天线测量第一章

1、天线测量chenboUESTCTel: (028) 6183-0171ROOM:C201天线测量第一章第第1章章 天线测量概论天线测量概论是专门研究天线系统特性参数测量理论和测试方法的一门学科分支主要特性参数可以分为两大类：电路特性参数（输入阻抗、效率频带宽度驻波比等）辐射特性参数（方向图增益极化相位等）天线测量的就是用实验方法测定和检验天线的这些特性参数。其他特性参数，如最大承受功率、抗风强度、工作温度、寿命等。：验证理论分析计算或仿真模拟是否正确；已定型天线批量生产中，需要抽样检测天线参数是否合格；已在现场使用日久的天线，需要定期检查其性能是否下降；特别是研制一种新天线时，天线参数的实验测

2、量更是必不可少。天线测量定义天线系统的主要特性参数天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗具有电阻分量 Rin 和电抗分量 Xin ，即 Zin = Rin + j Xin 。电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取，因此，必须使电抗分量尽可能为零，也就是应尽可能使天线的输入阻抗为纯电阻。事实上，即使是设计、调试得很好的天线，其输入阻抗中总还含有一个小的电抗分量值。输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长有关，半波对称振子是最重要的基本天线 ，其输入阻抗为 Zin = 73.142.5 (欧) 。当把其长度缩短（）时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻

3、，此时的输入阻抗为 Zin = 73.1 (欧) ,（标称 75 欧） 。注意，严格的说，纯电阻性的天线输入阻抗只是对点频而言的。 天线效率它是指天线辐射出去的功率（即有效地转换电磁波部分的功率）和输入到天线的有功功率之比。是恒小于1的数值。1998年6月3日，德国发生了战后最惨重的一起铁路交通事故。一列高速列车脱轨，造成100多人遇难。2007年11月2日，一架美军 F-15C鹰式战斗机在做空中缠斗飞行训练时，飞机突然凌空解体，一份调查结果表明，飞机的关键支撑构件桁梁出现了金属疲劳问题。1998年6月3日，德国艾舍德高速列车脱轨事故中的车轮轮缘疲劳断口测试对象天线电性能主要参数天线电性能主要

4、参数电路特性参数电路特性参数辐射特性参数辐射特性参数驻波比驻波比三阶交调三阶交调隔离度隔离度(多端口天线多端口天线)增益增益半功率波束宽度半功率波束宽度前后比前后比交叉极化鉴别率交叉极化鉴别率幅相一致性幅相一致性(智能天线智能天线)副瓣抑制副瓣抑制(赋形赋形)零点填充零点填充(赋形赋形)电下倾角精度电下倾角精度圆度圆度(全向天线全向天线)有源驻波比有源驻波比(智能天线智能天线)环境实验天线环境试验项目天线环境试验项目高高/低温试验低温试验湿热湿热盐雾盐雾冲水冲水冲击冲击碰撞碰撞正弦振动正弦振动跌落滚翻跌落滚翻模拟汽车运输模拟汽车运输风载风载/冰负荷冰负荷天线周围的场区分布天线周围的场区分布感应

5、场区是指非常靠近天线的区域。感应场区里，占优势的是感应场，其电场和磁场的时间相位相差90度，波印亭矢量为纯虚数，因此不辐射功率，电场能量和磁场能量相互交替地贮存于天线附近的空间内。图所示电尺寸小的偶极天线，其感应场区的外边界是/2。这里，是工作波长。感应场随离开天线的距离的增加而极快衰减，超过感应场区后，就是辐射场占优势的辐射场区了.天线周围的场区分布天线周围的场区分布孔径天线的辐射场区又分为近场区和远场区孔径天线的辐射场辐射近场区的外边界按通用标准规定为：22Dr r：观察点到天线的距离D：天线孔径的最大线尺寸 辐射远场区辐射远场区 辐射近场区的外边界以外就是辐射远场区，范围直到无穷远处。这

6、个区域里的特点是： 场的大小与离开天线的距离成反比； 场的相对角分布与离开天线的距离无关； 方向图主瓣副瓣和零点已全部形成。 辐射远场区是进行天线测试的重要场区，天线辐射特性所包括的各特性参数的测量一般均需在辐射远场区内进行。孔径天线产生的场孔径天线产生的场计算孔径天线外场的坐标系dsrnrjkjkrjkrEspspspopssp),cos()1()exp(41式中Ep：观察点P处的场Es：天线孔径面上的场rsp ：源点ps到场点p的距离S：天线孔径面积k：自由空间波数ds：单元面积cos(n,rsp)：是孔径面法线与矢径rsp之间夹角的余弦 原则上，无论何种场区内的场，均应由上式计算求得。特

7、别是感应场区内，上式难以做任何简化。但是，在辐射场区内，从实际工程和测试工作角度看，可以对该式做一定的简化处理，以利计算和分析，而又不损其精度。孔径天线产生的场孔径天线产生的场辐射近场区辐射近场区dsrnrjkjkrjkrEspspspopssp),cos()1()exp(41k1/rsp，就是说这个区域辐射场已远大于感应场，因而式中圆括号内的1/rsp项可以忽略振幅项中1/rsp 1/rcos(n,rsp) cos 相位项中的rsp不能用r近似dsryxyxjkErejssssssjkrp2)sinsincossin(exp)cos1 (222随距离r的增加，场的振幅按1/r的关系非单调衰减

