哈工大電波及天線演示實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、天線原理演示實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書王楠楠，林澍 編哈爾濱工業(yè)大學(xué)微波工程系2013年5月目錄實(shí)驗(yàn)一 半波振子天線的制作與測(cè)試1一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)原理1三、實(shí)驗(yàn)儀器2四、實(shí)驗(yàn)步驟21、半波振子天線的制作22、天線阻抗帶寬測(cè)試33、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告4五、思考題4實(shí)驗(yàn)二 超寬帶天線測(cè)試（演示實(shí)驗(yàn)）4一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?二、實(shí)驗(yàn)原理5三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容61、實(shí)驗(yàn)儀器與實(shí)驗(yàn)環(huán)境62、實(shí)驗(yàn)裝置圖93、實(shí)驗(yàn)步驟94、記錄表格11四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容13五、思考題13實(shí)驗(yàn)三 圓極化天線的測(cè)試（演示實(shí)驗(yàn)）14一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?4二、實(shí)驗(yàn)原理14三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容151、實(shí)驗(yàn)儀器與實(shí)驗(yàn)環(huán)境152、實(shí)驗(yàn)裝置圖153、實(shí)驗(yàn)步驟154、記錄表格16四

2、、實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容17五、思考題17天線原理演示實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書實(shí)驗(yàn)一 半波振子天線的制作與測(cè)試一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、掌握50歐姆同軸電纜與SMA連接器的連接方法。2、掌握半波振子天線的制作方法。3、掌握使用“天饋線測(cè)試儀”測(cè)試天線VSWR和回波損耗的方法。4、掌握采用“天饋線測(cè)試儀” 測(cè)試電纜損耗的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理（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）根據(jù)公式（1-1），只要測(cè)試出來(lái)的|值低于某個(gè)特定的值，就可以說(shuō)明在此條件下天線的阻抗ZA接近于所要求的阻抗Z0（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

3、壓駐波比（VSWR）以及回波損耗（Return Loss，RL）來(lái)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：（1-2） dB（1-3）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1-1中。表1-1 工程上對(duì)天線的不同要求（供參考）天線帶寬?cǎi)v波系數(shù)的要求反射系數(shù)|的要求反射損耗RL的要求窄帶（相對(duì)帶寬5%以下）1.2或1.5|0.09或0.221dB或14dB寬帶（相對(duì)帶寬20%以下）1.5或2|0.2或0.3314dB或10dB超寬帶2或2.5，甚至更大|0.33或0.4310dB（2）同軸電纜的特性阻抗本實(shí)驗(yàn)采用50歐姆同軸電纜，其外皮和內(nèi)芯為金屬

4、，中間填充聚四氟乙烯介質(zhì)（相對(duì)介電常數(shù)）。其特性阻抗計(jì)算公式如下： （1-4）式中 a內(nèi)芯直徑； b外皮內(nèi)直徑。三、實(shí)驗(yàn)儀器（1）Anritsu S331D天饋線測(cè)試儀圖1-1 Anritsu S331D天饋線測(cè)試儀表1-2 Anritsu S331D天饋線測(cè)試儀主要性能指標(biāo)參數(shù)名稱參數(shù)值頻率范圍25MHz-4000MHz頻率分辨率100kHz輸出功率 0dBm回波損耗范圍0.00-54.00dB（分辨率：0.01dB）駐波比范圍0.00-65.00 （分辨率：0.01）（2）50歐姆同軸電纜、SMA連接器、熱塑管、直徑2.5mm和0.5mm銅絲、泡沫（用于支撐和固定天線）和酒精棉等。（3）工

