天线测量与微波测量实验讲义全

.17/17天线测量与微波测量实验讲义〔试用实验一、喇叭天线方向图的测量实验目的：了解喇叭天线的方向图特性；掌握天线方向图的测量方法。实验原理：bh2bh2ψOE2ψOHRERHoXYZahab-je-j-je-jKR2λREH=<1+cosθ>E0b[<λRH>/8]1/2{exp[j<π/4>λR2λR<<1/ah>+<2sinθ/λ>>2][C<u1>+C<u2>-jS<u1>-jS<u2>]+exp[j<π/4>λRH<<1/ah>-<2sinθ/λ>>2][C<u3>+C<u4>-jS<u3>-jS<u4>]}xEE={1+[1-<λ/<2a>>2]1/2cosθ}{[C<w1>+C<w2>]2+[S<w1>+S<w2>]2}1/2x0式中:∫exp[±j<π/2>t2]dt=C<x>±jS<x>0u1=<1/2>1/2{[ah/<λRH>1/2]+<λRH>1/2[<1/ah>+<2sinθ/λ>]}u2=<1/2>1/2{[ah/<λRH>1/2]-<λRH>1/2[<1/ah>+<2sinθ/λ>]}u3=<1/2>1/2{[ah/<λRH>1/2]+<λRH>1/2[<1/ah>-<2sinθ/λ>]}u4=<1/2>1/2{[ah/<λRH>1/2]-<λRH>1/2[<1/ah>-<2sinθ/λ>]}w1=[bh/<2λgRE>1/2]+{[<2λgRE>1/2/λ]sinθ}w2=[bh/<2λgRE>1/2]-{[<2λgRE>1/2/λ]sinθ}w1=[bh/<2λgRE>1/2]+{[<2λgRE>1/2/λ]sinθ}w1=[bh/<2λgRE>1/2]+{[<2λgRE>1/2/λ]sinθ}w1=[bh/<2λgRE>1/2]+{[<2λgRE>1/2/λ]sinθ}实验装置：测量方向图所需的基本设备可分为发射系统和接收系统两大部分。发射系统由信号源、传输系统和发射天线组成,接收系统一般由接收天线、检波装置和指示器组成。本实验将被测天线指示器作为接收天线。实验所用设备方框图如下指示器辅助发射天线隔离器信号源辅助发射天线隔离器信号源同轴电缆同轴电缆接收天线检波器波导同轴转换接收天线检波器波导同轴转换被测天线安装在方位角可旋转的支架上。实验内容和步骤：1、选择测试距离。2、测量角锥喇叭天线的H面方向图〔由于条件所限,暂不测E面方向图。测量时找准最大辐射方向,否则测试结果误差很大。可以近似这样来找最大辐射方向,先粗略找出最大辐射方向,根据方向图对称性,左右旋转到读数相等处,此二方向之角平分线方向即为最大辐射方向,至少应检验两次。以此最大辐射方向作为θ=00的方向。选择适当的角度间隔测量方向图〔在方向图变化快的部分测试的点应密集一些,在方向图变化缓慢的部分测试的点可稀疏一些。实验注意事项：1、由于条件所限,不能测晶体定标曲线,故应适当选择信号源的输出功率,使得检波电流的最大值不超过10微安,这样就可以认为检波器是平方律检波。2、由于测量天线方向图的仪器设备仅有一套,要求在实验过程中一定要注意正确使用仪器,避免损坏仪器；3、在测试过程中不要改变信号源的输出功率。六、预习要求：1、计算测试距离；〔喇叭口面尺寸为：ah=140mm,bh=104mm,工作频率f=9.0GHz2、复习角锥喇叭天线方向图变化规律；3、设计出记录数据的表格；4、写出预习报告;5、复习测试天线辐射特性时对最小测试距离的要求。七、实验报告要求：1、写出实验名称、作者、合作者、实验原理,画出实验装置方框图,注明测试条件<包括测试距离、天线架设高度等>;2、根据测试结果在坐标纸上画出方向图；3、根据所测方向图求出半功率波瓣宽度；4、分析可能引起测量误差的因素。实验二、喇叭天线增益的测量一、实验目的：1、掌握用相同天线法测量天线增益的原理；2、学会用相同天线法测量喇叭天线增益的方法。