微波天線主要技術參數概要

1、- -目錄一、概述二、微波天線主要技術參數1方向圖（1）方向性圖（2）方向性系數2天線效率3增益系數（增益）4天線阻抗5天線極化6頻帶寬度三、實驗用的天線角錐喇叭天線四、天線測量實驗系統(tǒng)的建立1系統(tǒng)連接2測試實驗系統(tǒng)的阻抗匹配情況3測試實驗系統(tǒng)中兩天線間距離及架設高度的選擇（1）兩天線架設最小間距Vmin（2）天線架設高度五、測量1天線增益系數的測量（1）測量理論（2）測量方法2天線方向性圖的測量（1）方法（一）（2）方法（二）六、附錄同軸傳輸系統(tǒng)中微波天線測量實驗微波天線測量實驗一、概述微波天線是微波通信設備中一個重要的組成部分，微波信息的質量與天線性能密切相關。通常，微波天線都為面式天線，

2、驗證這類天線的性能，首先是通過測量來實現的。本文作為結合實驗內容，對天線系統(tǒng)架設于調整，天線的增益系數，天線方向性圖的測量實驗，及實驗使用的天線性能等方面內容作一些介紹。二、微波天線主要技術參數方向性（1）方向性圖天線的基本功能是將饋線傳輸的電磁波變?yōu)樽杂煽臻g傳播的電磁波，天線的方向圖是表征天線輻射時電磁波能量（或場強）在空間各點分布的情況，它是描述天線的主要傳輸之一。天線的方向性圖是一個立體圖形。它的特性可以用兩個互相垂直的平面（E平面和H平面）內方向性圖來描述。如圖（1）所示：圖（1）天線方向性圖天線方向性圖能直觀地反映出天線輻射能量集中程度、方向性圖越尖銳，表示輻射能量越集中，相反則能量

3、分散。若天線將電磁能量均勻地向四周輻射，方向性圖就變成一球面，稱作無方向性，這就是一理想點源在空中輻射場。天線方向性圖可通過測試來繪制，如測得的是功率，即可繪出功率方向性圖，如測得的是場強，則繪出場強方向性圖，但兩者圖形形狀是完全一樣的。通常圖形方向亞美微波YAMEIMICROWAVE- 性圖有多個葉瓣，其中最大輻射方向的是葉瓣，稱主瓣，其余稱副瓣（或旁瓣）在方向性圖中主瓣信息是我們最關心的。方向性圖主瓣寬度方向性圖主瓣寬度是指半功率點（功率下降為最大輻射方向功率一半之點）之間寬度，它是由主瓣最大值“1”下降到“0.5”處兩點與零點連接形成的夾角,用2。0.5來表示，如圖2所示：圖（2）方向性

4、圖主瓣零點角如圖2所示，方向性圖零點角是指主瓣兩側零輻射方向之間夾角，用200來表示。方向性圖副瓣電平方向性圖副瓣功率電平表示副瓣功率電平相對于主瓣功率電平的比值，一般用分貝（dB）來表示，即：副瓣電平=101g功率方向性圖副瓣最大值功率方向性圖主瓣最大值dB(1)一般希望副瓣電平越低（即負值越大）越好。（2）方向性系數上述方向性圖雖然一定程度上反映了天線輻射狀態(tài)，但它是一個相對值，為了定量描述天線集中輻射程度，引進了方向性系數這一概念。方向性系數定義是:在同一距離及相同輻射條件下，某一天線最大輻射方向性上輻射功率密度Smax（或場強平方E2max）與無方向天線（點源）輻射功率密度S0（或場強

5、平方E2）之比，用D來表示：Smax0輻射功率相同匚穿I輻射功率相同(2)可見，方向性越尖銳的天線D越大，相反則D越小，若D=1,則表示為無亞美微波YAMEIMICROWAVE- -方向性天線，是一個理想點源輻射場。2天線效率一般來說構成天線的導體和絕緣介質都有一定的能量損耗，輸入天線的功率不可能全部轉化為自由空間電磁波的輻射功率，我們把天線輻射功率Pr與天線輸入功率之比稱作天線效率，即：na=Pr/Pi(3)通常微波天線的效率都很高，na接近于1。另外需要值得提出的是這里定義的天線效率并沒有包含因天線與饋線傳輸系統(tǒng)失配引起的損耗，如考慮到天線輸入端的反射系數r,貝u天線總效率為：nA=(i|

