哈工大電信學(xué)院天線技術(shù)試驗(yàn)報(bào)告教材

1、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 課程名稱： 天線技術(shù) 院系： 電子于信息工程學(xué)院 班級(jí)： 姓名： 學(xué)號(hào)： 指導(dǎo)教師： 授課教師： 試驗(yàn)時(shí)間：2012 年 6 月 演示實(shí)驗(yàn)一 超寬帶天線的測(cè)試 、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、了解超寬帶天線的概念及特點(diǎn) 2、了解現(xiàn)代天線測(cè)試系統(tǒng)的組成 3、了解現(xiàn)代天線測(cè)試儀器設(shè)備及其使用方法 4、了解超寬帶天線的測(cè)試方法 、實(shí)驗(yàn)原理 超寬帶天線是一種具有極寬阻抗帶寬的天線， 其比帶寬一般可以達(dá)到 2：1 以上，現(xiàn)代 超寬帶天線的阻抗帶寬可以達(dá)到 30：1 以上，可以覆蓋多個(gè)波段，能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)的多個(gè)天線 的功能，所以受到了研究者的廣泛關(guān)注。 超寬帶天線不僅需要具有極寬的阻抗帶寬， 即它的阻抗要在極寬的

2、頻帶內(nèi)保持在一個(gè)范 圍內(nèi)，還需要具有極寬的方向圖帶寬、 增益帶寬以及極化帶寬。 現(xiàn)代的超寬帶天線還需要具 有穩(wěn)定的相位中心，即可以不失真地輻射時(shí)域脈沖信號(hào)。 根據(jù)以上對(duì)超寬帶天線的要求， 可 以結(jié)合所學(xué)習(xí)的天線原理進(jìn)行如下天線測(cè)試的內(nèi)容： （1）天線阻抗帶寬的測(cè)試： 測(cè)試天線的反射系數(shù)（ S11），需要用到公式（ 1-1）： 1-1 中。 根據(jù)公式（ 1-1），只要測(cè)試出來的 | 值|低于某個(gè)特定的值，就可以說明在此條件下天 線的阻抗 ZA 接近于所要求的阻抗 Z（0 匹配），在天線工程上， Z0 通常被規(guī)定為 75 或者50， 本實(shí)驗(yàn)中取 Z0=50。天線工程中通常使用電壓駐波比 （VSWR

3、 ） 以及回波損耗（Return Loss， RL ）來描述天線的阻抗特性，它們和 | 的|關(guān)系可以用公式（ 1-2）和（ 1-3）描述： 對(duì)于不同要求的天線，對(duì)阻抗匹配的要求也不一樣，該要求列于表 2）主極化方向圖的測(cè)試 方向圖的測(cè)試需要測(cè)試天線在阻抗帶寬內(nèi)的各個(gè)頻點(diǎn)的遠(yuǎn)場(chǎng)的方向圖， 一般最少要測(cè)試 3 個(gè)頻點(diǎn)，即下限頻點(diǎn) f1、上限頻點(diǎn) f2 和中心頻點(diǎn) f0，對(duì)于更寬的頻帶，要根據(jù)具體情況多 測(cè)試一些頻點(diǎn)的方向圖，以便全面了解天線的參數(shù)。 在工程上，一般不需要遠(yuǎn)場(chǎng)的三維方向圖， 而只需要測(cè)試兩個(gè)主平面的方向圖曲線， 對(duì) 于線極化天線來說，這兩個(gè)主平面為 E 面和 H 面。因此，在天線測(cè)試

4、前，還需要判斷天線 的極化方式。在滿足天線測(cè)試的極化匹配和阻抗匹配的條件下， 所測(cè)試的方向圖為單一頻點(diǎn) 的功率方向圖，所依據(jù)的原理為公式（ 1-4）： 在不同角度 的時(shí)候，接收天線接收的功率與自身的功率方向性函數(shù) P（）有關(guān)，因此將 待測(cè)天線作為接收天線放置在一個(gè)可以接收到單一方向傳播的均勻平面波的區(qū)域， 并且繞自 身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)一周，這樣不同角度 處就可以接收到不同大小的功率， 據(jù)此天線的功率方向圖 就可以繪制出來。 以上的測(cè)試方法涉及到了以下的條件： 天線可以接收到單一方向傳播的均勻平面波的區(qū)域， 這需要一個(gè)無外界干擾的模擬自 由空間的環(huán)境，還需要一個(gè)均勻平面波的發(fā)射源； 天線可以繞著自身軸線

