天线测量第三章

方向图测量方向图测量引言最小测试距离最小辅助天线孔径天线测试场场强测量方向图测量方向图测量误差讨论天线相位中心的测定方向图测量测量方向图的坐标场强方向图测量场强振幅功率方向图测量功率极化方向图测量极化相位方向图测量相位坐标直角坐标易于显示天线方向图的主瓣窄而副般电平低时的场分布不直观，较难以直接看出天线辐射场强的空间分布特性极坐标直观、简单，从方向图可以直接看出天线辐射场强的空间分布特性当天线方向图的主瓣窄而副般电平低时，极坐标标绘制法显示缺点坐标系(a)极坐标(b)直角坐标方向图的归一化相对场强相对场强分贝等值线绘制方向图直角坐标直角-抛物线坐标极坐标等值线方向的主瓣象一个高山，而副瓣则象一个个小的山头优点是可以在简单的纸平面上看出空间的方向特性最小测试距离最小测试距离与收、发天线的方向特性及我们对测试精度的要求等因素有关最小测试距离收、发天线一副为弱方向性，一副为强方向性天线收、发天线均匀强方向性天线收、发天线均匀弱方向性天线收、发天线一弱一强方向性天线球面波故可以忽略若令行程差则相位差收、发天线一弱一强方向性天线允许行程差

最小距离

接收天线功率比

0.940.99实践表明，一般选取时，所测得的天线方向图已有足够精度，这是因为一方面它满足了远场条件，另方面照射接收天线孔径的场强已比较均匀。收、发天线均匀强方向性天线辅助源天线待测接收天线令最大允许的值为：

强方向天线：收、发天线均匀强方向性天线最小测试距离

接收天线功率比

20.92.50.9460.99N值所相对应的最小测试距离和待测电线孔径接收功率的最大变化关系收、发天线均匀弱方向性天线在天线的远区辐射场中进行测试，已满足均匀平面波前照射待测天线孔径的要求最小测试距离如果要求感应场与辐射场之比比-16分贝还应低，即要求感应场对辐射场的影响更小些时，可将最小测试距离选得更大些。收、发天线均匀弱方向性天线最小测试距离

感应场/辐射场(dB)-16-22-25-30-36讨论辅助源天线与待测接收天线之间的测试距离重要是根据待测天线孔径功率分布均匀、相位分布接近平面波条件而定。因此，应由收、发天线孔径最大线尺寸及方向特性来正确选定最小测试距离。当待测天线为强方向性天线时，为了在相同测试精度条件下选取较小的最小测试距离，辅助天线宜选用弱方向性天线。自然，如果测试场地允许，为了减小地面影响，辅助天线也可以采用强方向性天线。最小辅助天线孔径最小辅助天线孔径据已知工作频率和待测天线孔径尺寸，选定最小测试距离据最小测试距离选定找出辅助天线的波瓣宽度最小辅助天线孔径找出与所要求功率渐变值相对应的最小辅助源天线的孔径尺寸天线测试场真实地模拟自由空间天线测试场自由空间测试场架高测试场倾斜测试场无反射室矩形无反射室锥形无反射室反射测试场架高测试场强方向性天线第一个零值点天线最低架设高度地面反射影响消除方法二次反射法辅助天线和待测天线均不放在高建筑物的边缘处，而是离开边缘一定的距离，使反射波予以减弱。这种方法可以使反射波强度减至—22dB以下。地面反射影响消除方法在收、发天线之间的地面上的适当位置处放置一个或多个金属反射栅，以使反射波场强不到达待测天线处。为了进一步减小反射栅边缘散射的影响，可以在栅顶上涂以电磁波吸收材料反射栅法地面反射影响消除方法垂直测试法将待测天线裴于绝缘材料（如木材）做成的高塔上，辅助天线放于地面，其最大辐射方向朝上，这样也可以减小地面影响，但要注意塔架的影响，最好在它靠近天线的一面涂以电磁波吸收材料。地面反射影响消除方法频率调制法将辅助天线作发射天线,将发射信号用锯齿波进行频率调制，然后将其一部分通过传输直接送到接收天线端的混频器，让它与待测天线所接收到的直射波和反射波信号在混频器中相混倾斜测试场优点是比高架法所需测试场地面积小些，而且根据待测天线和源天线辐射特性，可以改变待测天线在塔上放置的高度及源天线与待测天线之间的距离。无反射室无反射室：墙壁、天花板、地板均铺上高频吸收高频材料的室内测试场优点：全天候工作，便于保密和避免外来电磁干扰，工作可靠，易于接近（a）矩形无反射室（b）锥形无反射室矩形无反射室几何尺寸的设计经验数据为：锥形无反射室几何尺寸的设计经验数据为：无反射室的宽度和高度源天线和待测天线之间的距离源天线到侧壁的垂直距离待测天线到侧壁的垂直距离4米X4米X8米微波暗室4米X4米X8米微波暗室大型微波暗室大型微波暗室平面近场测量系统平面近场测量系统球面近场测量系统紧缩场测量系统反射测试场1.地面的不平度应满足公认的瑞利准则2.入射射线与地平面之间的夹角应小