6、2|)na(4)3增益系數(增益)增益系數簡稱增益，它的定義是：在同一距離及相同輸入功率的條件下，某一天線在最大輻射方向上的輻射功率密度Smax(或場強平方E2max)與無方向天線(理想點源)的輻射功率密度S0(或場強平方E20)之比，用G來表示：SmaxG一S0輸入功率相同Emax2輸入功率相同5)比較(2)、(3)、(4)式可見：GSmaX輸入功率相同叫maX|輸入功率相同SS006)即G=naD可見，增益系數是綜合衡量天線能量轉換效率和方向性的參數，它是方向性系數與天線效率的乘積。在實際應用中，天線增益系數與方向系數為重要的參量，盡管它們之間密切相關。對于微波面式天線，它們的轉換效率都很

7、高，na=1,因此G=D。分析證明，對于微波面式天線，它的增益系數與天線口徑大小有如下關系：G4nSe24nST2-ne式中：S為天線輻射口面的實際面積；(7)ne為口面利用系數，或稱口徑效率它主要是由口面上電磁場振幅分布和相位分布決定的。當口面分布均勻且同相時，ne=1，可獲得最大增益，由(7)式可見:Se=Sne(8)Se稱為天線口徑有效面積。對于無方向天線(理想點源)來說，G=D=1,它的有效面積為：Se=S（9）4n0增益系數一般用分貝來表示：GdB=101gG（dB）（10）4天線阻抗天線阻抗是指天線輸入端口向天線輻射口方向看過去的輸入阻抗，它取決于天線結構和工作頻率。只有天線的輸入

8、阻抗與饋線阻抗良好匹配時，天線的轉換效率才最高（參見4式），否則將在天線輸入端口上產生反射，在饋線上形成駐波，從而增加了傳輸損耗。大多數天線輸入阻抗的匹配是在工程設計中采用近似計算，然后通過實驗測量，修正來確定的。5天線極化天線極化是指天線最大輻射方向上的電場強度（E）矢量的取向。線極化是一種比較常用的極化方式，線極化又可分為“垂直極化和水平極化”，前者電場矢量與地面垂直，后者則與地面平行。6頻帶寬度天線所有的電參數都與工作頻率有關，任何天線的工作頻率都有一定服務。當工作頻率偏離中心工作偏離f0時，天線的電參數將變差。天線的頻帶寬度是指天線可以正常工作的頻率范圍，在這范圍內天線的方向性圖、增益

9、、阻抗等技術參數都在指標允許的范圍內變化。三、實驗用的天線角錐喇叭天線本實驗測量系統(tǒng)采用的是天線是一對角錐喇叭天線。這是一種廣泛使用的微波天線，它具有結構簡單，饋電方便，頻帶較寬，增益高等整體優(yōu)點，不僅在微波通信工程中大量用作反射面通信的饋源，且還用來作文對其它通信進行校正和測量的通用標準通信。喇叭天線是由逐漸張開的波導構成。如圖3所示。逐漸張開的過渡段既可以保證波導與空間的良好匹配，又可以獲得較大的口徑尺寸，以加強輻射的方向性。喇叭天線根據口徑的形狀可分為矩形喇叭天線和圓形喇叭天線等。圖3中圖（a）保持了矩形波導窄邊不變，逐漸展開寬邊而得到H面扇形喇叭；圖（b）保持矩形波導寬邊不變逐漸展開窄

10、邊而得到E面扇形喇叭；圖（c）就是我們實驗所采用的，寬邊和窄邊同時展開而成的角錐喇叭天線；圖（d）為圓波導逐漸展開形成的圓錐喇叭。圖（3）角錐喇叭天線的主要技術參數為：4na-b、G=0.51p一p九2TOC o 1-5 h z（20）=53oI（11）0.5EbfP（20）=8OoA0.5hap丿式中ap,bp為角錐喇叭天線輻射端口的尺寸。我們實驗選用的角錐喇叭天線的口徑（EXH）尺寸為150X115mm2，輸入端口為標準BJ-100波導，經上式計算得：工作頻率范圍：8.212.4GHz天線增益（9.37GHz）：約23dB3（200.50）E=14.70；（2。0.5）h=170（9.37