5、具，主要包括：裁紙刀、尖嘴鉗子、斜口鉗子、砂紙、挫、尺和電烙鐵等。四、實(shí)驗(yàn)步驟1、半波振子天線的制作制作天線時(shí)要主要安全，使用電烙鐵和裁紙刀時(shí)應(yīng)倍加注意。（1） 截取一段長(zhǎng)度為10cm的50歐姆同軸電纜。（2） 用裁紙刀將電纜兩端藍(lán)色的電纜護(hù)套各剝?nèi)?cm。（3） 將SMA同軸連接器與電纜相連接，具體操作步驟如下：l 用裁紙刀將電纜一端的外皮和聚四氟乙烯介質(zhì)切掉1cm，保留電纜內(nèi)芯。注意：在環(huán)切外皮和介質(zhì)時(shí)，盡量不要切到內(nèi)芯；在切斷外皮和介質(zhì)后，可以用尖嘴鉗夾住待去掉的部分左右晃動(dòng)并拔下。l 用斜口鉗子剪斷電纜內(nèi)芯的一部分，留下約3mm4mm的長(zhǎng)度。l 用砂紙打磨電纜內(nèi)芯和金屬外皮，并用酒精棉

6、擦拭干凈。l 將電纜內(nèi)芯插入針內(nèi)，并用焊錫焊接牢固。l 將SMA連接器的J頭（內(nèi)螺紋）與K頭（外螺紋）相連（目的是防止焊接時(shí)由于過(guò)熱，連接器內(nèi)的聚四氟乙烯膨脹變形，高出金屬部分），將針和電纜插入SMA連接器的另一端，用力推緊，然后用電烙鐵將SMA連接器與電纜外皮焊接。注意：焊錫要充分熔化，直至流入SMA連接器與電纜的縫隙內(nèi)（即在SMA連接器的孔內(nèi)看到焊錫，若很難熔化，是由于銅散熱過(guò)快，可采用兩個(gè)電烙鐵同時(shí)加熱）。l 剪適當(dāng)長(zhǎng)度的熱塑管，套在同軸電纜上，覆蓋住露出外皮的同軸電纜，使用電烙鐵或熱風(fēng)槍對(duì)熱塑管加熱，使其收縮。（4） 制作半波振子天線l 計(jì)算諧振頻率f=2.4GHz的半波振子的每個(gè)臂長(zhǎng)

7、l/2，用斜口鉗子截取兩端銅絲，長(zhǎng)度均為l/2。注意：組1采用直徑為0.5mm的銅絲，組2采用直徑為2.5mm的銅絲。l 將制作好的同軸電纜的一側(cè)（另一側(cè)為SMA連接器）去掉2cm藍(lán)色護(hù)套，再去掉1cm金屬外皮，最后去掉8mm聚四氟乙烯介質(zhì)。l 截取長(zhǎng)10cm寬4cm的泡沫，用錐子在其中心打個(gè)孔，并在其表面制作出一條溝（長(zhǎng)度略長(zhǎng)于半波振子，寬度和深度約為半波振子直徑）。l 將制作好的同軸電纜從泡沫的中心孔插入，截取一小段細(xì)銅絲，在同軸電纜的金屬外皮上纏繞2-3圈，留出約0.5cm-1cm的長(zhǎng)度，用于與半波振子的一個(gè)臂進(jìn)行焊接。同時(shí)，將同軸電纜的內(nèi)芯與半波振子的另一個(gè)臂進(jìn)行焊接。l 將制作好的半

8、波振子固定在泡沫上（預(yù)先制作好的溝內(nèi)），用透明膠帶固定好。半波振子制作完成。2、天線阻抗帶寬測(cè)試（1）開機(jī)與校準(zhǔn)l 點(diǎn)擊on/off按鍵，來(lái)啟動(dòng)Anritsu S331D天饋線測(cè)試儀。l 點(diǎn)擊數(shù)字1，以打開背景燈。l 點(diǎn)擊MODE，利用上下鍵選擇回波損耗。l 點(diǎn)擊FREQ，再點(diǎn)擊F1，輸入1800，點(diǎn)擊ENTER；點(diǎn)擊F2，輸入2600，點(diǎn)擊ENTER。l 點(diǎn)擊START CAL，屏幕出現(xiàn)“連接開路器到信號(hào)輸出端口”，從屏幕右側(cè)的袋子里取出校準(zhǔn)器件，將OPEN端連接至天饋線測(cè)試儀的電纜（注意，先將電纜上的N轉(zhuǎn)SMA連接頭擰下），連接后點(diǎn)擊ENTER。當(dāng)屏幕上出現(xiàn)“連接短路器到信號(hào)輸出端口”時(shí)，

