实验9天线实验

1、一、概述二、微波天线主要技术参数1 方向图（1 ）方向性图（2）方向性系数2 天线效率3 .增益系数（增益）4 .天线阻抗5 .天线极化6 .频带宽度三、实验用的天线一角锥喇叭天线四、天线测量实验系统的建立1 .系统连接2 .测试实验系统的阻抗匹配情况3 测试实验系统中两天线间距离及架设高度的选择(1) 两天线架设最小间距Vmi n(2) 天线架设高度五、测量1 天线增益系数的测量(1 )测量理论(2 )测量方法2 天线方向性图的测量(1) 方法(一)(2) 方法(二)六、附录-同轴传输系统中微波天线测量实验微波天线测量实验、概述微波天线是微波通信设备中一个重要的组成部分， 微波信息的质量与天

2、线性 能密切相关。通常，微波天线都为面式天线，验证这类天线的性能，首先是通过 测量来实现的。本文作为结合实验内容， 对天线系统架设于调整，天线的增益系 数，天线方向性图的测量实验，及实验使用的天线性能等方面内容作一些介绍。、微波天线主要技术参数1 方向性(1 )方向性图天线的基本功能是将馈线传输的电磁波变为自由空间传播的电磁波，天线的方向图是表征天线辐射时电磁波能量 (或场强)在空间各点分布的情况，它是描述天线的主要传输之一。天线的方向性图是一个立体图形。它的特性可以用两个互相垂直的平面（E平面和H平面）内方向性图来描述。如图（1）所示：图（1）天线方向性图天线方向性图能直观地反映出天线辐射能

3、量集中程度、方向性图越尖锐，表 示辐射能量越集中，相反则能量分散。若天线将电磁能量均匀地向四周辐射，方 向性图就变成一球面，称作无方向性，这就是一理想点源在空中辐射场。天线方 向性图可通过测试来绘制，如测得的是功率，即可绘出功率方向性图，如测得的 是场强，则绘出场强方向性图，但两者图形形状是完全一样的。通常图形方向性图有多个叶瓣，其中最大辐射方向的是叶瓣，称主瓣，其余称副瓣（或旁瓣） 在方向性图中主瓣信息是我们最关心的。a. 方向性图主瓣宽度方向性图主瓣宽度是指半功率点（功率下降为最大辐射方向功率一半之点） 之间宽度，它是由主瓣最大值“ 1”下降到“ 0.5 ”处两点与零点连接形成的夹角, 用

4、2 9 0.5来表示，如图2所示：后扇第一斟務图（2）b. 方向性图主瓣零点角如图2所示，方向性图零点角是指主瓣两侧零辐射方向之间夹角，用2 9o来表示。c. 方向性图副瓣电平方向性图副瓣功率电平表示副瓣功率电平相对于主瓣功率电平的比值，一般用分贝（dB ）来表示，即:副瓣电平=10 lg功率方向性图副瓣最大 功率方向性图主瓣最大值dB(1)般希望副瓣电平越低（即负值越大）越好（2）方向性系数上述方向性图虽然一定程度上反映了天线辐射状态， 但它是一个相对值，为了定量描述天线集中辐射程度，引进了方向性系数这一概念。方向性系数定义是： 在同一距离及相同辐射条件下，某一天线最大辐射方向性上辐射功率密

5、度 Smax (或场强平方E2max )与无方向天线(点源)辐射功率密度So (或场强平方E2o) 之比，用D来表示：D = SmaX辐射功率相同=maX辐射功率相同(2)So |lEo可见，方向性越尖锐的天线D越大，相反则D越小，若D = 1 ,则表示为无 方向性天线，是一个理想点源辐射场。2 .天线效率一般来说构成天线的导体和绝缘介质都有一定的能量损耗， 输入天线的功率 不可能全部转化为自由空间电磁波的辐射功率，我们把天线辐射功率 Pr与天线 输入功率之比称作天线效率，即：n a = Pr/Pi(3)通常微波天线的效率都很高，n a接近于1。另外需要值得提出的是这里定 义的天线效率并没有包

