實驗1對稱振子和無源振子方向圖測量

實驗2對稱振子輸入阻抗測量

實驗3喇叭天線增益測量

實驗4天線極化測量

實驗5拋物面天線實驗第5章天線測量一、實驗?zāi)康?/p>

(1)研究對稱振子的長度和方向圖的關(guān)系。

(2)研究無源振子對方向圖的影響。

(3)初步掌握天線方向圖的測量方法。

(4)初步掌握用半波振子方向圖校準晶體曲線的方法。實驗1對稱振子和無源振子方向圖測量二、實驗原理

(1)對稱振子E面方向圖函數(shù)表達式為

(5.1.1)

l和θ的定義如圖5.1.1所示。當振子全長2l≤λ時，E面方向圖是8字形，且隨l/λ的增加而加強。當2l≥λ時，由于振子上出現(xiàn)了反相電流，從而使方向圖呈多瓣性。當2l=2λ時，主瓣完全消失。圖5.1.1對稱振子示意圖

(2)用半波振子方向圖校準晶體曲線。接收天線上感應(yīng)的高頻電壓是通過晶體檢波后的直流電流來指示的。一般

來說，高頻電壓與直流電流不是線性關(guān)系。為了準確地測出天線方向圖必須做出晶體檢波曲線，現(xiàn)采用半波振子方向圖測量檢波特性。

已知半波振子方向圖函數(shù)為

(5.1.2)我們可以算出不同θ角時相對電壓u，其值如下:

(3)無源振子對方向圖的影響。在半波振子附近平行放置一直導(dǎo)線，則其上將有感應(yīng)電流，這根導(dǎo)線變成新的輻射源，稱為無源振子，它與有源振子構(gòu)成一個二元陣。當無源振子近似半波振子時，這個二元陣E面方向圖函數(shù)為

(5.1.3)

其結(jié)構(gòu)示意圖如圖5.1.2。圖5.1.2二元陣結(jié)構(gòu)示意圖無源振子“2”與有源振子“1”的電流比為

(5.1.4)

其中：

(5.1.5)

(5.1.6)在d一定的條件下(d通常取為0.1λ~0.4λ),相互輻射阻抗R21和X21隨有源振子長度2l1/λ和無源振子長度2l2/λ緩慢變化；而無源振子的自阻抗R22和X22(特別是X22)隨2l2/λ的變化則很靈敏。改變無源振子的長度2l2/λ，就可以改變m和β的大小，從而改變二元陣的方向圖。具體來說，在上述d的范圍(0.1λ~0.4λ)內(nèi)，由于R21>0，

X21<0，因而從式(5.1.6)可以看出：

①2l2大于、等于甚至稍小于λa/2時(這時X22≥0或略小于零),0°<β<180°,無源振子起反射作用。

②當2l2小于λa/2較多時(這時X22<0),180°<β<270°，無源振子起引向作用。

(4)前后輻射比。當間距d=0.25λ，改變無源振子l2長度時，前后輻射比可由式5.1.3得出：

(5.1.7)

注意：無論是引向器或反射器，我們都規(guī)定無源振子方向(即θ=0°方向)為“前”，有源振子方向(θ=180°方向)為“后”，故Q>1時為引向，而Q<1時為反射。

(5)多元八木天線分析原理同上，不過計算很繁瑣，其半功率波瓣寬度BW近似等于

(5.1.8)三、實驗設(shè)備

測量方向圖所需的基本設(shè)備可分為發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩大部分。發(fā)射系統(tǒng)由一大功率、λ=1.2m的發(fā)射機和發(fā)射天線組成；接收系統(tǒng)一般由接收天線，檢波裝置和指示器組成，本實驗的被測天線作為接收天線。實驗所用設(shè)備方框圖如圖5.1.3所示。圖5.1.3實驗設(shè)備框圖四、實驗內(nèi)容

(1)選擇測試距離(R>5λ)。

(2)測量半波振子方向圖。測量振子長度2l為λ/2、λ、3/2λ的對稱振子的E面方向圖。測量時應(yīng)找準最大方向，否則測量結(jié)果的誤差很大。先粗略找出最大方向，根據(jù)方向圖對稱性，左右旋轉(zhuǎn)被測天線的角度直到與最大方向的度數(shù)相等，此方向之分角線即為最大方向，最大方向的測量至少應(yīng)校驗兩次。從最大方向為0°開始，每隔10°測量一點。