5、轉(zhuǎn)動(dòng)，這需要一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)； 天線的接收功率可以測(cè)試，這需要一個(gè)功率計(jì)。 上述三條的解決方法是： 無外界干擾的模擬自由空間的環(huán)境： 在微波暗室內(nèi)測(cè)試，微波暗室的工作頻帶需要符 合天線測(cè)試所需要的頻率范圍， 微波暗室的大小需要滿足天線工作的遠(yuǎn)場(chǎng)條件， 這個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)條 件需要用公式（ 1-5）進(jìn)行判定。 式中： dmin 是最小測(cè)試距離， 是工作波長， Dt 是發(fā)射天線的口徑最大尺寸， Dr 是待測(cè)天 線（接收天線）的口徑最大尺寸。 將天線安裝在一個(gè)可以進(jìn)行 360轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái)上，轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)要滿足所需要的測(cè)試 精度。 發(fā)射源和接收裝置可以共用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)分析儀，因?yàn)榘l(fā)射天線（輸入端可視為端口1） 和接收天線（

6、輸入端可視為端口 2）合起來組成了一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于這個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)來 說， |S21|即為 1 端口發(fā)射時(shí)， 2 端口接收所得到傳輸系數(shù)，天線的不同的方向所得到的|S21| 也是不同的。因此，根據(jù)所得到的 |S21|也可以得到天線的功率方向圖。 所測(cè)試的方向圖曲線均需要進(jìn)行歸一化處理。 （3）交叉極化方向圖的測(cè)試 在主極化的方向圖測(cè)試完畢后， 需要測(cè)試交叉極化的方向圖， 此時(shí)要將天線的極化狀態(tài) 與發(fā)射天線的極化狀態(tài)正交， 然后測(cè)試天線方向圖， 這樣可以得到天線的交叉極化電平， 交 叉極化電平根據(jù)公式（ 1-6）進(jìn)行計(jì)算。 交叉極化方向圖一般與主極化方向圖繪制在一個(gè)坐標(biāo)系中， 并且要相對(duì)于主極

7、化方向圖 繪制。 （4）增益的測(cè)試 本實(shí)驗(yàn)的增益測(cè)試使用的是比較法。 將接收天線的最大輻射方向和發(fā)射天線對(duì)準(zhǔn)， 保證極化匹配和阻抗匹配時(shí)， 測(cè)試此時(shí)的 |S21|，記錄為 |S21|X ，然后用標(biāo)準(zhǔn)增益天線 （通常為喇叭天線） 重復(fù)上述測(cè)試， 記錄的值為 |S21|S， 然后按照公式（ 1-7 ）（或者公式 1-8）進(jìn)行增益計(jì)算。 三、實(shí)驗(yàn)步驟 （1）駐波系數(shù)的測(cè)試 環(huán)境：微波暗室 設(shè)備： Agilent E8363B 型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、固定天線夾具 操作步驟： 打開矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，選擇導(dǎo)入全波段校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，界面選擇測(cè)試S11，顯示格式為 SWR，顯示比例為每縱格 0.5，將起始頻率和終止頻率設(shè)

8、置為 1GHz 和16GHz ，并設(shè)置頻點(diǎn) f1=3.1GHz、f2=10.6GHz 、f0=6.85GHz ，此時(shí)矢網(wǎng)的輸出功率電平應(yīng)保持默認(rèn)值（-17dBm ）。 將天線裝入固定夾具，然后將網(wǎng)絡(luò)分析儀的 Port A 端口與天線饋電端口相連，將天 線輻射體置于遠(yuǎn)離周圍障礙物的地方 （超過 50cm），測(cè)試此時(shí)的駐波系數(shù)， 重點(diǎn)觀察 f1、f2 和 f0 頻點(diǎn)的駐波系數(shù)，并記錄到表 I-1 中。 設(shè)置Mark ，觀察天線在 3.1-10.6GHz 頻帶范圍內(nèi)駐波系數(shù)的最大值和最小值， 并記錄 到表 I-1 中。 觀察天線的駐波系數(shù)低于 2.0 時(shí)的下限頻率和上限頻率，記錄到表 I-1 中。

9、晃動(dòng)天線，觀察此時(shí)矢網(wǎng)屏幕的駐波系數(shù)曲線的變化。 （2）主極化方向圖的測(cè)試 環(huán)境：微波暗室 設(shè)備： Agilent E8363B 型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、固定天線夾具、 10 米低損耗電纜兩根、 1 米低損耗電纜一根、工控機(jī)（含天線測(cè)試系統(tǒng)軟件）、 GPIB 線、串口線、天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)、 發(fā)射天線及專用支架、天線測(cè)試專用夾具、低噪聲放大器（選件）。 工具：激光筆 將天線安裝至固定天線夾具上， 然后將天線按照垂直極化的方式安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上， 安裝 時(shí)需保證天線輻射體中心的鉛垂投影線通過轉(zhuǎn)臺(tái)中心的偏差在 3cm 以內(nèi)（用激光筆測(cè)試）， 保證天線垂直極化； 將一根 10m 低耗電纜的一端連接在天線的饋電端口上，