11、GHz）四、天線測量實驗系統(tǒng)的建立嚴格的微波天線測量是在不反射微波的微波暗室，或四周空曠的場地上進行。在實驗室條件下進行天線測量也需要有比較空暢的場地，測量系統(tǒng)的四周盡量多留有空間，在這空間里不能設置有反射，特別是金屬反射物體。下列介紹的是一組工作頻率為9.37GHz的天線實驗測量系統(tǒng)。1.系統(tǒng)連接圖4是工作頻率為9.37GHz，全部由波導（BJ-100）連接的天線測量實驗系統(tǒng)連接圖圖中：T、T2為喇叭天線，其性能上節(jié)已介紹，兩個天線E面垂直安裝（水平極化波）。YM1124信號源，單頻9.37GHz工作的信號發(fā)生器，輸出功率50mW,除提供連續(xù)波信號外還可以提供1kHz方波調制的信號，信號源輸

12、出端口為FD-100標準波導法蘭。亞美微波YAMEIMICROWAVE亞美微波YAMEIMICROWAVE- - BD-20可變衰減器，用作信號源輸出功率的控制、調節(jié)。BD-20定向耦合器，作為信號輸出的耦合采樣元件。在它耦合輸出端口連接功率計，用以監(jiān)視信號源輸送到天線端發(fā)射功率大小。該定向耦合器標稱耦合系數為17dB，在實際使用時最好事先對其耦合度進行測量定標，這樣能準確地監(jiān)視天線發(fā)送功率的量值。、為BD-20，900E面彎波導，為900扭波導，它們作用是過渡連接元件，把天線發(fā)射系統(tǒng)組合連接起來。GX2B小功率計（配N8傳感器）用以測量發(fā)送，接收功率電平量值。BD-20波導晶體檢波器。YM3

13、892選頻放大器，用它來替代功率計測量天線接收信號。它的優(yōu)點是靈敏度高測量動態(tài)范圍大，缺點是只能讀取相對值,不能直接讀到接收功率電平量值。天線支架用來固定角錐喇叭天線，支架高低能伸縮調節(jié)，并可上下、左右轉動。測試實驗系統(tǒng)的阻抗匹配情況通常連接后的測試系統(tǒng)需要進行系統(tǒng)阻抗匹配測量和調整，使系統(tǒng)中各元件保持阻抗連續(xù)（匹配），降低反射損耗，提高傳輸效率，保證測量精度。但在我們這個實驗系統(tǒng)中，所選用的各種波導元件，都是安標準設計，精密制造，連接系統(tǒng)總的駐波系數在1.2左右，損耗在0.2dB以下。兩個角錐天線也采用最佳尺寸設計制造的，所以系統(tǒng)只要連接可靠無需進行調整工作就能保證測量精度。測試實驗系統(tǒng)中兩

14、天線間距離及架設高度的選擇。在測試實驗系統(tǒng)中，天線架設的距離和高度選擇恰當與否將影響到測量參數的正確性。如兩天線間距越近，片發(fā)送天線發(fā)射的球與波的波振面（即等相位面，如圖5中虛線所示）在被測接收天線T2口徑上引起的相位差越大。)A-OC=Ba）養(yǎng)-OC7二BA7）。造成方向性和增益測量的數值失真越大。相反，天線間距離越大，-發(fā)送的電磁波在T2處越驅于平面波，測得的數值失真越小。這是由于近場區(qū)天線增益及方向圖與遠場區(qū)天線電參數理論不一致造成的。同樣，如圖6所示天線架設高度越接近地面，則發(fā)送天線片的主瓣（2。0）信號有可能由地面反射與天線間直射兩條途徑同時進入t2接收天線主瓣中，造成失真。若天線架