(3)測量2l1=λ0/2，2l2=0.4λ0，2l2=0.6λ0，d=0.2λ0時的E面方向圖(λ0=0.96λ)。

(4)測量2l1=λ0/2，d=0.25λ0，2l2/λ0=0.34,0.36,0.38,0.40,…,0.56時的前后輻射比。注意前后方向不要搞錯。

(5)調(diào)整三元八木天線，使其主瓣寬度2θ0.5<70°，并測出E面方向圖。五、實驗結(jié)果

1.數(shù)據(jù)處理

(1)繪出晶體校準曲線。

(2)給出對稱振子方向圖。

(3)繪出二元陣中作引向器和反射器方向圖。

(4)繪出Q-l2的實驗曲線。

(5)繪出三元八木方向圖。

(6)對比理論與測試結(jié)果，分析誤差原因。

(7)解釋前后輻射比變化規(guī)律。

2.思考

(1)根據(jù)對稱振子方向圖的變化規(guī)律，判斷何時出現(xiàn)副瓣？

(2)無源振子在二元陣中，為什么能起到引向器、反射器的作用。Q=1時，l2的尺寸是多少？

(3)八木天線的優(yōu)缺點是什么？一、實驗?zāi)康?/p>

(1)基本掌握用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來測量天線阻抗基本方法。

(2)學(xué)會使用安捷倫(Agilent)8714ET矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來測量微帶天線阻抗。實驗2對稱振子輸入阻抗測量二、實驗原理

天線輸入阻抗是天線饋電點處的輸入電壓與輸入電流之比。

如果傳輸線的一端是發(fā)射機,另一端是發(fā)射天線,這時發(fā)射天線就是傳輸線的負載。而這個負載的阻抗值ZL就是天線的輸入阻抗Zin,它等于天線饋電點輸入電壓Uin與饋電點輸入電流Iin

的比值,即為了消除傳輸線上的反射波,必須使天線與發(fā)射機實現(xiàn)匹配。而當工作頻率f發(fā)生變化時,天線的輸入阻抗Zin往往也隨之發(fā)生變化。因此,只有了解天線的輸入阻抗隨頻率的變化規(guī)律,才能使天線與傳輸線良好地匹配。輸入阻抗Zin的實部Rin稱為輸入電阻,而虛部Xin則稱為輸入電抗,它們之間滿足:Zin=Rin+jXin。一般來說,決定天線輸入阻抗的因素有三點:

(1)天線本身的結(jié)構(gòu)形式和幾何尺寸;

(2)天線的工作頻率;

(3)天線周圍的環(huán)境。

這三個因素中的任何一個發(fā)生變化,天線的輸入阻抗也會隨之發(fā)生變化。三、實驗設(shè)備

(1)安捷倫8714ET矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀如圖5.2.1所示。

(2)微帶天線。圖5.2.1安捷倫8714ET矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀四、實驗內(nèi)容

(1)打開安捷倫8714ET矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的電源開關(guān),設(shè)定測試頻率、輸出功率、平均因子等參數(shù),完成測試前準備工作。

(2)使網(wǎng)絡(luò)分析儀處于測量反射波的工作狀態(tài)。

(3)在被測參考面上進行網(wǎng)絡(luò)分析儀的定標(用標準件進行短路、匹配、開路的校準)。

(4)將被測天線接在被測參考面上進行天線輸入阻抗的測量。

(5)用3.5寸軟盤儲存測試結(jié)果。

(6)完成兩個微帶天線阻抗的測量工作。實驗時應(yīng)注意：

(1)被測參考面的正確選擇。

(2)網(wǎng)絡(luò)分析儀的正確使用。

(3)在測試時,注意測試者與被測天線的相對位置,以免影響測試精度。五、實驗結(jié)果

1.數(shù)據(jù)處理

用3.5寸軟盤上儲存的測試數(shù)據(jù)進行天線輸入阻抗的數(shù)據(jù)處理,并得出天線阻抗的正確結(jié)果。

2.思考

(1)應(yīng)用Smith圓圖可不可以測量出天線的輸入阻抗?

(2)利用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量阻抗有何優(yōu)點?

(3)利用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量天線的輸入阻抗會產(chǎn)生哪些誤差?