10、另一端連接低噪聲放大器的 輸入口上，然后用 1m 低耗電纜將低噪聲放大器的輸出口與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的 PORT B 端 口相連接（若無低噪放則將 10m 電纜的另一端通過 1m 低耗電纜與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的 PORT B 端口相連接）； 將與發(fā)射天線相連接的另一根 10m 低耗電纜的與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的 PORT A 端口向 連接； 調(diào)整發(fā)射天線的高度、 極化， 使發(fā)射天線為垂直極化， 口面中心與待測(cè)天線輻射體中 心同一高度，用激光筆測(cè)試偏差不超過5cm； 將工控機(jī)與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通過 GPIB 線連接在一起， 開啟計(jì)算機(jī)， 進(jìn)入到天線測(cè)試 系統(tǒng)軟件界面，點(diǎn) “初始化 ”鍵，然后進(jìn)行測(cè)試頻點(diǎn)設(shè)置，分

11、別設(shè)置頻點(diǎn)3 個(gè)： f1=3.1GHz 、 f2=10.6GHz 、f0=6.85GHz。 進(jìn)行天線方向圖的自動(dòng)測(cè)試， 轉(zhuǎn)臺(tái)水平旋轉(zhuǎn)一周， 計(jì)算機(jī)自動(dòng)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)輸出待 測(cè)頻點(diǎn)方向圖，做好存檔，此時(shí)測(cè)得的為天線 H 面方向圖； 更換夾具， 將天線按照水平極化的方式安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上， 安裝時(shí)需保證天線輻射體中心 的鉛垂投影線通過轉(zhuǎn)臺(tái)中心的偏差在 3cm 以內(nèi)（用激光筆測(cè)試），保證天線水平極化； 調(diào)整發(fā)射天線的高度、 極化， 使發(fā)射天線為水平極化， 口面中心與待測(cè)天線振子中心 同一高度，用激光筆測(cè)試偏差不超過5cm； 按照步驟 、進(jìn)行測(cè)試，做好計(jì)算機(jī)輸出方向圖的存檔，此時(shí)測(cè)得的為天線E 面 方向圖；

12、 繼續(xù)其余頻點(diǎn)的測(cè)試，根據(jù)存檔的 E 面和 H 面方向圖，觀察記錄如下內(nèi)容，并記錄 到表 I-2 中。 （a）峰值電平及角度坐標(biāo)； （b）主瓣寬度； （c）方向圖的起伏程度（不圓度或者零值深度） （d）第一副瓣電平 （3）交叉極化方向圖的測(cè)試 與（ 2）類似，只是將（ 2）中安裝天線時(shí)收發(fā)天線兩者極化方式相同安裝修改為正交安 裝即可，涉及的操作步驟為 、 、。 記錄到表 I-3 的內(nèi)容為： （ a）峰值電平； （b）與主極化方向圖相比，兩者電平相差的最大值和最小值，包括最值出現(xiàn)的角度坐 標(biāo)。 （4）增益測(cè)試 環(huán)境：微波暗室 設(shè)備： Agilent E8363B 型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、固定天線夾具、

13、 10 米低損耗電纜兩根、 1 米低損耗電纜一根、工控機(jī)（含天線測(cè)試系統(tǒng)軟件）、 GPIB 線、串口線、標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線、 天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)、發(fā)射天線及專用支架。 工具：激光筆 將天線安裝至固定天線夾具上， 然后將天線按照垂直極化的方式安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上， 安裝 時(shí)需保證天線輻射體中心的鉛垂投影線通過轉(zhuǎn)臺(tái)中心的偏差在 3cm 以內(nèi)（用激光筆測(cè)試）， 保證天線垂直極化； 將一根 10m 低耗電纜的一端連接在天線的饋電端口上，另一端連接在矢量網(wǎng)絡(luò)分析 儀的 PORT B 端口上； 將與發(fā)射天線相連接的另一根 10m 低耗電纜的與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的 PORT A 端口向 連接； 調(diào)整發(fā)射天線的高度、 極化， 使發(fā)射

14、天線為垂直極化， 口面中心與待測(cè)天線輻射體中 心同一高度，用激光筆測(cè)試偏差不超過5cm； 調(diào)整待測(cè)天線與發(fā)射天線的最大輻射方向， 讓兩個(gè)天線的最大輻射方向正對(duì)， 具體地， 調(diào)試發(fā)射天線轉(zhuǎn)臺(tái)，使方位角為 0o，然后，使待測(cè)天線的輻射體與發(fā)射天線正對(duì)，此處需要 參考（ 2） - -（a）記錄的峰值電平及角度坐標(biāo)值； 開啟網(wǎng)儀，界面選擇測(cè)試 S21，顯示格式為 Log ，顯示比例為每縱格 10dB ，參考電平 設(shè)置為 -50dB，將起始頻率和終止頻率設(shè)置為 1GHz 和16GHz ，并設(shè)置頻點(diǎn) f1=3.1GHz 、 f2=10.6GHz 、f0=6.85GHz，此時(shí)矢網(wǎng)的輸出功率電平設(shè)置為+3dB