9、將SHORT端連接至天饋線測(cè)試儀的電纜，連接后點(diǎn)擊ENTER。當(dāng)屏幕上出現(xiàn)“連接負(fù)載到信號(hào)輸出端口”時(shí)，將校準(zhǔn)件負(fù)載端（除了open和short外的第三個(gè)端口）連接至天饋線測(cè)試儀的電纜，連接后點(diǎn)擊ENTER。至此校準(zhǔn)完畢。l 將校準(zhǔn)件擰下，放回原處，將N轉(zhuǎn)SMA連接頭與天饋線測(cè)試儀電纜連接好，準(zhǔn)備測(cè)試。（2）天線回波損耗和VSWR測(cè)試l 將所制作的天線連接至天饋線測(cè)試儀電纜的SMA端口。觀察天線的回波損耗隨頻率的變化。此時(shí)，橫軸共10格，包含了1800MHz2600MHz的頻率范圍，每格80MHz。點(diǎn)擊MARK，再點(diǎn)擊M1，點(diǎn)擊編輯，輸入頻率（如2000），按ENTER鍵。再添加3個(gè)MARK，

10、找到回波損耗小于10dB的頻點(diǎn)。l 點(diǎn)擊MODE，利用上下鍵選擇VSWR，點(diǎn)擊ENTER。觀察VSWR2的頻帶范圍。l 保存天線回波損耗和VSWR測(cè)試結(jié)果，撰寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。3、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)報(bào)告1、觀察所制作的半波振子天線，測(cè)量天線的總長(zhǎng)度和直徑，填入表I-1。2、觀察待測(cè)天線的回波損耗，將回波損耗小于10dB的低頻點(diǎn)、高頻點(diǎn)和中心頻點(diǎn)填入表I-1，并計(jì)算中心波長(zhǎng)，填入表I-1。3、觀察待測(cè)天線的VSWR，將VSWR小于2的低頻點(diǎn)、高頻點(diǎn)填入表I-1。4、計(jì)算半波振子天線長(zhǎng)度直徑比和長(zhǎng)度波長(zhǎng)比，填入表I-1。5、寫出天線的工作頻率范圍、絕對(duì)帶寬、相對(duì)帶寬、比帶寬，填入表I-2。請(qǐng)回答：該帶寬屬于

11、那一種帶寬_（阻抗帶寬、方向圖帶寬、增益帶寬、極化帶寬）。表I-1 天線參數(shù)組別半波振子長(zhǎng)度lfL(RL10dB)fH(RL10dB)f0=(fL+ fH)/20=c/ f0組1組2組別半波振子直徑dfL (VSWR2)fH (VSWR2)l/dl/0組1組2表I-2 天線帶寬計(jì)算天線工作頻率范圍絕對(duì)帶寬相對(duì)帶寬比帶寬五、思考題1、根據(jù)天線的測(cè)試結(jié)果，解釋“末端效應(yīng)”。實(shí)驗(yàn)二 超寬帶天線測(cè)試（演示實(shí)驗(yàn)）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、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、了解超寬帶天線主要參數(shù)的測(cè)試方法二、實(shí)驗(yàn)原理超寬帶天線是一種具有極寬阻抗帶寬的

12、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?，F(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)試參見實(shí)驗(yàn)一中二（1）內(nèi)容。（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)

13、，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(lái)說(shuō)，這兩個(gè)主平面為E面和H面。因此，在天線測(cè)試前，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（2-1）：（2-1）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

14、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(lái)。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(wú)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(wú)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（2-2）進(jìn)行判定。（2-2）式中：dmin是最小測(cè)試距離，是工作波長(zhǎng)，Dt是發(fā)射天線的口徑最大尺寸，Dr是待測(cè)天

15、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（輸入端可視為端口2）合起來(lái)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(lái)說(shuō)，|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)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