6、含因天线与馈线传输系统失配引起的损耗，如考虑到天线输入端的反射系数r，则天线总效率为：n A =( 1-ir2 |)? n(4)3 .增益系数(增益)增益系数简称增益，它的定义是：在同一距离及相同输入功率的条件下，某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度 Smax （或场强平方E2max ）与无方向天线（理想点源）的辐射功率密度 So （或场强平方E2。）之比，用G来表示:G =泌So输入功率相同=Emax2E。输入功率相同比较（2 ）、（ 3 ）、（ 4）式可见:Smax输入功率相同=na maxSo输入功率相同即 G =a?D可见，增益系数是综合衡量天线能量转换效率和方向性的参数,它是方向性系

7、数与天线效率的乘积。在实际应用中，天线增益系数与方向系数为重要的参量,尽管它们之间密切相关。对于微波面式天线,它们的转换效率都很高，n a = 1，因此G = D。分析证明，对于微波面式天线,它的增益系数与天线口径大小有如下关系:(7)4冗Se 4冗SG =ne入2花式中：S为天线辐射口面的实际面积；n e为口面利用系数，或称口径效率,它主要是由口面上电磁场振幅分布和相位分布决定的。当口面分布均匀且同相 时，ne= 1，可获得最大增益，由（7）式可见:Se= S? nSe称为天线口径有效面积。对于无方向天线(理想点源)来说， G = D = 1，它的有效面积为：入2Se=S o(9)4 n增益

8、系数一般用分贝来表示：GdB = 10lgG (dB)(10)4 .天线阻抗天线阻抗是指天线输入端口向天线辐射口方向看过去的输入阻抗，它取决于天线结构和工作频率。只有天线的输入阻抗与馈线阻抗良好匹配时，天线的转换 效率才最高(参见4式)，否则将在天线输入端口上产生反射，在馈线上形成驻 波，从而增加了传输损耗。大多数天线输入阻抗的匹配是在工程设计中采用近似 计算，然后通过实验测量，修正来确定的。5 .天线极化天线极化是指天线最大辐射方向上的电场强度( 巳矢量的取向。线极化是 一种比较常用的极化方式，线极化又可分为“垂直极化和水平极化” ，前者电场 矢量与地面垂直，后者则与地面平行。6 .频带宽度

9、天线所有的电参数都与工作频率有关，任何天线的工作频率都有一定服务。当工作频率偏离中心工作偏离 fo时，天线的电参数将变差。天线的频带宽度是 指天线可以正常工作的频率范围，在这范围内天线的方向性图、增益、阻抗等技术参数都在指标允许的范围内变化。三、实验用的天线一角锥喇叭天线本实验测量系统采用的是天线是一对角锥喇叭天线。这是一种广泛使用的微波天线，它具有结构简单，馈电方便，频带较宽，增益高等整体优点，不仅在微 波通信工程中大量用作反射面通信的馈源，且还用来作文对其它通信进行校正和 测量的通用标准通信。喇叭天线是由逐渐张开的波导构成。 如图3所示。逐渐张开的过渡段既可以 保证波导与空间的良好匹配，又

10、可以获得较大的口径尺寸，以加强辐射的方向性。 喇叭天线根据口径的形状可分为矩形喇叭天线和圆形喇叭天线等。图3中图（a）保持了矩形波导窄边不变，逐渐展开宽边而得到 H面扇形喇叭；图（b）保持矩 形波导宽边不变逐渐展开窄边而得到 E面扇形喇叭；图（c）就是我们实验所采 用的，宽边和窄边同时展开而成的角锥喇叭天线；图（d ）为圆波导逐渐展开形成的圆锥喇叭图（3）角锥喇叭天线的主要技术参数为:G = 0.514 nap bp2 0Q.5530入bp(11)2 0Q.5 H = 8Q0 乜aP式中a）,bp为角锥喇叭天线辐射端口的尺寸我们实验选用的角锥喇叭天线的口径（EX H）尺寸为15QX 115mm