15、設高度由h1增高到h2,則地面反射波就進不了T2的主瓣。為此在進行天線參數測量實驗之前，必須對天線架設位置作合理的選擇。心牛&-曲二(12)2兀2d2+T+r2一r九k22丿minminJ九（1）兩天線架設最小間距Rmin如圖7所示，T1天線口徑上每一點元均輻射電磁波，則最大相差A必須從兩天線邊緣考慮起（即片天線從B邊起，T2天線從D邊起），其表示式如下：（i2?！?；DC2+BCBCk2丿(13)由于實驗所采用的天線d1jd2=d為角錐天線口面E邊的尺寸，則式（12）為:2+r2rminmin實驗證明不同類型的天線A可取適當值，使天線-發(fā)射的波振面到T2接收口徑平面上近似為平面波，且t2口徑面

16、上場接近于均勻分布時，對于兩個銳向天線，應取axn。代入心式得:d2+r2minrminrminr.min通常rmind，2VV1,利用二項定律關系式，當XVV1時,(14)示一+1代入（14）式得:1fd21+12Irminrmin、8d2r.三min九(15)另外當t2口徑面上的場為余弦分布時ax4，代入g式得:圖（7）在本實驗中，角錐天線口徑面上場為余弦分布，當工作頻率為9.37GHz，入=32mm，角錐天線E面展開邊長為150mm，代入（16）式得:4d2r.三=2810mm=2.81米（取3米）min九（2）天線架設高度如圖6所示，當高度hmin三九時，地面的反射波處于主瓣角零點邊界

17、范圍以外，進不了t2天線，具體推算如下：DP/OP=tan0，01DP/DO7=tanO02即h/OD=tanO，101h/JDO+1r)=tanOmin02或寫成1tanO01ODh11_r-ODmintanOh021兩式相加：1tanO011r+mintanOh021則：、r-tanO-tanOh-min01021tanO+tanO0102r-tanO-mia02-tanO1+02-tanO0117)式中901為發(fā)送T1天線的主瓣零點角，e02為地區(qū)反射波夾角。為了使T主瓣信號的地面反射波信號進不了T2接收天線的主瓣，則902角的臨界點應為t2天線的主瓣零點角。一般情況下，微波天線都有一定

18、方向性，特別對有較銳向性的角錐喇叭天線能滿足2%W彳，又若rmin取得足夠大使V扌，則根據叫二O0（弧度）式（17）可寫成：18)rOh三min02minO1+02O01假若天線口徑面上增強分布是均勻的，兩喇叭天線又相同，則天線的主瓣零點角2O26一，則式（18）可寫成:0102d、1九-r三minmin2d19)又若角錐喇叭天線口徑面上場為余弦分布，則20=代入（18）式得：0dh三-匕站（20）min4d本實驗中入=32mm,rmin=3000mm,d=150mm代入式（20）得：3九-r332x3000/的n匚、h三mi=480mm（取0.5m）min4d4150五、測量實驗1天線增益系

19、數測量（1）測量原理：在如圖（4）所示的測試相同中,T1、T2分別為發(fā)送和接收天線,假設它們的增益分別為G、G2,兩天線架設在同一軸線上，且距離rrmin，高度hhmin，系統(tǒng)匹配良好。則天線1發(fā)射的隔離P在天線T2處的隔離密度為：發(fā)TOC o 1-5 h zP-G/、W=_（21）4nn2又根據式（8）接收天線有效面積為：Se=土（22）4nG-G-九2這樣接收天線收到的功率為：P=W-Se=-計-P（23）收Snnb發(fā)根據式（23）假如，用一個已知增益的標準天線來作為接收天線，在已知工作頻率（入），和天線架設距離r的情況下，只要測量發(fā)送和接收功率的量值，就可以得到發(fā)送天線的增益系數。反之用

20、已知增益的發(fā)送天線就可以得到接收天線的增益系數。在通信工程中，這是一種最常用的天線增益測量方法。在我們實驗中，接收和發(fā)送是兩個相同的角錐喇叭天線，雖然它們的增益都未知，但由于G1=G2=GA，則代入（23）式得：4nn,PG=,-收（24）A入P1發(fā)我們只要用功率計分別測T1天線發(fā)送功率P獰和接收天線T2的最大接收功發(fā)率P，就可以得到待測天線的增益系數。收（2）測試方法a）如圖（4）連接好測試系統(tǒng)，兩天線的E面垂直于地面架設高度，為了便于操作取lm（0.5m）,且兩天線盡量保持同一軸線。測試系統(tǒng)四周要盡量多留空間。b）開啟YM1124信號源電源開關；信號調制為連續(xù)波輸出。這時信號源應由9.37