二、测量原理：根据收发天线在自由空间的最大功率传输公式〔假定极化匹配,无失配损耗Pr=P0GtGr[λ/<4πR>]2式中:Pr—为接收天线的接收功率;P0—为发射天线的输入功率;Gt、Gr—分别为发射、接收天线的增益系数;λ—天线的工作波长;R—收、发天线之间的距离<R必须满足远区最小测试距离>。假定两天线完全相同,即Gt=Gr=GX—两相同天线法,则GX=[<4πR>/λ]〔Pr/P01/2由上式可见,测得了λ、R和功率比Pr/P0,就不难由上式求出待测天线的增益。实用中,一般用分贝数表示天线的增益。故用分贝数表示待测天线的增益为:GX<dB>=0.5{20*lg[<4πR>/λ]+10*lg<Pr>-10*lg<P0>}三、测量方框图及测试步骤:测量方框图如下:隔离器隔离器功率计接收喇叭天线发射喇叭天线信号源功率计接收喇叭天线发射喇叭天线信号源测量步骤:<1>、根据喇叭口面尺寸,工作频率确定最小测试距离;<2>、按测量方框图接好线路;<3>、使收发天线最大辐射方向对准;<4>、先将功率计接于接收天线处测出并记录Pr,然后把发射喇叭天线取下,将功率计接于隔离器的右端测出并记录P0〔注意：此时必须把功率计的量程置于最大量程档,以防功率过大而烧坏功率计,测出收、发天线的距离R。将所测结果代入公式计算即可得待测天线的增益。要求至少测三次〔在保证满足最小测试距离的条件下,改变收、发天线的距离,分别计算出待测天线的增益,取其算术平均值作为最终测试结果。注意:在进行测量时,应尽量使收、发天线与传输系统匹配;除了保证收、发天线的距离满足最小测试距离外,还必须保证收、发天线的最大辐射方向对准。四、预习要求:1、熟悉测量原理和测量步骤;2、了解存在电失配以及在有限距离测量时,存在那些误差;3、复习对最小测试距离的要求,并计算出最小测试距离;〔喇叭天线的口面尺寸及工作频率分别为：ah=140mm,bh=104mm,f=9.0GHz4、设计出记录数据的表格,写出预习报告。五、实验报告要求：1、写出实验名称、作者、同作者、实验原理,画出实验装置方框图,注明测试条件<包括测试距离、天线架设高度等>,给出实验结果;2、分析可能引起测量误差的因素。实验三、带通滤波器的性能测试一、实验目的1．熟悉AV3616XA标量网络分析仪的使用；2．掌握测试滤波器性能的方法；3．了解微波器件驻波比的测试方法。二、实验原理信号源ZLPiPLT1T2一般滤波器都可以看作一个二端口网络,如下图所示。信号源ZLPiPLT1T2[S][S]工程上习惯于用插入衰减L来描述滤波器的工作特性。L定义为当网络输出端口接匹配负载时,网络输入端口的入射功率Pi与负载所得到的功率PL之比,常用对数表示为:L=10*lg<Pi/PL>=10*lg[1/<S21>2]<dB>L<dB>L<dB>LSLSf<Hz>Lpf<Hz>Lpfs2fs1fC2fs2fs1fC2fc1图中LS为阻带最小插入衰减,fS为阻带边界频率;Lp为通带最大插入衰减,fc为通带截止频率。因此,只要我们能测出滤波器这个二端口网络的传输参数的分贝值[20*lg〔S21>],将其乘上-1就能得到滤波器插入损耗的分贝值,从而就可了解滤波器的性能。三、测试方框图和实验内容扫频扫频信号源BABA网络分析仪滤波器检波器电桥网络分析仪滤波器检波器电桥测试方框图IL<dB>实验内容:1.用AV3616XA标量网络分析仪测试滤波器的传输参数的分贝值[IL<dB>=20*lg<S21>]与频率的关系曲线<如下图示>,由此曲线就可了解滤波器的性能指标。2.测试滤波器在通带范围内的最大驻波比<SWRmax>。IL<dB>ILPILPILSILSfC2fc1fs2ffC2fc1fs2fs1f<HZ>四、实验步骤1.设置扫频信号源的输出功率<7dBm>;2.给扫频信号源设置适当的起始频率和终止频率<注:滤波器的通带宽度为0.86—1.8GHZ,此数据仅供设置起始频率和终止频率时参考>;3.在标量网络分析仪上设置传输和反射的输入端口;4.对标量网络分析仪进行校准;5.按测量方框图接好线路;6.