16、|，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（2-3）（或者公式2-4）進(jìn)行增益計(jì)算。GX=GS|S21|X / |S21|S（2-3）或者為GX（dB）=GS（dB）+|S21|X（dB）-|S21|S（dB）（2-4）三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、實(shí)驗(yàn)儀器與實(shí)驗(yàn)環(huán)境（1）Anritsu 37247D型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Anritsu 37247D型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（圖2-1所示）是一種能夠進(jìn)行各種射頻、微波的元器件測(cè)試的高性能儀器。它通過(guò)對(duì)快掃描速度，寬動(dòng)態(tài)范圍、低軌跡噪聲和靈活的連通性的正確組合，可以快速、精確地測(cè)試微波元件的網(wǎng)絡(luò)參量（S參數(shù)

17、）。其主要性能指標(biāo)見表2-1。圖2-1 Anritsu 37247D型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀表2-1 主要性能指標(biāo)Frequency(GHz)Port1 Power, TypicalNoise Floor at Port 2(dBm)System Dynamic Range0104115207-101108（2）CST-1型自動(dòng)測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)本實(shí)驗(yàn)采用的是CST-1型自動(dòng)測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)（圖2-2），該型轉(zhuǎn)臺(tái)為二維轉(zhuǎn)臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)方位360轉(zhuǎn)動(dòng)以及俯仰90轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)精度為0.05。圖2-2 CST-1型自動(dòng)測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)（3）Agilent HP 8449B 微波前置放大器本實(shí)驗(yàn)采用的是Agil

18、ent HP 8449B 微波前置放大器，用于對(duì)接收天線收到的電磁信號(hào)進(jìn)行放大，參數(shù)如下：l 噪聲系數(shù)：1.0GHz12.5 GHz - 8.5dB；12.5 GHz22.0 GHz - 12.5dB;；22.0 GHz26.5 GHz - 14.5dB l 最小增益：23.5dB l 增益平坦度：1.0 GHz26.5 GHz - 4.5dB l 連接器類型：ACP - 3.5 male圖2-3 Agilent HP 8449B 微波前置放大器（4）XB-GH型標(biāo)準(zhǔn)增益天線、發(fā)射天線及待測(cè)天線l 標(biāo)準(zhǔn)天線為喇叭天線，其增益穩(wěn)定，如圖2-4（a）所示，圖中的一系列標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭可以適用于0.5-

19、40GHz，本實(shí)驗(yàn)測(cè)試所需要的喇叭天線有以下3個(gè)：表2-2 喇叭天線型號(hào)與參數(shù)喇叭天線型號(hào)工作頻率（GHz）天線增益XB-GH340-18N2.173.3f=3.1GHz Gain=XB-GH137-20N5.388.17f=6.85GHz Gain=XB-GH90-20N8.212.4f=10.6GHz Gain=l 發(fā)射天線為一超寬帶加脊喇叭天線，如圖2-4（b）所示，工作頻率范圍為1-18GHz，增益為6-18dB；l 待測(cè)天線一個(gè)，為全向超寬帶天線，如圖2-4（c）所示，其理論計(jì)算的下限頻率如下式所示。（a）標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線（b）超寬帶喇叭天線（c）全向超寬帶天線圖2-4 實(shí)驗(yàn)所需要的

20、各類天線（4）微波暗室本實(shí)驗(yàn)所使用的微波暗室為9m6m6m暗室，工作頻率范圍為0.5-40GHz，適用范圍很廣，如圖2-5所示。圖2-5 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)D2-6進(jìn)行連接。圖2-6 實(shí)驗(yàn)裝置框圖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：Anritsu 37247D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)

21、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(guò)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。（2）主極化方向圖的測(cè)試環(huán)境：微波暗室設(shè)備：Anritsu 37247D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

22、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(guò)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(wú)低噪放則將10m電纜的另一端通過(guò)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

23、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(guò)5cm；將工控機(jī)與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通過(guò)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

24、過(guò)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(guò)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；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II-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）（3）增益測(cè)試環(huán)境：微波暗室設(shè)備：Anritsu 37247D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）、GPI

25、B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(guò)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(guò)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

26、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0，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L(zhǎng)og，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+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|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

27、；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(guò)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)的|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：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II