15、m。 記錄此時(shí)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的數(shù)據(jù)，具體地，就是 3 個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的 |S21|值，記錄為 |S21|xi （i=0 ，1，2）；此時(shí)可適當(dāng)?shù)卣{(diào)整待測(cè)天線轉(zhuǎn)臺(tái)的方位角，直至各頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的|S21|值最大， 開始記錄； 取下待測(cè)天線， 將標(biāo)準(zhǔn)天線保持垂直極化狀態(tài)， 安裝到測(cè)試夾具上， 使口面與發(fā)射天 5cm）； 仿照 線正對(duì)，口面中心與發(fā)射天線口面中心同一高度（用激光筆測(cè)試偏差不超過 步驟 記錄此時(shí)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的數(shù)據(jù)，具體地，就是3 個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的 |S21|值，記錄為 |S21|xi （i=0 ，1，2）；此時(shí)可適當(dāng)?shù)卣{(diào)整待測(cè)天線轉(zhuǎn)臺(tái)的方位角，直至各頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的|S21|值最大， 開始記錄； 將記錄

16、的數(shù)據(jù)按照如下公式進(jìn)行計(jì)算，求出待測(cè)天線在頻點(diǎn)fi 處的增益： Gxi（dB） =Gsi（dB）-|S21|si（dB）+|S21|xi（dB）（i=0， 1，2）， Gsi（ dB ）是標(biāo)準(zhǔn)天線增益，可以查表 求得。記錄及計(jì)算所得的數(shù)據(jù)均要存檔備查（表 I-4 ）。 四、實(shí)驗(yàn)記錄 3.1GHz 3.2GHz 8GHz 8.2GHz 線極化超寬帶天線的 H面方向圖 3.2GHz 3.5GHz 5.0GHz 8GHz 8.2GHz 8.4GHz 線極化超寬帶天線的 E面方向圖 五、實(shí)驗(yàn)結(jié)論 通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試圖可看出，此款線極化超寬帶天線為全向輻射天線， H 面輻射為圓形方向 圖（在任何輻射方向上歸一

17、化的輻射強(qiáng)度均大于-3dB ），E面輻射為 8字形方向圖。但 E面方 向圖在頻率較高處為蝴蝶型，出現(xiàn)了方向圖分裂的情況，H面方向圖在高頻時(shí)不圓度增加。 方向圖分裂的原因會(huì)在第二道思考題給予解釋。 六、思考題 1、在駐波系數(shù)的測(cè)試中，晃動(dòng)天線，觀察此時(shí)矢網(wǎng)屏幕的駐波系數(shù)曲線的變化，解釋 發(fā)生這種現(xiàn)象的原因。 答：這是由于測(cè)試者存在的原因， 測(cè)試者本身就是一導(dǎo)體， 天線發(fā)射出來的電磁波部分 會(huì)打到測(cè)試者身上并產(chǎn)生反射回天線， 晃動(dòng)天線， 打到測(cè)試者身上并產(chǎn)生反射回天線的電磁 波的強(qiáng)度不同，導(dǎo)致了駐波系數(shù)測(cè)試的結(jié)果不一。 此外， 由于微波暗室使用吸波材料吸去大部分的電磁波來模擬自由空間， 但是還是有

18、少 量的電磁波被反射回來， 晃動(dòng)天線時(shí)， 電磁波傳播的邊界條件發(fā)生改變， 也會(huì)造成駐波系數(shù) 測(cè)試的結(jié)果不一。 由于以上兩個(gè)原因，導(dǎo)致了矢網(wǎng)屏幕的駐波系數(shù)曲線的變化。 2、解釋在不同頻點(diǎn)時(shí)天線的方向圖有很大區(qū)別的原因。 答：天線輻射出來的電磁波是由表面電流產(chǎn)生的， 不同頻點(diǎn)上表面電流波長不同， 在天 線表面的相位變化不同， 若天線的尺寸遠(yuǎn)大于表面電流波長， 則會(huì)形成駐波電流， 若天線的 尺寸遠(yuǎn)小于表面電流波長， 則會(huì)形成行波電流。 而行波電流的輻射方向圖由于存在零點(diǎn)， 會(huì) 導(dǎo)致天線輻射方向圖的分裂。 演示實(shí)驗(yàn)二 圓極化天線的測(cè)試 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、了解圓極化天線的概念及特點(diǎn) 2、了解現(xiàn)代天線測(cè)試

