

E m F 2(θ, ) 2

sin θd θd

120π

2

同一距离处产生的平均能流密度

S 0==14π

P R 4πr 2

⎰⎰

2ππ

E m F (θ, ϕ)

s in θd θd ϕ

120π

22

因此天线在最大辐射方向的方向性系数

D ==

S m S 0

π

⎰⎰

F 2(θ, ϕ) s in θd θd ϕ

要特别提醒注意的是,这里的F (θ, ϕ) ,是归一化场强方向图函数。

如果上式中的积分不能用解析法求出,可将积分运算写成级数近似式。θ的整个积分区间π可等分成M 段,每段∆θm =

π

M

。θm 有许多不同的取法,哪种取法好,取决于所研

究的问题。比如θm 可选在每段的后沿或中间,即

θm =

m π

M

(m =1,2, M )

m ππ

-(m =1,2, M ) M 2M

对ϕ变量也可用相同的办法,即将ϕ的整个积分区间2π等分成N 段,每段

∆ϕn =。比如ϕn 选在每段的后沿或中间即

N 2n πϕn =(n =1,2, N )

N

θm =

n

=

2n ππ

-(n =1,2, N ) N N

π

这样上式的积分运算可用下列级数近似

2πF (θ, ϕ) s in θd θd ϕ=⋅⎰0

M N

2

π

∑∑F

n =1m =1

N M

2

(θm , ϕn ) s in θ

上式的双重求和,在计算机程序中可用双循环简单完成. 。

要特别强调的是上面的F (θ, ϕ) 是天线的归一化场强方向图函数,即

F (θ, ϕ) =

式中

f (θ, ϕ)

f ma x

f (θ, ϕ) 是天线场强方向图函数的一般表达式,不一定归一化。

f ma x 是f (θ, ϕ) 的最大值。

天线在任意方向的方向性系数为

D (θ, ϕ) =DF 2(θ, ϕ)

式中,F (θ, ϕ) 是天线的归一化场强方向图函数。

这样,辐射功率为P R 、方向性系数为D 、归一化场强方向图函数为F (θ, ϕ) 的发射天线在空间任一点P(r , θ, ϕ) 产生的电场强度的大小可按下式求出

E (r , θ, ϕ) ==

P R D r

30P R D (θ, ϕ)

r

F (θ, ϕ)

方向性系数经常用dB 表示,即

D (d B ) =10log D

人们经常用天线在两个正交的主平面(水平面和垂直面,或E 面和H 面) 上的半功率瓣宽来估算它的方向性系数。当副瓣电平不太高时,可用下式近似求出

D =

30000

2θ0. 5H ⋅2θ0. 5V /

式中

2θ0. 5H 、2θ0. 5V ,代表天线两个正交的主平面上的半功率瓣宽(单位为度)。

上式分子上的数字在副瓣电平较高时(比如-10dB 以上) ,可取20000。副瓣电平较低时(比如-20dB 以下) ,可取42000。

2.2 辐射效率(η)

输入到天线的功率并不能全部辐射出去,还有一部分由于天线的导电损耗和介质损耗等原因要消耗在天线上。我们定义天线的辐射功率与它的输入功率的比为天线的辐射效率(简称为效率) 。即

η=

P R P in

P R

=

P R +P L

式中

P in 代表天线的输入功率; P R 代表天线的辐射功率; P L 代表天线的损耗功率。

2.3 天线增益(G)

天线增益是全面衡量天线集中能量能力的一个重要参数,更便于不同天线的比较。它和方向性系数的根本区别在于它考虑了天线的辐射效率。我们把在相同输入功率条件下,某天线在其远区最大辐射方向上产生的能流密度与无方向性天线(即各向同性的点源) 在同一距离远处产生的能流密度的比,定义为本天线在最大辐射方向的增益,简称为增益,用G 表示。

天线在任意方向的增益为

G (θ, ϕ) =GF 2(θ, ϕ)

式中,F (θ, ) 是天线的归一化场强方向图函数。 天线的增益和方向系数之间存在如下关系 G =ηD

天线增益只能通过测量得到。

3 .天线的阻抗特性

3.1 天线的输入阻抗()

阻抗是线天线常用的一个等效参数。当天线与发射机相连时,天线便是发射机的负载,等效为一个阻抗。这个阻抗称为天线的输入阻抗。它定义为天线输入端的高频电压与输入端高频电流的比,即

V Z in =0

I 0=R in +jX in

式中

Z in 是天线的输入阻抗;

是天线输入端的高频电压; V 0

0是天线输入端的高频电流; I

R in 是天线的输入电阻; X in 是天线的输入电抗。

天线输入阻抗的严格计算一般相当复杂,因此人们常通过测量或近似计算求出。

3.2 天线的损耗电阻(R l )

天线的损耗电阻定义为天线的损耗功率(P l ) 与输入端电流(有效值) 平方的比,即

R l =

P l

2I 0

因此天线的输入电阻是它归于输入电流的辐射电阻和损耗电阻的和,即

R in =R r +R l

4. 天线的极化特性

4.1 天线极化的概念

天线的极化是指天线辐射的电波的极化。它规定为天线最大辐射方向上某一固定点的电场矢量随时间变化的轨迹的形状和方向。一般情况下形状为椭园,称为椭园极化。其中顺着电波传播方向看,旋转方向为右旋的称为右旋椭园极化,为左旋的称为左旋椭园极化。特殊情况下,形状可能是园或直线。其中,形状为园的,称为园极化;形状为直线的,称为直线极化(简称为线极化)。对线极化,又把最大辐射方向上的电场垂直于极化面(即入射线和反射面的法线构成的平面) 的, 称为水平极化,位于极化面的称为垂直极化。工程上习惯把最大辐射方向上的电场垂直于地面的称为垂直极化,平行于地面的称为水平极化。