11、2，输入 工作频率范围：8.212.4GHz 天线增益(9.37GHz ):约23dB3(2 9q.50) E= 14.7° (2 9q.5) h= 17q (9.37GHz )四、天线测量实验系统的建立严格的微波天线测量是在不反射微波的微波暗室，或四周空旷的场地上进行。在实验室条件下进行天线测量也需要有比较空畅的场地，测量系统的四周尽量多留有空间，在这空间里不能设置有反射，特别是金属反射物体。下列介绍的 是一组工作频率为9.37GHz的天线实验测量系统1 .系统连接图4是工作频率为9.37GHz，全部由波导（BJ-100 ）连接的天线测量实验 系统连接图图中：Ti、T2为喇叭天线，

12、其性能上节已介绍，两个天线 E面垂直安装（水 平极化波）。YM1124信号源，单频9.37GHz工作的信号发生器，输出功率50mW， 除提供连续波信号外还可以提供1kHz方波调制的信号，信号源输出端口为FD-100标准波导法兰。"E面厚逓昇goEffiivJlt帚一图（4） BD-20可变衰减器，用作信号源输出功率的控制、调节。 BD-20定向耦合器，作为信号输出的耦合采样元件。在它耦合输出端口连接功 率计，用以监视信号源输送到天线端发射功率大小。该定向耦合器标称耦合系数 为17dB,在实际使用时最好事先对其耦合度进行测量定标，这样能准确地监视 天线发送功率的量值。 、为BD-20，

13、90°E面弯波导，为90°扭波导，它们作用是过渡连接元件， 把天线发射系统组合连接起来。 GX2B小功率计（配N8传感器）用以测量发送，接收功率电平量值。 BD-20波导晶体检波器。 YM3892选频放大器，用它来替代功率计测量天线接收信号。它的优点是灵敏度高测量动态范围大，缺点是只能读取相对值，不能直接读到接收功率电平量 值。 天线支架用来固定角锥喇叭天线，支架高低能伸缩调节，并可上下、左右转动2 .测试实验系统的阻抗匹配情况通常连接后的测试系统需要进行系统阻抗匹配测量和调整，使系统中各元件保持阻抗连续（匹配），降低反射损耗，提高传输效率，保证测量精度。但在我 们这个实验

14、系统中，所选用的各种波导元件，都是安标准设计，精密制造，连接 系统总的驻波系数在1.2左右，损耗在0.2dB以下。两个角锥天线也采用最佳尺 寸设计制造的，所以系统只要连接可靠无需进行调整工作就能保证测量精度。3 .测试实验系统中两天线间距离及架设高度的选择。在测试实验系统中，天线架设的距离和高度选择恰当与否将影响到测量参数 的正确性。如两天线间距越近，Ti发送天线发射的球与波的波振面（即等相位面, 如图5中虚线所示）在被测接收天线 T2 口径上引起的相位差越大。OA OC=BAOA OC BA。造成方向性和增益测量的数值失真越大。相反，天线间距离越大，Ti发送的电磁波在T2处越驱于平面波，测得

15、的数值失 真越小。这是由于近场区天线增益及方向图与远场区天线电参数理论不一致造 成的。图（5）同样，如图6所示天线架设高度越接近地面，则发送天线 Ti的主瓣（2 9 0） 信号有可能由地面反射与天线间直射两条途径同时进入 T2接收天线主瓣中，造 成失真。若天线架设高度由hi增高到h2,则地面反射波就进不了 T2的主瓣。为此在进行天线参数测量实验之前，必须对天线架设位置作合理的选择f min图（6）（1）两天线架设最小间距 Rmin如图7所示，Ti天线口径上每一点元均辐射电磁波， 则最大相差必须从 两天线边缘考虑起（即Ti天线从B边起，T2天线从D边起），其表示式如下：2 n2 n22 n、 一