3.为了使地面的反射较理想和稳定，必要时可以铺设地网。为了避免地面波效应，天线的建设高度以大于2个波长为宜。4.待测天线最好架设于垂直面驻波干涉图的第一个峰值处。5.由于待测天线所接收的场强是源天线直射波和源天线镜像直射波（即地面反射波）相干涉的结果，因此，待测天线方向图最大值应指向源天线及其镜像的等效相位中心场强测量天线在自由空间辐射的电场和磁场振幅之间关系通常所说的场强测量均指电场的测量标准天线法由标准天线的尺寸、型式及测得的电压来计算场强振幅值标准场法由待测场强在天线中感应的电压与标准场强在天线中感应的电压相比较而求得场强振幅值场强测量标准天线法标准天线法是用感应电压易于计算的一些天线型式作标准天线。待测场强E与其在标准天线中所感应的电压U之间有如下关系：天线的有效长度（m）标准天线法环天线半波天线单极天线标准天线喇叭天线标准天线标准天线法天线的有效长度（m）待测场在标准天线感应的电压电压表测取的电压电压转换比校准方法直接代替法①调整环天线的方向及调谐电容C，使接收的载频有最大输出；②调整接收机的衰减器，使输出电压表上有适当的读数V(一般以刻度的80%左右为宜)；③将环天线转动90°使输出指示最小(即仅有微弱的残余待测场)；④打开标准信号发生器并调整它，使得与残余待测场零拍；⑤调整信号发生器输出的标准电压，使输出电压表仍保持先前的读数V。于是，标准信号发生器输出的电压就等于等效的感应电压。环天线的场强值为标准信号发生器输出在R两端的电压环天线的有效长度环面积匝数要求信号发生器的输出阻抗低，以便有环天线相串后，不显著降低Q值。直接代替法误差调谐环天线上的感应电压具有分布特性，而校准电压是在环的中心或某一端馈入的集中电压，因此，必然存在测量误差。此误差是由环天线分布电容所产生，它是待测场频率与环天线自然谐振频率之比的函数。若校准电压在环的中心馈入时，误差修正因子可以用下式近似计算待测场频率环天线的自然谐振频率误差修正因子标准天线法Q值法使加到接收机(或真空管电压表)的校准电压与待测场在环天线输出端测得的电压相等效的条件下，再测量环天线的Q值，进而求得环天线中所感应的电压。据此电压和环天线的有效长度来计算场强。半波偶极天线的校准标准信号发生器输出端的开路电压半波偶极天线的有效长度半波偶极天线上的电流为正弦分布，则其有效长度可写为标准信号发生器的阻抗应等于半波偶极天线的阻抗标准场法接收天线处的已知场可以由发射天线尺寸、天线上的电流及分布情况、离接收天线的距离、地面影响等参数计算得到，也可以用直接代替法中的标准接收天线测得。本地发射机在接收天线处建立一个已知场，把由它在接收天线中感应的电压与待测感应的电压相比较而求得未知待测场强。感应场法

