天線方向圖測量

1、電磁場與電磁波實驗報告實驗內(nèi)容：天線方向圖的測量學院：電子工程學院班級：2010211207姓名：林銘雯學號：10210880（21）一、實驗目的1了解天線的基本工作原理。2繪制并理解天線方向圖。3根據(jù)方向圖研究天線的輻射特性。4、通過對不同材質(zhì)的天線的方向圖的研究，探究其中的練習與規(guī)律。二、實驗原理1、天線的原理圖1 傳輸線演變?yōu)樘炀€天線的作用首先在于輻射和接收無線電波，但是能輻射或接收電磁波的東西不一定都能用來作為天線。任何高頻電路，只要不被完全屏蔽，都可以向周圍空間或多或少地輻射電磁波，或從周圍空間或多或少地接收電磁波。但是任意一個高頻電路并不一定能用作天線，因為它的輻射或接收效率可能很

2、低。要能夠有效地輻射或者接收電磁波，天線在結(jié)構和形式上必須滿足一定的要求。圖B1-1給出由高頻開路平行雙導線傳輸線演變?yōu)樘炀€的過程。開始時，平行雙導線傳輸線之間的電場呈現(xiàn)駐波分布，如圖B3-1a。在兩根互相平行的導線上，電流方向相反，線間距離又遠遠小于波長，它們所激發(fā)的電磁場在兩線外部的大部分空間由于相位相反而互相抵消。如果將兩線末端逐漸張開，如圖B3-1b所示，那么在某些方向上，兩導線產(chǎn)生的電磁場就不能抵消，輻射將會逐漸增強。當兩線完全張開時，如圖B3-1c所示，張開的兩臂上電流方向相同，它們在周圍空間激發(fā)的電磁場只在一定方向由于相位關系而互相抵消，在大部分方向則互相疊加，使輻射顯著增強。這

3、樣的結(jié)構被稱為開放式結(jié)構。由末端開路的平行雙導線傳輸線張開而成的天線，就是通常的對稱振子天線，是最簡單的一種天線。天線輻射的是無線電波，接收的也是無線電波，然而發(fā)射機通過饋線送入天線的并不是無線電波，接收天線也不能把無線電波直接經(jīng)饋線送入接收機，其中必須進行能量的轉(zhuǎn)換。圖B3-2是進行無線電通信時，從發(fā)射機到接收機信號通路的簡單方框圖。在發(fā)射端，發(fā)射機產(chǎn)生的已調(diào)制的高頻震蕩電流經(jīng)饋電設備傳輸?shù)桨l(fā)射天線，發(fā)射天線將高頻電流轉(zhuǎn)變成無線電波自由電磁波向周圍空間輻射；在接受端，無線電波通過接收天線轉(zhuǎn)變成高頻電流經(jīng)饋電設備傳送到接收機。從上述過程可以看出，天線除了能有效地輻射或者接收無線電波外，還能完成

4、高頻電流到同頻率無線電波的轉(zhuǎn)換，或者完成無線電波到同頻率的高頻電流的轉(zhuǎn)換。所以，天線還是一個能量轉(zhuǎn)換器。研究天線問題，實質(zhì)上是研究天線所產(chǎn)生的空間電磁場分布，以及由空間電磁場分布所決定的天線特性。我們知道電磁場滿足麥克斯韋（Maxwell）方程組。因此，求解天線問題實質(zhì)上是求解滿足一定邊界條件的電磁場方程，它的理論基礎是電磁場理論。圖2 無線電通信系統(tǒng)中的信號通道簡單方框圖2、天線的分類天線的形式很多，為了便于研究，可以根據(jù)不同情況進行分類。按用途分類，有發(fā)射天線，接收天線和收發(fā)公用天線。按使用范圍分類，有通信天線，雷達天線，導航天線，測向天線，廣播天線，電視天線等。按饋電方式分類，有對稱天線

