微波實(shí)驗(yàn)天線特性的測量實(shí)驗(yàn)報(bào)告.docx

天線特性的測量實(shí)驗(yàn)報(bào)告 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解天線的基本特性參數(shù)2.測量天線的頻率特性，方向圖3.了解鞭狀天線、八木天線、壁掛天線等的構(gòu)造及特性4學(xué)會用頻譜儀測量天線的方向圖。二、實(shí)驗(yàn)儀器1鞭狀天線、八木天線、壁掛天線。（選購）2微波信號源。（選購或用鎖相源、跟蹤振蕩器等代替）3頻譜儀。（標(biāo)配）4. 頻譜分析儀三、天線測量原理天線是向空間輻射電磁能量，實(shí)現(xiàn)無線傳輸?shù)闹匾O(shè)備。天線的種類很多，常見天線分為線天線和面天線兩大類。高頻、超高頻多用線電線，微波常用面天線。每一類天線又有很多種，常見的線天線，有鞭狀天線、八木天線、偶極子天線等。常見的面天線有拋物面天線、喇叭口天線等。天線的基本參數(shù)有天線方向圖 ，主瓣波束寬度、旁瓣電平、帶寬、前后向比、極化方向、天線增益、天線功率效率、反射系數(shù)、駐波比、輸人阻抗等等。本實(shí)驗(yàn)對天線的方向圖進(jìn)行測試。天線向空間輻射電磁能量，在不同的方向輻射的電磁能量的大小是不相同的，將不同方向天線輻射的相對場強(qiáng)繪制成圖形，稱為天線方向圖。1 方向圖函數(shù)和方向圖 天線的最基本特性是它的方向特性。對發(fā)射天線來說，方向特性通常是表示在相同距離條件下天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射場與它的空間方向之間的關(guān)系。描述天線的方向特性，最常用的是方向圖函數(shù)和方向圖。 方向圖函數(shù)是定量表示遠(yuǎn)區(qū)天線輻射能量在空間相對分布情況的一個(gè)參數(shù)，通常是指遠(yuǎn)區(qū)同一距離處天線輻射場強(qiáng)(或能流密度)的大小與方向坐標(biāo)關(guān)系的函數(shù)。若用圖形把它描繪出來，便是天線方向圖。其中表示場強(qiáng)大小與方向關(guān)系的，稱為場強(qiáng)振幅方向圖，表示能流密度大小與方向關(guān)系的，稱為功率方向圖。習(xí)慣上又把場強(qiáng)振幅方向圖簡稱為場強(qiáng)方向圖，或進(jìn)一步簡稱為方向圖。把場強(qiáng)振幅方向圖函數(shù)用表示，或進(jìn)一步簡寫成。把最大值為1的方向圖稱為歸一化方向圖。把歸一化場強(qiáng)振幅方向圖函數(shù)用表示，或進(jìn)一步簡寫成。 方向圖一般是三維立體圖形。為了簡單，大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用場合中通常只畫出兩個(gè)具有代表性的正交平面上的方向圖。這兩個(gè)正交的平面稱為主平面。主平面經(jīng)常選取水平面(平行于地面的面)和垂直面(垂直于地面的面)，或E面(包含天線最大輻射方向及其電場方向的面)和H面(包含天線最大輻射方向及其磁場方向的面)。有時(shí)也選取XY面、YZ面、ZX面等。 在所有方向的輻射都相同的天線稱為無方向性天線。顯然無方向性天線的立體方向圖呈球狀，它在任一平面的方向圖均為園。在某一平面上無方向性的天線稱為該平面全向天線，它在該平面上的方向圖為園。 天線的平面方向圖有兩種表示方式。一種是以直角坐標(biāo)表示的，稱為直角坐標(biāo)方向圖.。此時(shí)橫軸代表角度(以度為單位)，縱軸代表函數(shù)值。另一種是以極坐標(biāo)表示的，稱為極坐標(biāo)方向圖。它用極角(射線與極軸的夾角)代表角度(以度為單位)，用射線的長度代表函數(shù)值。