标准场法辐射场法

场强相位的测量测量天线孔径面的相位图，可以预算远场方向图；测量近场相位图，可以判定反射器天线初级馈源的相位中心以及它是否置于反射器的焦点上；研究天线罩、透镜阶梯以及他散射体所产生的场失真时，测量相位图也是有用的基本测量方法近场场测量远场测量相位测量电路测量线相位测量电路两振幅相节点移位量测量线中的波长所测相位值相位测量电路电桥相位测量电路从校准移相器的刻度直接读出待测信号的相位值所有联接装置的反射都应尽可能小，且可变衰减器不应引起相位畸变方向图测量现场测量天线结构庞大、笨重（如长、中、短波广播发射天线、干线通信天线，电视发射天线等），不便搬动、运转；某些天线方向图特性受放置天线场地的影响很大，而实际使用又必须包括这些影响时（如一些机载、舰载、车载天线），测试工作均需在天线使用现场进行。采用现场测量方法的待测天线通常都固定不动，而让辅助天线绕待测天线在感兴趣的平面内作圆周运动，以测取该平面的方向图。现场测量地面测试法空中测试法地面测试法只限于测绘天线的水平面方向图主瓣测天线作发射，且固定不动。离开天线中心距离为r（满足远场辐射条件）的一个预定的扇形区域内，用经纬仪在为半径的圆弧上选定一系列方位角试点，然后，在各点进行相对场强测量，从而得到地平面方向图的主瓣特性。缺点：准确性差测量区域地面不平坦，很难保证所有各测量点均在同一水平面内及等距离处地面附近的波前畸变而常引起场的极化和电平失真只能测水平面在现场进行测试的天线主瓣往往不完全在水平面内，它有一定的仰角，因此，难以获得真实的主瓣特性测量工作复杂事先要进行选择环天线路线和测量点方位定标等准备工作，测量时耗费的精力和时间也很多。空中测试法固定待测天线不动，一般作接收天线辅助源天线由普通飞机、直升飞机、小型飞船、气球等运载工具携带，绕待测天线在所需测试的平面内做圆弧运动，据不同角位置时待测天线接收到的相对场强大小，就求得了该平面内的方向特图特性。源天线方向图之有用部份应尽可能均匀（即弱方向性或全方向性天线）水平极化天线垂直极化天线较低频率空中测试法较高频率现场测试方向图都十分麻烦且精度较差。除非特殊情况，一般以采用测试场测量为好。测试场测量辅助天线固定不动，待测天线绕自身的通过相位中心的轴旋转。通常，辅助天线作发射，待测天线作接收，待测天线装在特制的有角标指示的转台上。测试水平方向图时，可让待测天线在水平面内旋转，记下不同方位角时相应的场强响应，在适当的坐标纸上绘出方向图曲线。测试垂直面方向图时，可以将待测天线绕水平轴转动90°后，仍按测水平面方向图的办法得到；也可以直接在垂直面内旋转待测天线，测取不同仰角时的场强响应而得到。场强响应的读取方法有两种：一种是由接收机检波输出指示器直接读取，另一种是改变接收机衰减器的衰减量，使检波器输出指示器读数保持不变，由衰减量的衰减量差值来读取。测试场测量方向图的自动绘制优点：测量结果与信号源功率变化、接收机灵敏度的变化及整个接收系统的振幅特性无关。采用可变衰减器可以保证大的动态范围，从而能测量较低电平的副瓣特性。方向图测量的注意事项根据互易原理，待测天线可以作接收，也可以作发射，视进行测量的方便程度而选定，但测试方法和结果是不变的。收、发天线之间的距离应大于第二节讨论的最小测试距离。测量主平面方向图时，收、发天线的最大辐射方向应对准，且都在旋转平面内。天线转动的轴线应通过天线的相位中心。若非连续记录而是逐点测试时，视天线方向图波瓣的多少和大小、应选取足够的测试点。一般来说，一个波瓣的测试点应不少于10~20个，且对波瓣最大值和最小值所在区域更应特别注意。测试时必须注意信号源输出的稳定和接收机的校准。向图测量误差讨论测量误差周围物体发射引起的误差方向图角度测量误差周围物体发射引起的误差线测试场周围物体（如高大建筑物或山峰等）的反射也会给方向图测量带来误差，特别是测量副瓣电平时可能导致的误差最为严重周围物体发射引起的误差