5、，不對稱天線。按使用波段分類，有長波、超長波天線，中波天線，短波天線，超短波天線和微波天線。按天線外形分類，有T形天線，V形天線，菱形天線，魚骨形天線，環(huán)形天線，螺旋天線，喇叭天線，反射面天線等等。從便于分析和研究天線的性能出發(fā)，可以將大部分天線按其結(jié)構形式分為兩大類：一類是由半徑遠小于波長的金屬導線構成的線狀天線稱為線天線，另一類是用尺寸大于波長的金屬或介質(zhì)面構成的面狀天線稱為面天線。線天線主要用于長、中、短波波段，面天線主要用于微波波段，超短波波段則兩者兼用。線天線和面天線的基本輻射原理是相同的，但分析方法則有所不同。3、天線的輻射方向圖研究天線主要是得到天線的相關特性，天線特性一般由電路

6、特性和輻射特性兩個方面表征。電路特性包括天線的輸入阻抗、效率、頻率寬度和匹配程度等；輻射特性包括方向圖、增益、極化、相位等，為了達到最佳的通信效果，要求天線必須具備一定的方向性，較高的轉(zhuǎn)換效率，以及滿足系統(tǒng)工作的頻帶寬度。根據(jù)無線電技術設備的任務不同，常常要求天線不是向所有方向均勻地輻射（或?qū)λ蟹较蚓哂型鹊慕邮苣芰Γ侵幌蚰硞€特定的區(qū)域輻射（或只接受來自特定區(qū)域的無線電波），在其它方向不輻射或輻射很弱（接受能力很弱或不能接收），也就是說，要求天線具有方向性。如果天線沒有方向性，對發(fā)射天線來說，它說輻射的功率中只有很少一部分到達所需要的方向，大部分功率浪費在不需要的方向上；對接收天線來說

7、，在接受到所需要的信號同時，還接收到來自其它方向的干擾和噪聲，甚至使信號完全淹沒在干擾和噪聲中。因此，一副好的天線，在有效地輻射或接收無線電波的同時，還應該具有為完成某種任務而要求的方向特性。天線所輻射的無線電波能量在空間方向上的分布，通常是不均勻的，這就是天線的方向性。即使最簡單的天線也有方向性，完全沒有方向性的天線實際上不存在。為了表示天線的方向特性，人們規(guī)定了幾種方向性電參數(shù)，其中一個就是輻射方向圖。天線方向圖是指與天線等距離處，天線輻射參量在空間中的相對分布隨方向變化的圖形。所謂輻射參量包括輻射的功率通量密度、場強、相位和極化等。實際應用中，我們最關心的是天線輻射能量的空間分布，在沒有

8、特別指明的情況下，輻射方向圖一般均指功率通量密度的空間分布。方向圖還可以用分貝（dB）表示，功率方向圖用分貝表示后就稱為分貝方向圖，它表示某方向的功率通量密度相對于最大值下降的分貝數(shù)。天線某方向的分貝數(shù)的計算方法見公式（B3-1），其中為某方向的功率通量密度，為最大功率通量密度。繪制方向圖可以采用極坐標，也可以采用直角坐標。極坐標方向圖形象、直觀，但對于方向性強的天線難于精確表示；直角坐標方向圖雖然沒有極坐標方向圖形象、直觀，但更容易從中計算描述天線方向性的諸多參數(shù)。圖3 極坐標下天線方向圖一般形狀 （B3-1）通過天線方向圖可以方便的得到表征天線性能的電參數(shù)。用來描述天線方向圖的參數(shù)通常有主

9、方向角、主瓣寬度、半功率角、副瓣寬度、副瓣電平等。圖B3-3是極坐標下天線方向圖的一般形狀。方向圖通常都有兩個或多個瓣，其中輻射強度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣，副瓣中最大的為第一副瓣。下面我們列舉出可由天線方向圖得到的天線參數(shù)：(1) 主方向角。指主瓣最大值對應的角度；(2) 主瓣寬度。也稱零功率點波瓣寬度（Beam Width between First Nulls, BWFN）,指主瓣最大值兩邊兩個零輻射方向之間的夾角，即。主瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠，抗干擾能力越強；(3) 半功率角。也稱半功率點波瓣寬度（Half Power Beam Width, HPBW）,