28、-3）。4、記錄表格表II-1 駐波系數(shù)記錄表頻率（GHz）3.110.66.85下限頻率為：上限頻率為：VSWR3.1-10.6GHz內(nèi)的最小值為：3.1-10.6GHz內(nèi)的最大值為：2.02.017表II-2 主極化方向圖記錄表3.1GHz全向天線H面角度（）絕對(duì)峰值電平：主瓣寬度：不圓度：歸一化電平（dB）0-3-3最小值：E面角度（）歸一化電平（dB）0-3-3最小值：10.6GHz全向天線H面角度（）絕對(duì)峰值電平：主瓣寬度：不圓度：歸一化電平（dB）0-3-3最小值：E面角度（）歸一化電平（dB）0-3-3最小值：6.85GHz全向天線H面角度（）絕對(duì)峰值電平：主瓣寬度：不圓度：歸一

29、化電平（dB）0-3-3最小值：E面角度（）歸一化電平（dB）0-3-3最小值：天線原理演示實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書表II-3 增益測(cè)試記錄表頻率（GHz）3.110.66.85|S21|X（dB）|S21|S（dB）GS（dB）GX（dB）四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容1、保存所測(cè)試天線三個(gè)頻點(diǎn)的E面和H面方向圖，保存天線VSWR的測(cè)試結(jié)果，粘貼到下面。2、根據(jù)所測(cè)得的各個(gè)頻點(diǎn)的方向圖，判斷出待測(cè)天線的方向圖帶寬，和阻抗帶寬相比較，可以得出什么結(jié)論？3、根據(jù)表II-3中記錄的測(cè)試結(jié)果，計(jì)算出待測(cè)天線的增益，判斷出待測(cè)天線的增益帶寬。4、根據(jù)表II-2中記錄的測(cè)試結(jié)果，分析該天線的輻射特性。（全向天線或定向天線）。五、思

30、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。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。實(shí)驗(yàn)三 圓極化天線的測(cè)試（演示實(shí)驗(yàn)）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、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)原理在電磁波的傳播過(guò)程中，可以傳遞信息的特征量包括場(chǎng)的振幅、相位以及極化方式，在移動(dòng)通信和衛(wèi)星通信中，為了抑制雨霧等的干擾和多徑效應(yīng)，圓極化天線獲得了廣泛的應(yīng)用。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)以上對(duì)圓極化

31、天線的條件要求，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：參見實(shí)驗(yàn)一中二（1）內(nèi)容。（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(zhǎng)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（3-1）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右旋橢圓

32、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3-1所示的坐標(biāo)系，其中+z向?yàn)椴ǖ膫鞑シ较?，x軸為基準(zhǔn)坐標(biāo)軸，Ea為橢圓長(zhǎng)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。圖3-1 橢圓極化的位置關(guān)系一般的天線在嚴(yán)格意義上說(shuō)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)幅度與發(fā)射線天線轉(zhuǎn)角的關(guān)系曲線，

33、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(zhǎng)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。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、實(shí)驗(yàn)儀器與實(shí)驗(yàn)環(huán)境（1）Anritsu 37247D型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（參數(shù)同實(shí)驗(yàn)二）（2）CST-1型自動(dòng)測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)（參數(shù)同實(shí)驗(yàn)二）（3）XB-GH型標(biāo)準(zhǔn)增益天線、發(fā)射天線及待測(cè)天線l 本實(shí)驗(yàn)測(cè)試所需要的喇叭天線為參數(shù)如下：表3-1 喇叭天線型號(hào)與參數(shù)喇叭天線型號(hào)工作頻率天線增益f=2.45GHz GainXB-GH340-18Nl 發(fā)射天線為一超寬帶加脊喇叭天線，參數(shù)同實(shí)驗(yàn)二。l 待測(cè)天線為S波段圓極化天線陣（右旋圓極化），如圖3-2

34、所示。圖3-2 實(shí)驗(yàn)中的待測(cè)圓極化天線陣（4）微波暗室（參數(shù)同實(shí)驗(yàn)二）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)D2-6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：Anritsu 37247D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=2.3GHz、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

35、線輻射體置于遠(yuǎn)離周圍障礙物的地方（超過(guò)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III-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III-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III-1中?；蝿?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）圓極化天線軸比的測(cè)試環(huán)境：微波暗室設(shè)備：Anritsu 37247D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