4.2 天线的极化特性

1.线极化天线只能接收与它极化方向相同的极化分量,与它极化方向正交的极化分量,完全不能接收。

2.园极化天线只能接收与它旋向相同的园极化分量,与它旋向相反的园极化分量完全不能接收。

3.一个线极化可以分解成两个旋向相反的园极化分量。 4.一个园极化可以分解成两个正交的线极化分量。 一般接收天线的极化与入射波的极化并不完全相同,这种情况称为极化失配。这时天线将不能从入射信号中吸收最大的功率,而产生极化损耗。我们定义极化损耗因子为

PIF =cos 2ψ

式中ψ是入射波电场矢量和接收天线电场矢量间的夹角。

比如虽然入射波和天线都是线极化,但当它们是正交极化时天线将完全不能从入射波中吸收功率。这时PIF 等于零。

5. 天线的频率特性

天线的特性一般都与频率有关。尤其线天线,一般对频率非常敏感。天线的频率特性通常用频带宽度(简称带宽) 来表示。它定义为天线的基本特性参数满足给定要求的频率范围。有阻抗带宽、增益带宽、方向图带宽、极化带宽等。比如对线天线,它的阻抗带宽定义为它与馈线连接时的驻波比(或反射系数) 不超过给定要求的频率范围。而对宽带天线,常用可容许工作的上下限频率的比作为其带宽。

四.测量天线方向图

测量天线方向图的方法主要有两种,分别为固定测量法和旋转测量法,固定测量法主要用于大型天线,由于转动不便,故待测天线固定,辅助天线在空中或地面绕待测天线旋转,得到不同角度的辐射强度,即可绘制出天线方向图。另一种方法是旋转测量法,待测天线旋转,辅助天线固定不动,然后通过测量得到方向图。

1、实验电路连接

A B

信号源

频谱仪

天线测试电路(一)

A

图30-1微波天线方向图测量框图

B

2、测量方法

1.A 天线位置、姿态固定,天线中心位置不变,B 天线方向,跟踪B 发生器频谱在水平面旋转仪

记录天线旋转角度及频谱仪读数,便可测出B 天线水平方向图,并填入下表。 AT 5011

设两天线对正(此时频谱仪功率读数最大)为0度,

按顺时针方向旋转计算角度。若要准确绘制方向图,则可每隔5度测量一次,对读数最小及其它较大读数的角度更应仔细测量,并记录准确的角度与功率读数。

2.A 天线位置、姿态固定,B 天线中心位置不变,在垂直面旋转B 天线方向,记录天线旋转角度及频谱仪读数,便可测出B 天线垂直方向图,并填入下表。

设两天线对正(此时频谱仪功率读数最大)为0度,按顺时针方向旋转计算角度。若要准确绘制方向图,则可每隔5度测量一次,对读数最小及其它较大读

数的角度更应仔细测量,并记录准确的角度与功率读数。

3.根据上述表格数据,绘制B 天线方向图。

4.根据天线方向图可得到主瓣波束宽度、旁瓣电平、前后向比等。

5. B天线位置、姿态固定,A 天线中心位置不变,在水平面和垂直面旋转A 天线方向,便可测出A 天线水平面和垂直方向图。 五、天线增益测量原理

天线增益是指天线在最大辐射方向上辐射功率流密度与相同辐射功率的理想无方向天线在同一距离处辐射功率流密度之比。实际测试中相同辐射功率和理想无方向天线难以保证和寻觅。因此常用天线方向图中平均值与最大值之比近似表示。

1、实验电路连接

A B

信号源

频谱仪

图31-1微波天线增益测量框图

A

2、测量方法

天线测试电路(一)

B

1.首先测量并画出天线水平、垂直方向图。 AT 5011

2.天线增益,可用天线方向图中平均值与最大值之比近似表示。 3.从表中查出0度方向功率,它为天线最大发射功率。

跟踪发生器频谱仪

4.根据表中各个角度功率,求平均功率(亦可分为水平和垂直两个方向平均功率)。 天线测试电路(二)5.根据上述两值之比,求出天线增益(亦可分为水平和垂直两个方向天线增益)。

六、结果分析

P 反=27.3dB 反射系数=0.75

驻波比=(1+P)/(1-P )=7

输入阻抗=350

测量方向与理论方向不完全一致,首先是由于测试仪器与设备存在系统误差,另外是受到实际空间的电磁波干扰,不过在误差允许范围内,该测量结果准确。

七、实验注意事项

1.注意天线的频率范围,信号源频率必须在天线工作频段之内。

2. 壁挂天线只能用于接收天线。

八、实验感想

做实验很重要的一点就是胆大心细. 一个老师曾经说过, 做实验肯定是要大胆, 失败了可以重做, 仪器坏了可以再买, 不要有什么心理负担. 每次做实验的时候, 我们城市遇到如许一种情况, 或是我们自己, 或是他人, 每次遇到问题就问同学问老师, 未免有点" 拿来主义", 实质上说确实缺乏勇气的一种表现, 就实验, 遇到卡壳是很常见的, 这未免不是一件好事, 至少在肯定是程度上锻炼了我们。通过了这次实验,也培养了我们的胆大、心细、谨慎的工作作风。操作的时候要心细、谨慎,避免触电及意外的受伤。

在这次实验中感触最深的便是实践联系理论的重要性,当遇到实际问题时,只要认真思考,运用所学的知识,一步一步的去探索, 是完全可以解决遇到的一般问题的。同时小组合作也很重要。


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