10、指主瓣最大值兩邊功率密度等于最大值的0.5倍的兩輻射方向之間的夾角，又叫3分貝波束寬度（將功率密度轉(zhuǎn)化成分貝數(shù)后，會發(fā)現(xiàn)功率密度變成最大功率密度1/2的地方對應的分貝數(shù)比最大功率處小3dB（-3dB=10*lg<1/2>dB），即；(4) 副瓣寬度。指第一副瓣兩邊兩個零輻射方向之間的夾角；(5) 副瓣電平（Side Lobe Lever, SLL）。指副瓣最大值與主瓣最大值之比，一般也以分貝表示，見公式（B3-2），其中：和分別為最大副瓣核主瓣的功率密度最大值。 （B3-2）三、實驗裝置圖4 天線實訓系統(tǒng)設備示意圖本實驗裝置主要包含以下幾個主要部件：1主控器2發(fā)射器3接收器四、實驗

11、過程圖5是測量通過天線相位中心各平面內(nèi)的方向圖的方案之一。圖中天線1為被測天線，與信號發(fā)生器相連用作發(fā)射,它裝在旋轉(zhuǎn)平臺上能作360°轉(zhuǎn)動；天線2為輔助天線，它與電場強度計相連以便測得離被測天線一定距離處的場強。 圖5 天線方向圖測量方案兩天線的極化特性要求相同，為了近似滿足遠場條件，兩天線間的距離應滿足 ,式中為測試工作波長；r和D的意義見圖1。當轉(zhuǎn)動被測天線1時，可在天線2處測得以轉(zhuǎn)動角表示的函數(shù)的電場強度E()，于是就可畫出轉(zhuǎn)動平面內(nèi)的天線 1的方向圖。若把天線任意傾斜安裝，則可測得任意面內(nèi)的方向圖。此外，也可固定被測天線1，而把輔助天線2沿以被測天線為中心,距離r為半徑的圓周

12、運動，同樣可以測得天線的方向圖。若把收發(fā)條件互換，即把被測天線用作接收，輔助天線用作發(fā)射，最終測得的天線方向圖并無變化，這是符合天線互易定理的。五、實驗數(shù)據(jù)及分析1、實驗結(jié)果圖旁瓣寬度-3.0db : 31.02-6.0db : 44.01-10.0db : 57.02-15.0db : 220.012、相關天線參數(shù)： 最大角度：359.89° 最大幅度：-27.873、誤差分析引起誤差的原因可能為：1）、測量設備的影響 在應用頻譜儀測量天線方向圖時應注意以下兩點：(1)要有足夠的動態(tài)范圍通過實驗證明，改善動態(tài)范圍通常有以下幾種途徑：提高信號源的發(fā)射功率。在頻譜儀前加低噪聲放大器，用

13、來放大待測天線接收機的小信號。合理地設置頻譜儀狀態(tài)，采用壓窄分辨帶寬法和減小頻譜儀輸入射頻衰減法。盡可能選用靈敏度高的頻譜儀。(2)頻譜儀各參數(shù)的設置要合理2）、電纜受擠壓，接頭或轉(zhuǎn)換器之間松動接頭不匹配都可能影響測量結(jié)果，盡可能選用性能好的同軸電纜線。3）、信號源輸出功率不穩(wěn)定容易引起接收信號突跳。六、實驗中遇到的問題為什么測量的結(jié)果與理論方向的方向圖不一致？ 答：原因有二，一是測試儀器和設備存在系統(tǒng)誤差，二是在實際空間中還存在很多電磁干擾。七、實驗心得這個實驗是電磁場與電磁波的最后一個實驗，整個實驗過程由老師操作我們觀察，由于實驗內(nèi)容較為有趣，課后我通過網(wǎng)絡對實驗原理進行了了解，加深了對天線本身性質(zhì)的認識。希望以后如果有機會可以更加深入地了解天線的工作以及與之相關的工程方面的知識。本學期的電磁場與電磁波的測量