记录滤波器的传输参数的分贝值IL<dB>与频率的关系曲线,并在曲线上标明ILP和ILS的值以及所对应的fc1、fc2和fs1、fs2<注:ILS=-18dB,ILP=-1dB>;7.将滤波器的输出端接上匹配负载记录其在通带范围内的最大驻波比。五、预习要求1.认真阅读AV3616XA标量网络分析仪的使用说明书,熟悉其使用方法;2.熟悉实验原理、实验内容和实验步骤;3.写出预习报告,并设计好记录数据的表格。六、实验报告要求1.写出实验名称、作者、同作者、实验原理,画出实验装置方框图,注明座位号以及网络分析仪的设置参数;2.根据测试结果在坐标纸上画出滤波器的传输损耗与频率的关系曲线；3.分析可能引起测量误差的因素。实验四、定向耦合器性能的测试一、实验目的1.进一步熟悉AV3616XA标量网络分析仪的使用；2.掌握测试定向耦合性能的方法；3.熟悉微波器件驻波比的测试方法。二、实验原理定向耦合器常用于对规定流向微波信号进行取样。在无内负载时,定向耦合器往往是一四端口网络。下图给出了具有内负载主线主线输出outPiin主线输入outPiin主线输入Pocpcp耦合输出Pc耦合输出Pc其耦合度定义为当主线输出端口接匹配负载时,主线输入端口的输入功率Pi与副线耦合输出端口的输出功率PC之比,用分贝表示即为KC=10*lg<Pi/PC><dB>因此,只要我们测出了主线输入端口与副线耦合输出端口之间的传输参数的分贝值,将其乘上-1就可得到定向耦合器的耦合度。其主线损耗定义为当副线耦合输出端口接匹配负载时,主线输入端口的输入功率Pi与主线输出端口的输出功率PO之比,用分贝表示即为KO=10*lg<Pi/PO><dB>当然主线损耗包括能量耦合损耗和能量耗散损耗两方面。因此,只要我们测出了主线输入端口与主线输出端口之间的传输参数的分贝值,将其乘上-1就可得到定向耦合器的主线损耗。其方向性定义为当主线的输出端口接匹配负载时,由耦合端口输入的功率PCP与传输到主线输入端口的功率POin之比,用分贝表示即为KD=10*lg<PCP/POin><dB>因此,只要我们测出了副线耦合端口与主线输入端口之间的传输参数的分贝值,将其乘上-1就可得到定向耦合器的方向性。三、实验内容和测试方框图定向耦合器1.耦合度的测试定向耦合器BAcpout匹配负载网络分析仪in检波器电桥扫频信号源测试方框图如下:BAcpout匹配负载网络分析仪in检波器电桥扫频信号源在定向耦合器的工作频率范围内<0.8—2GHZ>测出其主线输入端口与副线耦合输出端口之间的传输参数的分贝值IL<dB>与频率的关系曲线,由此曲线可得它的耦合度与频率的关系曲线。2.主线损耗的测试测试方框图与上图类似,只是将匹配负载改接在副线的耦合输出端口,检波器改接在主线输出端口。同样在定向耦合器的工作频率范围内<0.8—2GHZ>测出其主线输入端口与主线输出端口之间的传输参数的分贝值IL<dB>与频率的关系曲线,由此曲线可得它的主线损耗与频率的关系曲线。3.方向性的测试网络分析仪BA匹配负载out检波器incp定向耦合器电桥扫频信号源测试方框图如下:网络分析仪BA匹配负载out检波器incp定向耦合器电桥扫频信号源在定向耦合器的工作频率范围内<0.8—2GHZ>测出其副线耦合输出端口与主线输入端口之间的传输参数的分贝值IL<dB>与频率的关系曲线,由此曲线可得它的方向性与频率的关系曲线。4.定向耦合器主线输入端口驻波比的测试<此次暂不做>在实验内容1的测试方框图中,将主线输出端口和副线耦合输出端口均接上匹配负载,测出定向耦合器主线输入端口在其工作频率范围内<0.8—2GHZ>的驻波比曲线。四、实验步骤1.设置扫频信号源的输出功率<7dBm>;2.给扫频信号源设置适当的起始频率和终止频率;3.在标量网络分析仪上设置传输和反射的输入端口;4.对标量网络分析仪进行校准;5.分别按四个实验内容所给出的测试方框图接好线路,并分别记录下主线输入端口与副线耦合输出端口之间的传输参数的分贝值IL<dB>与频率的关系曲线、主线输入端口与主线输出端口之间的传输参数的分贝值IL<dB>与频率的关系曲线、副线耦合输出端口与主线输入端口之间的传输参数的分贝值IL<dB>与频率的关系曲线、主线输入端口在其工作频率范围内<0.8—2GHZ>的驻波比曲线,然后再分别由这些曲线读出定向耦合器在其工作频率范围内的<KC>min、<KO>max、<KD>min和<SWR>max。