(4)決定天線輸入阻抗的因素有哪些?一、實驗?zāi)康?/p>

(1)學(xué)會用比較法和相同天線法測量喇叭天線增益的方法。

(2)了解計算角錐喇叭天線增益的方法。實驗3喇叭天線增益測量二、實驗原理

根據(jù)收發(fā)天線在自由空間的最大功率傳輸公式(假定極化匹配，無失配損耗):

(5.3.1)

由此得出：

(5.3.2)

1.相同天線法

假定兩天線完全相同，即Gt=Gr=Gx，則

(5.3.3)

可見，由測得的λ、R和功率比Pr/P0，就不難根據(jù)式5.3.3求出待測天線的增益。

實際應(yīng)用中，一般用dB表示待測天線的增益。此時，式(5.3.3)變成：

(5.3.4)

2.比較法

在實際應(yīng)用中，大多采用比較法來測量待測天線的增益。

根據(jù)互易原理，待測天線可作為發(fā)射使用，也可作接收使用。把待測和標準增益天線作為發(fā)射使用，在接收點的測量電表指示相同的情況下，則待測天線的增益不難由5.3.1式導(dǎo)出，其計算公式為

或(5.3.5)

3.用測量線測量功率比

在沒有功率計、衰減器，且天線與饋線不匹配的情況下，可用測量線測出功率比。已知：

(5.3.6)

將式(5.3.6)代入式(5.3.5)得

(5.3.7)三、實驗設(shè)備

1.相同天線法

圖5.3.1是用衰減器法測量天線增益的示意圖。圖5.3.1用衰減器法測量天線增益的示意圖圖5.3.2是用功率計法測量天線增益的示意圖。圖5.3.2用功率計法測量天線增益的示意圖

2.比較法

圖5.3.3是用精密衰減器或功率計測量功率比的示意圖。圖5.3.3用精密衰減器或功率計測量功率比的示意圖

3.用測量線測量功率比

圖5.3.4是用測量線測量功率比的示意圖。圖5.3.4用測量線測量功率比的示意圖四、實驗內(nèi)容

(1)根據(jù)喇叭的口面尺寸、工作頻率確定最小測試距離。

(2)根據(jù)所用儀器、儀表和所用方法按圖5.3.1~5.3.4接好線路。

(3)對準收發(fā)天線最大輻射方向，檢驗是否存在地面反射。

(4)調(diào)整信號源的頻率度盤(或速調(diào)管的諧振盤)，使信號源頻率為9375MHz(λ=32mm)。因為標準喇叭增益的設(shè)計頻率為9375MHz，這樣便于把實測值(經(jīng)過修正)與理論值進行比較。

(5)在用兩相同天線法測量天線增益時，需要用波長計測出波長(亦可用測量線測出波導(dǎo)波長λg，再按

導(dǎo)出λ)；用皮尺量出收發(fā)天線之間的距離R；用功率計或精密可變衰減器測出P0(LdB0)和Pr(LdBr)(必須保持接收點指示相同)。

測量Pr(LdBr)時，把精密衰減器，檢波器接于接收天線的B—B0處，記錄Pr

或Ar，由校準曲線求出LdBr。測量P0(LdB0)時，要把發(fā)射喇叭取下，把檢波器、精密可變衰減器或功率計搬到發(fā)射端，接于A—A0處(用功率計測量P0前，必須把量程置于大量程擋，以防功率過大而燒壞功率計)。

記錄P0

或A0，由校準曲線求出LdB0，把測得的λ，R，P0，Pr代入式(5.3.3)，就可以求出Gx?；虬薛?，R，L0，Lr代入式(5.3.4)，亦可求出gx。

為消除隨機誤差，應(yīng)測量2~3次，求出平均值。

(6)在用比較法測量天線增益時，依次接上標準天線和待測天線，調(diào)節(jié)精密可變衰減器，使得在兩種情況下接收點的電表指示相同，則衰減器之差就是(As－Ax)dB。

用此法測量天線增益時，在接入待測天線和標準天線過程中，必須確保以下兩種情況下Rmin值不變。

·在用功率計測量Ps0，Px0時，需要調(diào)整信號輸出，使接收電平相同，然后拆下標準天線和待測天線，再依次接入功率計測出Ps0，Px0。

·在信號源輸出信號不好調(diào)節(jié)的情況下，最好把待測天線和標準天線做接收使用，依次把待測天線和標準天線與功率計相接，測出Psr，Pxr。

(7)在沒有功率計、精密可變衰減器，且喇叭不匹配時可以用測量線測出功率比，這時待測天線和標準天線只能做發(fā)射使用，在保持接收點電表指示相同的條件下，由測量線分別測出行波系數(shù)和波腹電壓即可。為提高測量精度，最好對測量線的晶體進行校準。

