北郵電磁場與電磁波測量實驗報告7

1、北京郵電大學(xué)電磁場與電磁波測量實驗實驗報告實驗內(nèi)容：微波天線方向圖測試實驗學(xué)院：電子工程學(xué)院班級：2010211203班學(xué)號：10210863姓名：張俊鵬2013年5月23日一、實驗?zāi)康奈⒉ㄌ炀€是微波通信設(shè)備中一個重要的組成部分，微波信息的質(zhì)量與天線性能密切相關(guān)。通常，微波天線都為面式天線，驗證這類天線的性能，首先是通過測量來實現(xiàn)的。本次實驗的主要目的就是研究天線發(fā)射微波信號后接受的狀況，并通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀來分析接受電磁波的特點，給出矢量分析圖形，直觀的得到各方向的長槍分布特點，從而進(jìn)一步研究微波天線的通信狀況。二、微波天線的主要技術(shù)參數(shù)1.方向性（1）方向性圖天線的基本功能是將饋線傳輸?shù)碾?/p>

2、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(nèi)方向性圖來描述。如下圖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

3、向性圖有多個葉瓣，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(guān)心的。l 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20.5來表示，如圖2所示。圖2 方向性圖主瓣副瓣示意l 方向性圖主瓣零點角如圖2所示，方向性圖零點角是指主瓣兩側(cè)零輻射方向之間夾角，用20來表示。l 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： （1） 一般希望副瓣電平越低（即負(fù)值越大）越好。（2）方向性系數(shù)

4、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(jìn)了方向性系數(shù)這一概念。方向性系數(shù)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（或場強平方E20）之比，用D來表示： （2）可見，方向性越尖銳的天線D越大，相反則D越小，若D1，則表示為無方向性天線，是一個理想點源輻射場。2.天線效率一般來說構(gòu)成天線的導(dǎo)體和絕緣介質(zhì)都有一定的能量損耗，輸入天線的功率不可能全部轉(zhuǎn)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：aPr/

5、Pi （3）通常微波天線的效率都很高，a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(shù)，則天線總效率為：A（12）a （4）3.增益系數(shù)（增益）增益系數(shù)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： （5）比較（2）、（3）、（4）式可見：即 GaD （6）可見，增益系數(shù)是綜合衡量天線能量轉(zhuǎn)換效率和方向性的參數(shù)，它是方向性系數(shù)與天線效率的乘積。在實際應(yīng)用中，天線

6、增益系數(shù)與方向系數(shù)為重要的參量，盡管它們之間密切相關(guān)。對于微波面式天線，它們的轉(zhuǎn)換效率都很高，a1，因此GD。分析證明，對于微波面式天線，它的增益系數(shù)與天線口徑大小有如下關(guān)系： （7）式中：S為天線輻射口面的實際面積；e為口面利用系數(shù)，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(dāng)口面分布均勻且同相時，e1，可獲得最大增益，由（7）式可見：SeSe （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，GD1，它的有效面積為： （9）增益系數(shù)一般用分貝表示：GdB10lgG（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

7、于天線結(jié)構(gòu)和工作頻率。只有天線的輸入阻抗與饋線阻抗良好匹配時，天線的轉(zhuǎn)換效率才最高（參見4式），否則將在天線輸入端口上產(chǎn)生反射，在饋線上形成駐波，從而增加了傳輸損耗。大多數(shù)天線輸入阻抗的匹配是在工程設(shè)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。由于電場與磁場有恒定的關(guān)系，故一般都以電場矢量的空間指向作為天線輻射電磁波的極化方向。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(shù)都與工作頻率有關(guān)，任何天線的工作頻率都有一定服務(wù)。當(dāng)工

8、作頻率偏離中心工作偏離f0時，天線的電參數(shù)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(nèi)天線的方向性圖、增益、阻抗等技術(shù)參數(shù)都在指標(biāo)允許的范圍內(nèi)變化。三、實驗儀器1.矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀網(wǎng)絡(luò)分析儀有標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀之分。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀只能測量網(wǎng)絡(luò)的幅頻特性，而矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可同時測量被測網(wǎng)絡(luò)的幅度信息和相位信息。通過測量被測網(wǎng)絡(luò)（被測件）對頻率掃描和功率掃描測試信號的幅度與相位的影響，來表征被測網(wǎng)絡(luò)的特性。因此，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是功能強大的一種網(wǎng)絡(luò)分析儀，是微波電路設(shè)計和測試工程師必不可少的測量儀器。主要用于測量放大器、天線、微波元器件(電纜、濾波器、分路器、開關(guān)、接插