19、系統(tǒng)的組成 3、了解現(xiàn)代天線測(cè)試儀器設(shè)備及其使用方法 4、了解圓極化天線的測(cè)試方法 二、實(shí)驗(yàn)原理 天線實(shí)現(xiàn)圓極化的條件是，要激勵(lì)起兩個(gè)極化方向正交的、幅度相等的、相位相差90 的線極化波。 根據(jù)該條件要求，可以結(jié)合所學(xué)習(xí)的天線原理進(jìn)行如下天線測(cè)試的內(nèi)容： （1）天線阻抗帶寬的測(cè)試： 測(cè)試天線的反射系數(shù)（ S11），需要用到公式（ 2-1）： 根據(jù)公式（ 2-1），只要測(cè)試出來的 | 值|低于某個(gè)特定的值，就可以說明在此條件下天線的 阻抗ZA 接近于所要求的阻抗 Z0（匹配） ,本實(shí)驗(yàn)中取 Z0=50。天線工程中通常使用電壓駐波 比（VSWR） 以及回波損耗（ Return Loss，RL）來描

20、述天線的阻抗特性，它們和 | 的|關(guān)系 可以用公式（ 2-2）和（ 2-3）描述： （2）圓極化天線軸比的測(cè)試 極化是指在與電磁波的傳播方向垂直的平面內(nèi)， 電場(chǎng)矢量變化一周矢量末端所描繪出的 軌跡，根據(jù)軌跡形狀的不同天線的極化可以分為線極化、 圓極化和橢圓極化三種形式， 其中 線極化和圓極化為橢圓極化的特例。 描述橢圓極化的參數(shù)有軸比、 旋向和傾角。橢圓極化軸 比定義為長軸和短軸的比值，用 r 表示，以分貝為單位的軸比 R 為 R=20lg（r） dB（2-4） 當(dāng)R=0dB 時(shí)為圓極化， R=時(shí)為線極化。 橢圓極化的旋向是根據(jù)波的傳播方向和電場(chǎng)矢量的旋轉(zhuǎn)方向定義的， 可以分為左旋橢圓 極化和

21、右旋橢圓極化。 一般地，天線的旋向是由天線本身的結(jié)構(gòu)和饋電確定的， 是一個(gè)固定 的參數(shù)。傾角的定義與研究天線所選取的坐標(biāo)系有關(guān)。如圖 2-1 所示的坐標(biāo)系，其中 +z 向 為波的傳播方向， x 軸為基準(zhǔn)坐標(biāo)軸， Ea 為橢圓長軸，角度定 義為傾角，這里，+x 方向、 Ea方向和波傳播方向成右手螺旋關(guān)系。 般的天線在嚴(yán)格意義上說均是橢圓極化天線， 通常線極化天線容易實(shí)現(xiàn)， 而圓極化天 線較難實(shí)現(xiàn)，所以通常采用極化圖形測(cè)量方法測(cè)試橢圓極化天線的軸比， 用一個(gè)線極化天線 為發(fā)射源，它的極化方向垂直于收發(fā)天線的連線 （收發(fā)天線軸） ，且能夠繞收發(fā)天線軸旋轉(zhuǎn)。 使待測(cè)天線為接收天線， 記錄接收的信號(hào)幅度

22、與發(fā)射線天線轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線， 就得到了待測(cè) 天線的極化圖。由極化圖可以確定極化橢圓的長軸Ea 和短軸 Eb 方向、極化軸比 R 以及傾角 ，極化圖可以采用極坐標(biāo)形式，也可以采用直角坐標(biāo)形式。 （3）圓極化方向圖的測(cè)試 方向圖的測(cè)試需要測(cè)試天線在阻抗帶寬內(nèi)的各個(gè)頻點(diǎn)的遠(yuǎn)場(chǎng)的方向圖， 一般最少要測(cè)試 3 個(gè)頻點(diǎn)，即下限頻點(diǎn)、中心頻點(diǎn)和上限頻點(diǎn)，對(duì)于更寬的頻帶， 要根據(jù)具體情況多測(cè)試一 些頻點(diǎn)的方向圖，以便全面了解天線的參數(shù)。 在工程上，一般不需要遠(yuǎn)場(chǎng)的三維方向圖，而 只需要測(cè)試兩個(gè)主平面的方向圖曲線， 對(duì)于圓極化天線來說， 這兩個(gè)主平面為方位面和俯仰 面。另外，在天線測(cè)試前，還需要判斷天線的橢圓極

23、化旋向（本實(shí)驗(yàn)中，待測(cè)天線的橢圓極 化旋向是已知的） 。在滿足天線測(cè)試的極化匹配和阻抗匹配的條件下， 所測(cè)試的方向圖為單 一頻點(diǎn)的功率方向圖，所依據(jù)的原理為公式（ 2-5）： 在不同角度 的時(shí)候，接收天線接收的功率與自身的功率方向性函數(shù) P（）有關(guān)，因此將 待測(cè)天線作為接收天線放置在一個(gè)可以接收到單一方向傳播的均勻平面波的區(qū)域， 并且繞自 身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)一周，這樣不同角度 處就可以接收到不同大小的功率， 據(jù)此天線的功率方向圖 就可以繪制出來。 以上的測(cè)試方法涉及到了以下的條件： 天線可以接收到單一方向傳播的均勻平面波的區(qū)域， 這需要一個(gè)無外界干擾的模擬自 由空間的環(huán)境，還需要一個(gè)均勻平面波的發(fā)射源