(8)用比較法測量待測天線增益時，拆裝標準天線和待測天線，除了保證Rmin值不變外，還必須保證其始終對準最大輻射方向。五、實驗結(jié)果

1.實驗數(shù)據(jù)

寫出實驗條件：最小測試距離和架設(shè)高度等。

相同天線法：

比較法：

2.結(jié)果分析

結(jié)合測試條件、喇叭增益的理論值，對測量結(jié)果進行誤差分析。

3.思考

(1)計算標準喇叭天線的理論增益值。

已知標準喇叭天線的尺寸如下：

Ⅰ號喇叭口面尺寸：A×B=238mm×176.3mm;

喇叭軸向距離：H=463mm；

波導(dǎo)尺寸：a×b=22.86mm×10.16mm；

Ⅱ號喇叭尺寸：A×B=238mm×176.3mm；

波導(dǎo)尺寸：a×b=22.86mm×10.16mm；

喇叭軸向距離：H=290mm。

(2)了解存在電失配誤差時喇叭測試距離存在哪些誤差，如何對這些誤差進行修正。

(3)復(fù)習(xí)最小測試距離的相關(guān)內(nèi)容。一、實驗?zāi)康?/p>

(1)熟悉圓極化喇叭天線的工作原理，學(xué)會調(diào)整圓極化的方法。

(2)掌握用圓極化圖法測量圓極化天線參數(shù)，并學(xué)會判定圓極化的旋向。

(3)研究圓極化喇叭空間各方向上的極化特性。

(4)研究圓極化喇叭的極化頻帶特性。實驗4天線極化測量二、實驗原理

(1)圓極化喇叭的工作原理如圖5.4.1所示。圖5.4.1圓極化喇叭

(2)橢圓極化特性由三個參數(shù)決定：

旋轉(zhuǎn)方向——旋轉(zhuǎn)方向與傳播方向符合“右手定則”，稱為右旋極化，反之為左旋。發(fā)射右旋圓極化波的天線只接收右旋圓極化波而不接收左旋圓極化波。

軸比——橢圓長軸與短軸之比，用e表示。

傾角——橢圓長軸與球坐標系中單位矢量θ的夾角，用β表示。

e和β通常是方向角(θ,φ)的函數(shù)，由e=e(θ,φ)，β=β(θ,φ)所描繪的空間圖形稱極化方向圖。

(3)所謂極化圖法，是指用線極化輔助天線來測量e和β的方法，而用其他手段判定極化旋向。測量時被測天線所選取的坐標如圖5.4.2所示，測量裝置如圖5.4.3所示，其主要測量裝置與測量方向圖的設(shè)備相同，只是附加了能使線極化輔助天線以來波方向為軸而轉(zhuǎn)動的裝置。圖5.4.2極化圖法圖5.4.3極化圖法測量裝置將被測天線輻射方向?qū)瘦o助天線，轉(zhuǎn)動輔助天線，記下與各角度對應(yīng)的電壓值，并畫于極坐標圖上，即得被測天線某一方向的極化圖，一般為啞鈴曲線，如圖5.4.4所示。圖5.4.4極化圖啞鈴形曲線表示式，即輔助天線在各角度接收的電壓為

E=(Emaxcosφ)2+(Eminsinφ)2

因為啞鈴形曲線的極大值、極小值與極化橢圓長軸、短軸重合，因此由測得的啞鈴形最大值和最小值，就可以得出軸比e和β

三、實驗設(shè)備

圓極化喇叭天線實驗設(shè)備如圖5.4.5。1—3公分波段信號源；2—波導(dǎo)—同軸轉(zhuǎn)換接頭；3—帶L16接頭的電纜SYV－50－5；4—波導(dǎo)檢波器(附輸出電纜)；5—微安電表；6—轉(zhuǎn)架；7—圓極化喇叭(含介質(zhì)片)；8—喇叭支架；9—線極化喇叭及轉(zhuǎn)臺；10—左旋、右旋螺旋天線(帶檢波器)圖5.4.5圓極化喇叭天線實驗設(shè)備四、實驗內(nèi)容