極坐標(biāo)方向圖由于直觀形象，應(yīng)用很廣。天線的平面方向圖一般呈花辮狀。我們把它的每一個(gè)辮稱為波辮。其中把包含最大輻射方向的一個(gè)辮稱為主辮，位于主辮相反方向的辮稱為后辮，與主辮完全相同的辮稱為柵辮。其余的瓣稱為副瓣(或旁辮)。其中緊靠近主瓣的副瓣稱為第一副瓣。對于定向天線來說，我們當(dāng)然希望它的主瓣越窄越好，副瓣和后瓣越小越好。因?yàn)檫@有利于能量的集中輻射和接收，有利于抑制干擾。 2 方向性系數(shù)和增益2.1 方向性系數(shù)(D) 方向性系數(shù)是定量衡量天線定向特性的一個(gè)參數(shù)。通常把某天線在其遠(yuǎn)區(qū)最大輻射方向上產(chǎn)生的能流密度與其在同樣距離遠(yuǎn)處產(chǎn)生的平均能流密度的比，定義為這天線在最大輻射方向的方向性系數(shù)，簡稱為方向性系數(shù)。用D表示。顯然，無方向性天線的方向性系數(shù)等于1。這是因?yàn)樗谕瑯泳嚯x遠(yuǎn)的所有方向產(chǎn)生的能流密度的大小都相等。其它天線的方向性系數(shù)永遠(yuǎn)大于1。 假設(shè)天線在其遠(yuǎn)區(qū)最大輻射方向上r遠(yuǎn)處產(chǎn)生的電場為(有效值)，歸一化場強(qiáng)方向圖函數(shù)為，則天線在最大輻射方向上產(chǎn)生的能流密度天線的輻射功率同一距離處產(chǎn)生的平均能流密度因此天線在最大輻射方向的方向性系數(shù)要特別提醒注意的是，這里的，是歸一化場強(qiáng)方向圖函數(shù)。 如果上式中的積分不能用解析法求出，可將積分運(yùn)算寫成級數(shù)近似式。的整個(gè)積分區(qū)間可等分成M段，每段。有許多不同的取法，哪種取法好，取決于所研究的問題。比如可選在每段的后沿或中間，即或 對變量也可用相同的辦法，即將的整個(gè)積分區(qū)間等分成N段，每段。比如選在每段的后沿或中間即或這樣上式的積分運(yùn)算可用下列級數(shù)近似上式的雙重求和，在計(jì)算機(jī)程序中可用雙循環(huán)簡單完成.。 要特別強(qiáng)調(diào)的是上面的是天線的歸一化場強(qiáng)方向圖函數(shù)，即式中是天線場強(qiáng)方向圖函數(shù)的一般表達(dá)式，不一定歸一化。是的最大值。天線在任意方向的方向性系數(shù)為式中，是天線的歸一化場強(qiáng)方向圖函數(shù)。 這樣，輻射功率為、方向性系數(shù)為D、歸一化場強(qiáng)方向圖函數(shù)為的發(fā)射天線在空間任一點(diǎn)P()產(chǎn)生的電場強(qiáng)度的大小可按下式求出 方向性系數(shù)經(jīng)常用dB表示，即 人們經(jīng)常用天線在兩個(gè)正交的主平面(水平面和垂直面，或E面和H面)上的半功率瓣寬來估算它的方向性系數(shù)。當(dāng)副瓣電平不太高時(shí)，可用下式近似求出式中，代表天線兩個(gè)正交的主平面上的半功率瓣寬（單位為度）。 上式分子上的數(shù)字在副瓣電平較高時(shí)(比如-10dB以上)，可取20000。副瓣電平較低時(shí)(比如-20dB以下)，可取42000。2.2 輻射效率() 輸入到天線的功率并不能全部輻射出去，還有一部分由于天線的導(dǎo)電損耗和介質(zhì)損耗等原因要消耗在天線上。我們定義天線的輻射功率與它的輸入功率的比為天線的輻射效率(簡稱為效率)。即式中代表天線的輸入功率；代表天線的輻射功率；代表天線的損耗功率。2.3 天線增益(G) 天線增益是全面衡量天線集中能量能力的一個(gè)重要參數(shù)，更便于不同天線的比較。它和方向性系數(shù)的根本區(qū)別在于它考慮了天線的輻射效率。