24、； 天線可以繞著自身軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，這需要一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)； 天線的接收功率可以測(cè)試，這需要一個(gè)功率計(jì)。 上述三條的解決方法是： 無外界干擾的模擬自由空間的環(huán)境： 在微波暗室內(nèi)測(cè)試，微波暗室的工作頻帶需要符合天 線測(cè)試所需要的頻率范圍， 微波暗室的大小需要滿足天線工作的遠(yuǎn)場(chǎng)條件， 這個(gè)遠(yuǎn)場(chǎng)條件需 要用公式（ 2-6）進(jìn)行判定。 式中： dmin 是最小測(cè)試距離， 是工作波長， Dt 是發(fā)射天線的口徑最大尺寸， Dr 是待測(cè)天 線（接收天線）的口徑最大尺寸。 將天線安裝在一個(gè)可以進(jìn)行 360轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)臺(tái)上，轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)要滿足所需要的測(cè)試精 度。 發(fā)射源和接收裝置可以共用一個(gè)網(wǎng)絡(luò)分析儀，因?yàn)榘l(fā)射天線（輸入端可視

25、為端口1）和接 收天線（輸入端可視為端口 2）合起來組成了一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于這個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)來說， S21|即為 1 端口發(fā)射時(shí)， 2 端口接收所得到傳輸系數(shù)， 天線的不同的方向所得到的 |S21|也是不 同的。因此，根據(jù)所得到的 |S21|也可以得到天線的功率方向圖。所測(cè)試的方向圖曲線均需要 進(jìn)行歸一化處理。 （4）圓極化增益的測(cè)試 本實(shí)驗(yàn)的增益測(cè)試使用的是比較法。 保證極化匹配和阻抗匹配時(shí)， 測(cè)試此時(shí)的 |S21|， 將接收天線的最大輻射方向和發(fā)射天線對(duì)準(zhǔn)， 記錄為 |S21|X ，然后用標(biāo)準(zhǔn)增益天線（通常為喇叭天線）重復(fù)上述測(cè)試，記錄的值為|S21|S，然 后按照公式（ 2-7 ）進(jìn)行增

26、益計(jì)算。 三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1、實(shí)驗(yàn)儀器與實(shí)驗(yàn)環(huán)境 （1）Agilent E8363B 型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 （2）CST-1 型自動(dòng)測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái) （3）XB-GH 型標(biāo)準(zhǔn)增益天線、發(fā)射天線及待測(cè)天線 （4）微波暗室 2、實(shí)驗(yàn)裝置圖 本實(shí)驗(yàn)所使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備需按照?qǐng)D 2-5 進(jìn)行連接。 3、實(shí)驗(yàn)步驟 （1）駐波系數(shù)的測(cè)試 環(huán)境：微波暗室 設(shè)備： Agilent E8363B 型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、固定天線夾具 操作步驟： 打開矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀， 選擇導(dǎo)入全波段校準(zhǔn)數(shù)據(jù)， 界面選擇測(cè)試 S11，顯示格式為 SWR ， 顯示比例為每縱格 0.5，將起始頻率和終止頻率設(shè)置為 2GHz 和3GHz ，并設(shè)置頻點(diǎn) f1=2

27、.3GHz 、f2=2.5GHz 、f0=2.4GHz ，此時(shí)矢網(wǎng)的輸出功率電平應(yīng)保持默認(rèn)值 （-17dBm ）。 將天線裝入固定夾具，然后將網(wǎng)絡(luò)分析儀的 PortA 端口與天線饋電端口相連，將天線輻 射體置于遠(yuǎn)離周圍障礙物的地方 （超過 50cm），測(cè)試此時(shí)的駐波系數(shù)， 重點(diǎn)觀察 f1、f2 和 f0 頻點(diǎn)的駐波系數(shù)，并記錄到表 II-1 中。 設(shè)置 Mark ，觀察天線在 2.1-2.6GHz 頻帶范圍內(nèi)駐波系數(shù)的最大值和最小值，并記錄到 表 II-1 中。 觀察天線的駐波系數(shù)低于 2.0 時(shí)的下限頻率和上限頻率，記錄到表 II-1 中。 晃動(dòng)天線，觀察此時(shí)矢網(wǎng)屏幕的駐波系數(shù)曲線的變化。