9、件)參數(shù)的測試驗證。圖3 網(wǎng)絡(luò)分析儀的4個主要部分雖然不同的網(wǎng)絡(luò)分析儀在設(shè)計細(xì)節(jié)方面有所差別，但所有的網(wǎng)絡(luò)分析儀都包含4個基本部分，如上圖3所示。l 提供入射信號的信號源。l 信號分離器分離入射、反射和傳輸信號。l 接收機把高頻信號轉(zhuǎn)換為較低頻率(中頻)的信號。l 處理和顯示系統(tǒng)對較低頻率的信號進(jìn)行處理，并顯示經(jīng)檢測和導(dǎo)出的信息。（1）信號源為激勵被測器件，信號源必須在整個感興趣的頻率范圍內(nèi)提供入射波。被測器件通過傳輸和反射對激勵波做出響應(yīng)。被測器件的頻率響應(yīng)通過信號源掃頻確定。測量結(jié)果受到多種信號源參數(shù)的影響，包括頻率范圍、功率范圍、頻率穩(wěn)定度和信號純度等。在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中廣泛采用合成掃頻

10、信號源。（2）信號分離網(wǎng)絡(luò)分析儀的下一項任務(wù)是分離入射、反射和傳輸信號，從而測量它們各自的幅度和相位。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀均采用定向耦合器方法分離信號。用做信號分離功能的硬件通常稱為“測試裝置”。測試裝置可能是單獨的盒子，或者集成在網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部。（3）接收機網(wǎng)絡(luò)分析儀的接收機把RF或微波能量轉(zhuǎn)換為較低的IF信號，從而簡化了精確的檢測任務(wù)。標(biāo)量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用寬帶的晶體檢波技術(shù)，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用窄帶的鎖相接收機技術(shù)。采用調(diào)諧接收機能提供最好的靈敏度和動態(tài)范圍，還能抑制諧波和寄生信號。窄帶中頻濾波器產(chǎn)生相當(dāng)?shù)偷谋镜自肼?，結(jié)果顯著地改善了靈敏度。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的接收機的最小等效帶寬達(dá)10Hz。（4）處理

11、和顯示系統(tǒng)一旦檢測到RF或微波能量，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀必須處理和顯示各種測量。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種多通道儀器，至少有一個通道作為基準(zhǔn)通道，一個通道作為測試通道。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的顯示功能強大靈活，如多種標(biāo)記功能、極限線功能，為測試帶來很大便利。2.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(jié)構(gòu)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(jìn)行校正和測量的通用標(biāo)準(zhǔn)通信。喇叭天線是由逐漸張開的波導(dǎo)構(gòu)成。如圖4所示。逐漸張開的過渡段既可以保證波導(dǎo)與空間的良好匹配，又可以獲得較大的口徑尺寸，以

12、加強輻射的方向性。喇叭天線根據(jù)口徑的形狀可分為矩形喇叭天線和圓形喇叭天線等。圖4中圖（a）保持了矩形波導(dǎo)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(dǎo)寬邊不變逐漸展開窄邊而得到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(dǎo)逐漸展開形成的圓錐喇叭。 (a)(b)(c)(d)圖4 四種不同的喇叭天線角錐喇叭天線的主要技術(shù)參數(shù)為： （11）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（E×H）尺寸為150×115mm2，輸入端口為標(biāo)準(zhǔn)BJ-100波導(dǎo)，經(jīng)上式計算得：l 工作頻率范圍

13、：8.212.4GHzl 天線增益（9.37GHz）：約23dBl （20.50）E14.70；（20.5）H170（9.37GHz）四、測量方法及測量步驟本實驗的測量的方法有兩種：1.固定天線法：被測天線不動以它為圓心在等圓周上測得場強的方式。2.旋轉(zhuǎn)天線法：標(biāo)準(zhǔn)天線不動為發(fā)射天線，而待測天線為接收天線，而自身自旋一周所測的方向圖。演示實驗采用的是旋轉(zhuǎn)天線的方法。測量步驟：旋轉(zhuǎn)天線法: 可動天線每改變一個角度（大約2°）記錄下來一個數(shù)值（檢波器或小功率計指示），改變一周即得到360度范圍內(nèi)的方向圖。五、測量結(jié)果及分析1.基本信息 測試日期：2013-05-18 14:50測試標(biāo)準(zhǔn)：