(1)按圖5.4.5檢查線路，選定收發(fā)之間距離和工作頻率(約為9400MHz)。

(2)測量圓極化喇叭天線軸向極化圖。共測三種情況極化圖：①去掉介質(zhì)片;②介質(zhì)片距窄邊a/3處(a：寬邊尺寸);③介質(zhì)片距窄邊a/2處，旋轉(zhuǎn)輔助天線每10°測一個值。

(3)測量軸比和極化旋轉(zhuǎn)方向。

①調(diào)整介質(zhì)片的位置，使軸比小于1dB。

②由相移介質(zhì)片的位置判斷極化旋轉(zhuǎn)方向。③由左旋、右旋螺旋天線來測量圓極化喇叭的極化旋轉(zhuǎn)方向。

(4)將被測天線在方位面內(nèi)旋轉(zhuǎn)0°、±5°、±10°、±15°、±20°時，測出極化圖。

(5)將信號源頻率變?yōu)?500MHz及10500MHz時，重復(fù)步驟(４)的內(nèi)容。五、實驗結(jié)果

(1)列出數(shù)據(jù)表，繪出全部曲線，求出e、β并討論誤差的來源。

(2)由實驗結(jié)果(極化圖)討論介質(zhì)片的作用。

(3)討論極化的旋向。

(4)利用所作的極化圖，作出晶體校準曲線。一、實驗?zāi)康?/p>

(1)了解天線的結(jié)構(gòu)及其幾何參數(shù)。

(2)研究拋物面天線方向圖特性,熟悉對其方向圖的測量方法。

(3)了解當照射饋源偏焦時,對方向圖的影響。

(4)掌握近場聚焦法測量。實驗5拋物面天線實驗二、實驗原理

(1)拋物面天線的工作原理如圖5.5.1所示。

根據(jù)圖5.5.1所示拋物面的幾何關(guān)系，可知拋物面的方程式為

y2=2fx

(5.5.1)

圖5.5.1拋物面天線測量出口徑D及h，即可求出:

(5.5.2)

該拋物面在極坐標系中的方程為

(5.5.3)

(2)照射器方向圖。帶反射盤的半波振子照射器如圖5.5.2所示。照射器的方向圖函數(shù)可表示為

H面：

E面：

(5.5.4)照射器方向函數(shù)可以用cosnφ表示，與實際結(jié)果無較大誤差。對于反射盤的半波振子照射器，n=2，即

Fφ=cos2φ(－90°≤φ≤90°)

(5.5.5)圖5.5.2帶反射盤的半波振子反射器

(3)次級方向圖。若電流振幅在拋物面整個表面上的分布是均勻的，則方向函數(shù)為

(5.5.6)這時主瓣寬度可按下式計算：

(5.5.7)

實際上，帶反射盤的半波振子照射并不是均勻的，因而會導(dǎo)致主瓣變寬，可近似為

(弧度)

(弧度)(5.5.8)

(4)縱向偏焦。

當縱向偏焦時，引起口面相位差，如圖5.5.3和圖5.5.4所示，從而使主方向圖變寬，主副瓣之間零點模糊。通常根據(jù)主副瓣之間出現(xiàn)明顯的零點現(xiàn)象，調(diào)整饋源到正焦。圖5.5.3輻射器近軸線移動對方向圖的影響圖5.5.4輻射器遠軸線移動對方向圖的影響

(5)近場聚焦。由于正焦拋物面天線在近場區(qū)測量，在口面出現(xiàn)凸形平方相差。如圖5.5.4所示，照射器遠離焦點近場聚焦時，在口面出現(xiàn)凹形ΔFcosφ相差。兩種相差趨于相互抵消。因此可用近場聚焦法，在近區(qū)得類似遠區(qū)方向圖，如圖5.5.5所示。圖5.5.5近區(qū)聚焦與偏焦Δ之幾何關(guān)系圖近場聚焦距離r與偏焦ΔF之間的關(guān)系，可由圖5.5.5求出。

反射線聚焦于P點的必要條件是：從F′到A點的距離加上A點到P點的距離應(yīng)等于F′到O點的距離與O點到P點的距離之和,即

ΔF+f+OO′+r=AF′+AP

(5.5.9)

由拋物線特性知：

f+OO′=AF

(5.5.10)

(5.5.11)由式(5.5.9)、式(5.5.10)和式(5.5.11)可得：

(5.5.12)取

(5.5.13)并消去式(5.5.12)中的根號后得：