我們把在相同輸入功率條件下，某天線在其遠(yuǎn)區(qū)最大輻射方向上產(chǎn)生的能流密度與無方向性天線(即各向同性的點(diǎn)源)在同一距離遠(yuǎn)處產(chǎn)生的能流密度的比，定義為本天線在最大輻射方向的增益，簡稱為增益，用G表示。 天線在任意方向的增益為式中，是天線的歸一化場強(qiáng)方向圖函數(shù)。 天線的增益和方向系數(shù)之間存在如下關(guān)系天線增益只能通過測量得到。3 .天線的阻抗特性3.1 天線的輸入阻抗() 阻抗是線天線常用的一個(gè)等效參數(shù)。當(dāng)天線與發(fā)射機(jī)相連時(shí)，天線便是發(fā)射機(jī)的負(fù)載，等效為一個(gè)阻抗。這個(gè)阻抗稱為天線的輸入阻抗。它定義為天線輸入端的高頻電壓與輸入端高頻電流的比，即式中是天線的輸入阻抗；是天線輸入端的高頻電壓；是天線輸入端的高頻電流；是天線的輸入電阻；是天線的輸入電抗。 天線輸入阻抗的嚴(yán)格計(jì)算一般相當(dāng)復(fù)雜，因此人們常通過測量或近似計(jì)算求出。3.2 天線的損耗電阻() 天線的損耗電阻定義為天線的損耗功率()與輸入端電流(有效值)平方的比，即 因此天線的輸入電阻是它歸于輸入電流的輻射電阻和損耗電阻的和，即4 天線的極化特性4.1 天線極化的概念 天線的極化是指天線輻射的電波的極化。它規(guī)定為天線最大輻射方向上某一固定點(diǎn)的電場矢量隨時(shí)間變化的軌跡的形狀和方向。一般情況下形狀為橢園，稱為橢園極化。其中順著電波傳播方向看，旋轉(zhuǎn)方向?yàn)橛倚姆Q為右旋橢園極化，為左旋的稱為左旋橢園極化。特殊情況下，形狀可能是園或直線。其中，形狀為園的，稱為園極化；形狀為直線的，稱為直線極化（簡稱為線極化）。對線極化，又把最大輻射方向上的電場垂直于極化面(即入射線和反射面的法線構(gòu)成的平面)的,稱為水平極化，位于極化面的稱為垂直極化。工程上習(xí)慣把最大輻射方向上的電場垂直于地面的稱為垂直極化，平行于地面的稱為水平極化。4.2 天線的極化特性 1.線極化天線只能接收與它極化方向相同的極化分量，與它極化方向正交的極化分量，完全不能接收。 2.園極化天線只能接收與它旋向相同的園極化分量，與它旋向相反的園極化分量完全不能接收。 3.一個(gè)線極化可以分解成兩個(gè)旋向相反的園極化分量。 4.一個(gè)園極化可以分解成兩個(gè)正交的線極化分量。 一般接收天線的極化與入射波的極化并不完全相同，這種情況稱為極化失配。這時(shí)天線將不能從入射信號中吸收最大的功率，而產(chǎn)生極化損耗。我們定義極化損耗因子為式中是入射波電場矢量和接收天線電場矢量間的夾角。比如雖然入射波和天線都是線極化，但當(dāng)它們是正交極化時(shí)天線將完全不能從入射波中吸收功率。這時(shí)PIF等于零。5. 天線的頻率特性 天線的特性一般都與頻率有關(guān)。尤其線天線，一般對頻率非常敏感。天線的頻率特性通常用頻帶寬度(簡稱帶寬)來表示。它定義為天線的基本特性參數(shù)滿足給定要求的頻率范圍。有阻抗帶寬、增益帶寬、方向圖帶寬、極化帶寬等。比如對線天線，它的阻抗帶寬定義為它與饋線連接時(shí)的駐波比(或反射系數(shù))不超過給定要求的頻率范圍。而對寬帶天線，常用可容許工作的上下限頻率的比作為其帶寬。四測量天線方向圖測量天線方向圖的方法主要有兩種，分別為固定測量法和旋轉(zhuǎn)測量法，固定測量法主要用于大型天線，由于轉(zhuǎn)動不便，故待測天線固定，輔助天線在空中或地面繞待測天線旋轉(zhuǎn)，得到不同角度的輻射強(qiáng)度，即可繪制出天線方向圖。另一種方法是旋轉(zhuǎn)測量法，待測天線旋轉(zhuǎn)，輔助天線固定不動，然后通過測量得到方向圖。