21、GHz微波功率信號輸送到發(fā)送天線Tl。c）開啟GX2B功率計電源，預熱3分鐘后進行儀器零點校正，然后接到發(fā)送部分定向耦合器的耦合輸出端口（耦合器的耦合系數C事先已經過校正）。測得功率為P,則P=PC為天線T的發(fā)送功率。t1d）調節(jié)發(fā)送端可變衰減器，調節(jié)衰減量，使Pt為一個盡些的適當數值，并于記錄。e）把GX2B功率計連到接收天線T2輸出口。f）調節(jié)接收天線上、下、左右位置，使在GX2B功率計上讀到功率指示最大值，為PS。g）把測得的發(fā)送功率Pt和接收功率PS代入式（24）進行計算，得到實驗中角錐喇叭天線的增益系數，并換算成dB值。2天線方向性圖測量（1）方法一a）保持測試增益時儀器設備的工作狀

22、態(tài)。b）固定接收天線垂直位置不變。c）進一步細調接收天線水平位置，測量最大的接收功率電平P0,并于記錄。d）左方向旋轉，以每12。為一間隔點，測量功率，直到測量值為零。把測量值記錄在表1中。e）接收天線回復到起的測量的中心位置，然后向右以120為一間隔點，同樣方法測量功率，記錄在表1中。f）以天線最大接收功率P0為基準，計算每測試點的電功率與P0的比值，記錄于表1中。這就是方向性圖的數值。g）接收特性回復到起點，向左轉到測量值為零后，繼續(xù)向左/向右，測得天線方向性圖副瓣電平和位置，記錄在表I中。h）把表1中方向性圖系數，標入圖（8）中，點與點之間圓滑連線即得到角錐喇叭天線水平方向（E面）方向性

23、圖。i）在圖（8）方向性圖中，找出曲線與坐標0.5之交關與坐標0連線即得到E面方向性圖（2。0.5）角度，同樣可畫上（2。）角度。j）接收天線回復到測量起始，最大接收位置，固定水平方向位置，用相同方法，變化垂直角度，測量垂直方向（H面）的方向性數據，并得到垂直方向性圖及（2。0.5）H，（2。0）H夾角。角度O副3副2副1-18-16-14-12-10-8-6-4-2024681012141618副1副2副3接攵功率mW/W方向，性圖系數1圖（8）圖（9）（2）方法二a）保持方法一連接的測試系統(tǒng)。b）卸下連接在接收天線上的GX2B功率計傳感器，換上波導晶體檢波器和YM3892選頻放大器。c）Y

24、M1124信號源：信號調制開關置1kHz方波調制輸出位置，這樣信號源輸出為1kHz方波調制的9.37GHz信號。d）調節(jié)YM3892選頻放大器的量程和接收頻率（1kHz）微調旋鈕，使指示值最大。e）調節(jié)波導晶體檢波器的調配螺釘和波導短路面旋鈕，使選頻放大器得到最大信號。f）調節(jié)發(fā)送部分波導可變衰減器，增加衰減量，使選頻放大器在最高量程（50dB）時，選頻放大器指針停留在表面中間某一刻度位置。g）上、下左右轉動接收天線，使天線停留在方向性最大位置并使選頻放大器指針保持表中間某一刻度（配合可變衰減器）。h）記下可變衰減器刻度讀數，通過可變衰減器的刻度一衰減對照表，得到這時衰減器的數值A0。i）保持接收天線垂直位置不變，進行天線水平方向性圖測量。j）每改變一角度，變動（減小）可變衰減器的衰減量，使選頻放大器的指針回到原來位置，讀得這時的衰減器的量值，Ai把它減去P0的衰減器初始值得：An=AiA0即為這角度點方向性。k）保持水平方向位置不變，進