8、，而是先震荡地变化，然后单调地下降场振幅的相对角分布与离天线的距离有关，亦即在不同的距离处天线的方向图是不同的ryxyxrrsssssp2)sinsincossin(22孔径天线产生的场孔径天线产生的场辐射近场区辐射近场区可以看到，离天线很近时，方向图只有一个具有起伏包络的波瓣。随着离天线距离的增加，方向图才逐渐接近于无穷远处的情况，形成较明显的主瓣和副瓣，但副瓣电平和零值电平均较高。孔径天线产生的场孔径天线产生的场辐射远场区辐射远场区由于这个区域离开天线的孔径更远，将 进一步简化为 ryxyxrrsssssp2)sinsincossin(22)sinsincossin(ssspyxrr这一近

9、似实际上就是把孔径上任意点到观察点p的射线都看成是平行的，得dseErejEssyxjkssjkrp)sinsincossin()cos1 (2 可以看出，式中积分内没有与r有关的因子，因此，远区辐射场随距离的变化有以下的特点：场的振幅按1/r的关系单调地衰减；方向图与距离无关，且方向图主副瓣已明显形成，零值点也很深。辐射近场区测量天线的误差分析辐射近场区测量天线的误差分析ryxyxrrsssssp2)sinsincossin(22轴线方向0 ryxrrsssp222rdsryxjkErejEsssjkrp)2exp()cos1 (222dsryxyxjkErejssssssjkrp2)sin

10、sincossin(exp)cos1 (222dsErejEssjkrp)cos1 (2dseErejEssyxjkssjkrp)sinsincossin()cos1 (2（辐射近场区）（辐射远场区）在辐射近场区内测量相对误差为ppEE1辐射近场区测量天线的误差分析辐射近场区测量天线的误差分析在辐射近场区内测量相对误差为ssssxssppdEdsryxjkEEE2exp(1122sE设孔径场 常数 sdsryxjksssE2exp(122辐射近场区测量天线的误差分析辐射近场区测量天线的误差分析矩形孔径相对误差2/2/2/2/222111222exp2exp11DDDDssssEdyryjkdx

11、rxjkDD)()()()(1jSCUUjSUCtdtttC022cos)(tdtttS022sin)(rDU21rD22矩形孔径沿x方向的边长矩形孔径沿y方向的边长式中：圆形孔径相对误差rkDrkDE88sin122圆孔径的直径辐射近场区测量天线的误差分析辐射近场区测量天线的误差分析增益系数G矩形孔径相对误差tdtttC022cos)(tdtttS022sin)(rDU21rD22矩形孔径沿x方向的边长矩形孔径沿y方向的边长式中：增益系数G圆形孔径相对误差圆孔径的直径2)()()()(1jSCUUjSUCE222288sin1rkDrkDE辐射近场区测量天线的误差分析辐射近场区测量天线的误差

12、分析ErD2/场强相对误差场强相对误差 与与 的关系的关系D孔径窄边的长度孔径窄边的长度D孔径宽边的长度增益相对误差增益相对误差 与与 的关系的关系ErD2/发射和接收天线的互易性212211IUIU一副天线的方向特性与它作接收或作发射的工作方式是无关的缩尺模型技术缩尺模型技术是指在满足一定前提条件下，将真实天线按一定的缩尺比例缩小（或放大）成便于测试的模型天线，通过对模型天线的测量，便可得到真实天线的各参数特性，然后，再据此制作出实际使用的真实全尺寸天线。缩尺模型技术是指在满足一定前提条件下，将真实天线按一定的缩尺比例缩小（或放大）成便于测试的模型天线，通过对模型天线的测量，便可得到真实天线

13、的各参数特性，然后，再据此制作出实际使用的真实全尺寸天线。优点缩尺模型技术是指在满足一定前提条件下，将真实天线按一定的缩尺比例缩小（或放大）成便于测试的模型天线，通过对模型天线的测量，便可得到真实天线的各参数特性，然后，再据此制作出实际使用的真实全尺寸天线。 模型天线用料少，制作简便； 研制新天线时，在模型上易于修改天线几何参数和结构，且用费省； 便于在不太大的测试场地上进行天线多种性能的测试； 有些真实天线特性现场测试困难（如机载星载天线，船舶天线等）通过缩尺模型技术有利于了解天线特性； 可以根据手边现有材料和仪器设备情况，选择合适的缩尺比例开展测试工作，不会因缺乏测试真实天线的仪器及所用材

14、料而影响工作的进行。 定义缩尺模型技术 模型天线模型天线M（ ）EjHHjE)(HFFFHmmmmmjmmmmHHmmmmmymyzmzxmxFFF,mmmmEmEHmHEH,HjEEjH)(真实天线真实天线F（ ）111HFHEFEHFmmmmmmmmmmmmmm缩尺模型技术111HFHEFEHFmmmmmmmmmmmmmm模型天线和真实天线都放于自由空间中11mm模型天线与真实天线电磁场应相同HH， 11HEmm11FFmmmm 真实天线的几何尺寸缩小(或放大)m倍而做成的模型天线，其相应的导电率和测试频率均应增加（或减小）m ，这样才能保持模型天线与真实天线有相同的电磁场。 真实天线和模型天线所处媒质中的介电常数和导磁率相同（ ）且天线系统中不能包含铁氧体等非线性材料。1, 1mm缩尺模型技术mLLFMFMmffFMmFMFM线尺寸 工作频率 导电率导磁率介电常数M:模型天线F:真实天线m:缩尺因子m大于1，则将真实天线缩小；m小于1，则将真