1、實(shí)驗(yàn)電路連接圖30-1微波天線方向圖測量框圖2、測量方法1A天線位置、姿態(tài)固定，B天線中心位置不變，在水平面旋轉(zhuǎn)B天線方向，記錄天線旋轉(zhuǎn)角度及頻譜儀讀數(shù)，便可測出B天線水平方向圖，并填入下表。天線旋轉(zhuǎn)角度0306090120150180210頻譜儀功率讀數(shù)49.245.842.839.035.639.242.739.1天線旋轉(zhuǎn)角度 240270300330360頻譜儀功率讀數(shù)35.33942.345.350.0設(shè)兩天線對正（此時(shí)頻譜儀功率讀數(shù)最大）為0度，按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)計(jì)算角度。若要準(zhǔn)確繪制方向圖，則可每隔5度測量一次，對讀數(shù)最小及其它較大讀數(shù)的角度更應(yīng)仔細(xì)測量，并記錄準(zhǔn)確的角度與功率讀數(shù)。2A天線位置、姿態(tài)固定，B天線中心位置不變，在垂直面旋轉(zhuǎn)B天線方向，記錄天線旋轉(zhuǎn)角度及頻譜儀讀數(shù)，便可測出B天線垂直方向圖，并填入下表。天線旋轉(zhuǎn)角度0306090120150180210頻譜儀功率讀數(shù)30.235.232.425.325.131.335.839.1天線旋轉(zhuǎn)角度 240270300330360頻譜儀功率讀數(shù)37.228.031.235.742.1設(shè)兩天線對正（此時(shí)頻譜儀功率讀數(shù)最大）為0度，按順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)計(jì)算角度。若要準(zhǔn)確繪制方向圖，則可每隔5度測量一次，對讀數(shù)最小及其它較大讀數(shù)的角度更應(yīng)仔細(xì)測量，并記錄準(zhǔn)確的角度與功率讀數(shù)。3根據(jù)上述表格數(shù)據(jù)，繪制B天線方向圖。4根據(jù)天線方向圖可得到主瓣波束寬度、旁瓣電平、前后向比等。5. B天線位置、姿態(tài)固定，A天線中心位置不變，在水平面和垂直面旋轉(zhuǎn)A天線方向，便可測出A天線水平面和垂直方向圖。五、天線增益測量原理天線增益是指天線在最大輻射方向上輻射功率流密度與相同輻射功率的理想無方向天線在同一距離處輻射功率流密度之比。實(shí)際測試中相同輻射功率和理想無方向天線難以保證和尋覓。因此常用天線方向圖中平均值與最大值之比近似表示。1、實(shí)驗(yàn)電路連接圖31-1微波天線增益測量框圖2、測量方法1首先測量并畫出天線水平、垂直方向圖。2天線增益，可用天線方向圖中平均值與最大值之比近似表示。3從表中查出0度方向功率，它為天線最大發(fā)射功率。4根據(jù)表中各個(gè)角度功率，求平均功率（亦可分為水平和垂直兩個(gè)方向平均功率）。5根據(jù)上述兩值之比，求出天線增益（亦可分為水平和垂直兩個(gè)方向天線增益）。六、結(jié)果分析P反=27.3dB 反射系數(shù)=0.75 駐波比=（1+P）/（1-P）=7輸入阻抗=350測量方向與理論方向不完全一致，首先是由于測試儀器與設(shè)備存在系統(tǒng)誤差，另外是受到實(shí)際空間的電磁波干擾，不過在誤差允許范圍內(nèi)，該測量結(jié)果準(zhǔn)確。七、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1注意天線的頻率范圍，信號源頻率必須在天線工作頻段之內(nèi)。 2. 壁掛天線只能用于接收天線。八、實(shí)驗(yàn)感想做實(shí)驗(yàn)很重要的一點(diǎn)就是膽大心細(xì).一個(gè)老師曾經(jīng)說過,做實(shí)驗(yàn)肯定是要大膽,失敗了可以重做,儀器壞了可以再買,