16、 BD BC 寸DC BC2 BC 一入入入2ndid22r minmin（由于实验所采用的天线di=d2=d为角锥天线口面E边的尺寸，则式（12） 为： 0=2n dX = 1代入（14）式得： r2min rmin（13）入实验证明不同类型的天线可取适当值，使天线 Ti发射的波振面到T2接收口径平面上近似为平面波，且T2 口径面上场接近于均匀分布时，对于两个锐冗向天线，应取W 8。代入（13）式得:/minrmin 陀，即:r min1入W 16(14)2通常rmin >>d，贝U VV 1，利用二项定律关系式，当 XVV 1时,rmin2rmin16即:8d2rmin入(15

17、)rmi n另外当T2 口径面上的场为余弦分布时w ，代入（13）式得:4(16)rmin>入图（7）在本实验中，角锥天线口径面上场为余弦分布，当工作频率为9.37GHz，入=32mm，角锥天线E面展开边长为150mm，代入（16）式得：4d2rmin >= 2810mm = 2.81 米（取 3 米）入（2）天线架设高度如图6所示，当高度hmin >h1时，地面的反射波处于主瓣角零点边界范围以外，进不了 T2天线，具体推算如下：DP/OP= tan 餉,DP/DO tan 馬2即 h1/OD= tanQyj , h1/ DO rmintan 嚅21= OD 1=冷 ODta

18、n %hi ' tan002hi两式相加:1tan 0oi1= £mintan 002h1则:h1rmintan 001tan血tan 001 tan 血bn tanh1 tan 儒2tan 001(17)式中901为发送T1天线的主瓣零点角，B 02为地区反射波夹角。为了使 T1主瓣信号的地面反射波信号进不了T2接收天线的主瓣，则9 02角的临界点应为T2天线的主瓣零点角。般情况下，微波天线都有一定方向性，特别对有较锐向性的角锥喇叭天线能满足2 90专，又若rmin取得足够大使9 02 V 6，则根据tan 90 90 (弧度)式(17 )可写成:hmin >rmin

19、 90201(18 )假若天线口径面上增强分布是均匀的，两喇叭天线又相同，则天线的主瓣零点角2如=2 902=红，则式(18 )可写成：dhmin > 1( 19 )2 d又若角锥喇叭天线口径面上场为余弦分布，则3 2 00= 乂代入（18 ）式得：dhmin > 3 令（20 ）4 d本实验中入=32mm , rmin = 3000mm , d = 150mm 代入式（20）得：. 亠 3 入 rmin 3 32 3000/怖 c 口 、hmin >= 480mm （取 0.5m ）4 d 4150五、测量实验1 .天线增益系数测量（1）测量原理：在如图（4）所示的测试相同

20、中，T1、T2分别为发送和接收天线，假设它们 的增益分别为G1、G2 ,两天线架设在同一轴线上，且距离r Armin ,咼度h对min ,系统匹配良好。则天线T1发射的隔离P发在天线T2处的隔离密度为：P发G1W=-（21 ）4 nnG ）2又根据式（8）接收天线有效面积为：Se= 也丄（22 ）4 n这样接收天线收到的功率为：Pa=W Se= G1 电 入P发（23）4 nn根据式（23 ）假如，用一个已知增益的标准天线来作为接收天线，在已知 工作频率（入），和天线架设距离r的情况下，只要测量发送和接收功率的量值, 就可以得到发送天线的增益系数。反之用已知增益的发送天线就可以得到接收天 线的