28、（2）圓極化天線軸比的測(cè)試 環(huán)境：微波暗室 設(shè)備： Agilent E8363B 型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、固定天線夾具 操作步驟： 打開矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，選擇導(dǎo)入全波段校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，界面選擇測(cè)試S21，顯示格式為幅值 和相位， 顯示比例為每縱格 10dB 和 45幅值參考電平設(shè)置為 -50dB，將起始頻率和終止 頻率設(shè)置為 2GHz 和3GHz，并設(shè)置頻點(diǎn) f1=2.3GHz、f2=2.5GHz、f0=2.4GHz ，此時(shí)矢網(wǎng)的 輸出功率電平應(yīng)保持設(shè)定值（ +3dBm ）。 將天線安裝至固定天線夾具上，然后將天線按照垂直極化的方式安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，安裝時(shí) 需保證天線輻射體中心的鉛垂投影線通過轉(zhuǎn)臺(tái)中心的偏差在

29、3cm 以內(nèi)（用激光筆測(cè)試） ， 保證天線垂直極化； 將一根 10m 低耗電纜的一端連接在天線的饋電端口上， 另一端通過 1m 低耗電纜與矢量 網(wǎng)絡(luò)分析儀的 PORT B 端口相連接； 將與發(fā)射天線相連接的另一根 10m 低耗電纜的與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的 PORT A 端口向連 接； 調(diào)整發(fā)射天線的高度、極化，使發(fā)射天線為垂直極化，口面中心與待測(cè)天線輻射體中心 同一高度，用激光筆測(cè)試偏差不超過5cm； 令發(fā)射天線繞收發(fā)天線軸旋轉(zhuǎn)，記錄此時(shí)的S21 的幅值和相位與轉(zhuǎn)角的對(duì)應(yīng)關(guān)系，填入 表II-2 中。轉(zhuǎn)動(dòng)步長可以取 5或者 10，要保證發(fā)射天線能夠轉(zhuǎn)動(dòng) 180。在本實(shí)驗(yàn)中， 發(fā)射天線只能轉(zhuǎn)動(dòng) 90，

30、可以將待測(cè)天線轉(zhuǎn)動(dòng) 90，再測(cè)一次，總之，一定要滿足發(fā)射 天線轉(zhuǎn)動(dòng) 180。 （3）圓極化方向圖分量的測(cè)試 環(huán)境：微波暗室 設(shè)備：Agilent E8363B 型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、 固定天線夾具、 10 米低損耗電纜兩根、 1 米 低損耗電纜一根、工控機(jī)（含天線測(cè)試系統(tǒng)軟件）、 GPIB 線、串口線、天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)、發(fā) 射天線及專用支架、天線測(cè)試專用夾具、低噪聲放大器（選件）。 工具：激光筆 將待測(cè)天線安裝至固定天線夾具上，然后將待測(cè)天線按照長軸Ea（或者短軸 Eb）垂直地 面的方式安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上， 安裝時(shí)需保證天線輻射體中心的鉛垂投影線通過轉(zhuǎn)臺(tái)中心的偏 差在 3cm 以內(nèi)（用激光筆測(cè)試）； 將一根

31、 10m 低耗電纜的一端連接在天線的饋電端口上， 另一端連接低噪聲放大器的輸入 口上，然后用 1m 低耗電纜將低噪聲放大器的輸出口與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的 PORT B 端口 相連接（若無低噪放則將 10m 電纜的另一端通過 1m 低耗電纜與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的 PORT B 端口相連接）； 將與發(fā)射天線相連接的另一根 10m 低耗電纜的與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的 PORT A 端口向連 接； 調(diào)整發(fā)射天線的高度、極化，使發(fā)射天線為垂直極化，口面中心與待測(cè)天線輻射體中心 同一高度，用激光筆測(cè)試偏差不超過5cm； 將工控機(jī)與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通過 GPIB 線連接在一起，開啟計(jì)算機(jī)，進(jìn)入到天線測(cè)試系 統(tǒng)軟件界面，點(diǎn)

32、“初始化 ”鍵，然后進(jìn)行測(cè)試頻點(diǎn)設(shè)置，分別設(shè)置頻點(diǎn)3 個(gè)： f1=2.3GHz 、 f2=2.5GHz 、f 0=2.4GHz 。 進(jìn)行天線方向圖的自動(dòng)測(cè)試，轉(zhuǎn)臺(tái)水平旋轉(zhuǎn)一周，計(jì)算機(jī)自動(dòng)根據(jù)采集的數(shù)據(jù)輸出待測(cè) 頻點(diǎn)方向圖，做好存檔，此時(shí)測(cè)得的為天線水平面方向圖（垂直極化分量）； 調(diào)整發(fā)射天線的高度、極化，使發(fā)射天線為水平極化，口面中心與待測(cè)天線輻射體中心 同一高度，用激光筆測(cè)試偏差不超過 5cm； 按照步驟 、 進(jìn)行測(cè)試，做好計(jì)算機(jī)輸出方向圖的存檔，此時(shí)測(cè)得的為天線水平面方 向圖（水平極化分量）； 更換夾具，將待測(cè)天線繞收發(fā)天線軸旋轉(zhuǎn)90 安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，安裝時(shí)需保證天線輻射體 中心的鉛垂投影線