14、GB003測試內(nèi)容：微波天線方向圖測試旁瓣寬度：-3.0db : 35.07-6.0db : 52.04-10.0db : 68.05-15.0db : 222.022.實驗數(shù)據(jù)表格 實驗中的方向測試數(shù)據(jù)記錄如下表1所示。角度0.000.001.803.975.967.969.9811.9313.9215.93幅度-27.25-27.25-27.22-27.34-27.55-27.83-28.18-28.61-29.11-29.63角度17.9519.9021.9323.9425.9127.9129.9231.9133.9335.94幅度-30.37-31.12-32.00-32.92-33.

15、96-35.11-36.29-37.63-38.94-40.14角度37.9339.9041.9043.9045.9247.9349.9351.8953.9155.93幅度-41.42-42.56-43.94-45.63-47.17-48.93-50.27-51.45-51.82-51.46角度57.9659.9461.9363.8865.9267.8869.8971.8573.8975.91幅度-51.21-50.92-51.27-51.89-53.28-55.07-56.36-56.18-54.94-52.65角度77.9779.9581.9083.9385.9087.9589.8991.

16、8993.9195.90幅度-51.25-50.47-49.54-49.49-49.40-49.40-49.41-49.79-49.88-50.82角度97.9299.94101.91103.90105.91107.86109.90111.92113.88115.93幅度-51.87-53.94-56.08-58.65-58.52-56.53-55.66-54.47-54.45-55.01角度117.90119.90121.91123.92125.93127.93129.93131.89133.89135.89幅度-56.44-58.45-61.23-68.72-77.85-66.89-59.

17、27-55.36-52.15-49.73角度137.91139.91141.93143.94145.93147.94149.90151.89153.90155.91幅度-47.85-46.43-45.53-44.92-44.67-44.37-44.66-45.09-45.79-46.21角度157.91159.89161.88163.92165.88167.95169.93171.92173.88175.88幅度-46.47-46.45-45.77-45.05-44.06-43.36-42.66-42.11-41.86-41.81角度177.88179.88181.90183.91185.93

18、187.90189.94191.93193.87195.92幅度-41.69-41.72-41.97-42.19-42.47-42.80-43.19-43.62-43.95-44.41角度197.93199.93201.89203.93205.96207.93209.92211.91213.88215.88幅度-45.04-45.63-46.04-46.64-47.38-47.75-47.63-47.46-47.02-46.63角度217.91219.93221.91223.90225.95227.93229.89231.89233.90235.91幅度-46.02-45.73-45.84-4

19、5.98-46.62-47.72-48.63-50.18-51.53-53.13角度237.88239.94241.93243.94245.91247.87249.90251.89253.88255.90幅度-54.37-54.60-53.57-53.09-52.19-51.92-52.24-52.46-53.45-54.34角度257.94259.88261.90263.89265.88267.89269.90271.89273.88275.90幅度-55.93-56.81-57.46-57.97-59.51-60.73-60.98-60.06-58.27-56.60角度277.91279.

20、89281.88283.92285.92287.92289.91291.87293.96295.92幅度-55.02-53.53-52.05-51.31-49.76-49.16-48.37-48.03-48.14-48.94角度297.90299.89301.89303.86305.91307.90309.91311.88313.87315.87幅度-50.44-52.63-56.43-62.42-57.24-51.44-47.06-44.59-42.82-41.51角度317.89319.86321.87323.87325.85327.91329.89331.88333.89335.89幅度

21、-40.29-39.19-38.21-37.26-36.27-35.34-34.47-33.65-32.96-32.16角度337.90339.88341.87343.91345.92347.95349.90351.86353.91355.87幅度-31.55-30.95-30.35-29.82-29.28-28.86-28.39-28.09-27.81-27.58角度357.88359.87幅度-27.42-27.33表1 微波天線測量數(shù)據(jù)表 從表中數(shù)據(jù)可以看到，天線幾乎每轉(zhuǎn)動2度測量一個數(shù)據(jù)，根據(jù)這一組數(shù)據(jù)繪制方向圖，剛好形成一個圓圖樣式。3.方向圖矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀根據(jù)所測得的數(shù)據(jù)繪制成了如下頁圖5所示的方向圖，該圖更為直觀的反映了接收天線一周的磁場強度變化情況，可以看出在靠近0度附近所受到的干擾較小，而靠近180度附近所受干擾較大