21、增益系数。在通信工程中，这是一种最常用的天线增益测量方法。在我们实验中，接收和发送是两个相同的角锥喇叭天线，虽然它们的增益都未知，但由于Gi = G2 = Ga，则代入（23）式得：Ga = 4nnP收（24）入；P发我们只要用功率计分别测Ti天线发送功率P发和接收天线T2的最大接收功 率P收，就可以得到待测天线的增益系数。（2 ）测试方法a）如图（4）连接好测试系统，两天线的 E面垂直于地面架设高度，为了 便于操作取1m （0.5m ），且两天线尽量保持同一轴线。测试系统四周要尽量 多留空间。b）开启YM1124信号源电源开关；信号调制为连续波输出。这时信号源应 由9.37GHz微波功率信号

22、输送到发送天线Ti。c）开启GX2B功率计电源，预热3分钟后进行仪器零点校正，然后接到发送部分定向耦合器的耦合输出端口（耦合器的耦合系数C事先已经过校正）。测得功率为P，则Ft = P C为天线T1的发送功率。d ）调节发送端可变衰减器，调节衰减量，使 Pt为一个尽些的适当数值，并 于记录。e ）把GX2B功率计连到接收天线T2输出口。f）调节接收天线上、下、左右位置，使在 GX2B功率计上读到功率指示最 大值，为Ps。g ）把测得的发送功率Pt和接收功率Ps代入式（24 ）进行计算，得到实验 中角锥喇叭天线的增益系数，并换算成 dB值。2 .天线方向性图测量（1）方法一a）保持测试增益时仪器

23、设备的工作状态。b ）固定接收天线垂直位置不变。c）进一步细调接收天线水平位置，测量最大的接收功率电平Po，并于记录d ）左方向旋转，以每12。为一间隔点，测量功率，直到测量值为零。把 测量值记录在表1中。e）接收天线回复到起的测量的中心位置，然后向右以12。为一间隔点，同样方法测量功率，记录在表1中。f）以天线最大接收功率 P0为基准，计算每测试点的电功率与 P0的比值， 记录于表1中。这就是方向性图的数值。g）接收特性回复到起点，向左转到测量值为零后，继续向左 /向右，测得天 线方向性图副瓣电平和位置，记录在表I中。h）把表1中方向性图系数，标入图（8）中，点与点之间圆滑连线即得到 角锥喇

24、叭天线水平方向（E面）方向性图。i）在图（8）方向性图中，找出曲线与坐标0.5之交关与坐标0连线即得到 E面方向性图（2 90.5）角度，同样可画上（2 B）角度。j）接收天线回复到测量起始，最大接收位置，固定水平方向位置，用相同 方法，变化垂直角度，测量垂直方向（H面）的方向性数据，并得到垂直方向性 图及（2 00.5） H， （2 9o） H 夹角。表1角度G）副3'副2'副1'-18-16-14-12-108642024681012141618副1副2副3接收功率mW/卩W方向1性图系数图（8）（2）方法a）保持方法一连接的测试系统。b）卸下连接在接收天线上的 G

25、X2B功率计传感器，换上波导晶体检波器和YM3892选频放大器。c）YM1124信号源：信号调制开关置1kHz方波调制输出位置，这样信号 源输出为1kHz方波调制的9.37GHz信号。d ）调节YM3892选频放大器的量程和接收频率（1kHz ）微调旋钮，使指 示值最大。e ）调节波导晶体检波器的调配螺钉和波导短路面旋钮，使选频放大器得到 最大信号。f ）调节发送部分波导可变衰减器，增加衰减量，使选频放大器在最高量程（50dB ）时，选频放大器指针停留在表面中间某一刻度位置。g ）上、下左右转动接收天线，使天线停留在方向性最大位置并使选频放大 器指针保持表中间某一刻度（配合可变衰减器）。h）记下可变衰减器刻度读数，通过可变衰减器的刻度-衰减对照表，得到 这时衰减器的数值A0。i）保持接收天线垂直位置不变，进行天线水平方向性图测量。j）每改变一角度，变动（减小）可变衰减器的衰减量，使选频放大器的指针回到原来位置，读得这时的衰减器的量值，Ai把