33、通過轉(zhuǎn)臺(tái)中心的偏差在 3cm 以內(nèi)（用激光筆測(cè)試）； 按照步驟繼續(xù)測(cè)試，測(cè)試天線的俯仰面方向圖的兩個(gè)正交分量，根據(jù)存檔的方 位面和俯仰面方向圖，觀察記錄峰值電平及角度坐標(biāo)，并記錄到表 II-3 中。 （4）增益測(cè)試 環(huán)境：微波暗室 設(shè)備：Agilent E8363B 型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、 固定天線夾具、 10 米低損耗電纜兩根、 1 米 低損耗電纜一根、工控機(jī)（含天線測(cè)試系統(tǒng)軟件）、 GPIB 線、串口線、標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線、天 線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)、發(fā)射天線及專用支架。 工具：激光筆 將待測(cè)天線安裝至固定天線夾具上，然后將待測(cè)天線按照長軸Ea（或者短軸 Eb）垂直地 面的方式安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上， 安裝時(shí)需保證天線輻

34、射體中心的鉛垂投影線通過轉(zhuǎn)臺(tái)中心的偏 差在 3cm 以內(nèi)（用激光筆測(cè)試）； 將一根 10m 低耗電纜的一端連接在天線的饋電端口上， 另一端連接在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的 PORT B 端口上； 將與發(fā)射天線相連接的另一根 10m 低耗電纜的與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的 PORT A 端口向連 接； 調(diào)整發(fā)射天線的高度、極化，使發(fā)射天線為垂直極化，口面中心與待測(cè)天線輻射體中心 同一高度，用激光筆測(cè)試偏差不超過 5cm； 調(diào)整待測(cè)天線與發(fā)射天線的最大輻射方向，讓兩個(gè)天線的最大輻射方向正對(duì)，具體地， 調(diào)試發(fā)射天線轉(zhuǎn)臺(tái)，使方位角為 0o，然后，使待測(cè)天線的輻射體與發(fā)射天線正對(duì)，此處 需要參考（ 2） - 記錄的峰值電平

35、及角度坐標(biāo)值； 開啟網(wǎng)儀，選擇導(dǎo)入全波段校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，界面選擇測(cè)試S21，顯示格式為 Log ，顯示比例為 每縱格 10dB，參考電平設(shè)置為 -50dB，將起始頻率和終止頻率設(shè)置為 2GHz 和 3GHz，并 設(shè)置頻點(diǎn) f1=3.1GHz 、f2=10.6GHz 、f0=6.85GHz ，此時(shí)矢網(wǎng)的輸出功率電平設(shè)置為 +3dBm 。 記錄此時(shí)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的數(shù)據(jù)， 具體地，就是3 個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的 |S21|值，記錄為 |S21|x（i i=0， 1， 2）；此時(shí)可適當(dāng)?shù)卣{(diào)整待測(cè)天線轉(zhuǎn)臺(tái)的方位角，直至各頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的|S21|值最大，開 始記錄； 取下待測(cè)天線，將標(biāo)準(zhǔn)天線保持垂直極化狀態(tài)，安裝到測(cè)試夾具上

36、，使口面與發(fā)射天 線正對(duì)，口面中心與發(fā)射天線口面中心同一高度（用激光筆測(cè)試偏差不超過5cm）； 仿照步驟 記錄此時(shí)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的數(shù)據(jù)，具體地，就是 3 個(gè)頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的 |S21|值，記 錄為 |S21|xi（i=0 ，1，2）；此時(shí)可適當(dāng)?shù)卣{(diào)整待測(cè)天線轉(zhuǎn)臺(tái)的方位角，直至各頻點(diǎn)對(duì)應(yīng) |S21| 值最大，開始記錄； 將記錄的數(shù)據(jù)按照如下公式進(jìn)行計(jì)算， 求出待測(cè)天線在頻點(diǎn) fi 處的增益分量 a：Gxa（i dB） =Gsi（dB）-|S21|si（dB）+|S21|xi（dB）（i=0， 1，2），Gsi（dB）是標(biāo)準(zhǔn)天線增益，可以 查表求得。記錄及計(jì)算所得的數(shù)據(jù)均要存檔備查； ? 將待測(cè)天線繞收發(fā)天線軸旋轉(zhuǎn) 90 ，重復(fù) -內(nèi)容，測(cè)試天線在頻點(diǎn) fi 處的增益分量 b： Gxbi（dB）=Gsi（dB）-|S21|si（dB）+|S21|x