五、预习要求1.熟悉实验原理、实验内容和实验步骤;2.写出预习报告,并设计好记录数据的表格。六、实验报告要求1.写出实验名称、作者、同作者、实验原理,画出实验装置方框图,注明座位号以及网络分析仪的设置参数;2.根据测试结果在坐标纸上画出定向耦合器在其工作频率范围内的主线输入端口与副线耦合输出端口之间的传输参数的分贝值IL<dB>与频率的关系曲线、主线输入端口与主线输出端口之间的传输参数的分贝值IL<dB>与频率的关系曲线、副线耦合输出端口与主线输入端口之间的传输参数的分贝值IL<dB>与频率的关系曲线、主线输入端口的驻波比曲线；3.分析可能引起测量误差的因素。实验五、微波功分器的性能测试一、实验目的1.掌握AV3616XA标量网络分析仪的使用；2.掌握测试微波功分器性能的方法。二、实验原理信号输出端口2信号输出端口1信号输入端口微波功分器是用于微波功率分配的器件。一般情况下,它是一个多端口网络。下图所示为一个一分为二的微波功分器的方框图,它是一个三端口网络。信号输出端口2信号输出端口1信号输入端口它应满足的条件为：〔1、信号输出端口1与信号输出端口2的输出电压等幅〔幅度平衡、同相〔相位平衡；〔2信号输入端口无反射。因此,只要我们分别测出信号输入端口与信号输出端口1和信号输入端口与信号输出端口2之间的电压传输参数的分贝值,就可以了解这两个输出端口的输出电压的幅度关系〔由于标量网络分析仪不能测出电压传输参数的相位,因此这两个输出端口的输出电压的相位关系我们无法知道；将两个信号输出端口均接上匹配负载,测试信号输入端口的驻波比,就可知道信号输入端口有无反射。三、实验内容和实验方框图信号输入端口信号输出信号输入端口信号输出端口2网络分析仪扫频信号源电桥检波器功分器BA匹配负载信号输出端口1测试方框图如下网络分析仪扫频信号源电桥检波器功分器BA匹配负载信号输出端口1在功分器的工作频率范围内〔0.5—2GHZ测量其信号输入端口与信号输出端口1之间的电压传输参数的分贝值IL<dB>与频率的关系曲线。2．测试信号输入端口与信号输出端口2之间的电压传输参数的分贝值将上图中的信号输出端口1接上匹配负载,信号输出端口2接上检波器,即可测量功分器在其工作频率范围内信号输入端口与信号输出端口2之间的电压传输参数的分贝值IL<dB>与频率的关系曲线。3．测试信号输入端口的驻波比曲线将上图中的信号输出端口1和信号输出端口2均接上匹配负载,测试信号输入端口的驻波比与频率的关系曲线。四、实验步骤1.设置扫频信号源的输出功率<7dBm>;2.给扫频信号源设置适当的起始频率和终止频率;3.在标量网络分析仪上设置传输和反射的输入端口;4.对标量网络分析仪进行校准;5．分别按三个实验内容所给出的测试方框图接好线路,并分别记录下功分器在其工作频率范围内信号输入端口与信号输出端口1之间的电压传输参数的分贝值IL<dB>与频率的关系曲线、信号输入端口与信号输出端口2之间的电压传输参数的分贝值IL<dB>与频率的关系曲线和信号输入端口的驻波比SWR与频率的关系曲线。五、预习要求1.熟悉实验原理、实验内容和实验步骤;2.写出预习报告,并设计好记录数据的表格。六、实验报告要求1.写出实验名称、作者、同作者、实验原理,画出实验装置方框图,注明座位号以及网络分析仪的设置参数;2．根据测试结果在坐标纸上画出功分器在其工作频率范围内的信号输入端口与信号输出端口1之间的电压传输参数的分贝值IL<dB>与频率的关系曲线、信号输入端口与信号输出端口2之间的电压传输参数的分贝值IL<dB>与频率的关系曲线和信号输入端口的驻波比SWR与频率的关系曲线；3．根据实验结果判断功分器的性能；4．分析可能引起测量误差的因素。实验六、微波功率放大器的性能测试一、实验目的1.熟练掌握AV