北郵微波 天線特性特性和研究 實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、北京郵電大學(xué)電磁場與微波測量實(shí)驗(yàn)學(xué)院：電子工程學(xué)院班級：2013211203組員：組號：第九組實(shí)驗(yàn)六 用諧振腔微擾法測量介電常數(shù)微波技術(shù)中廣泛使用各種微波材料，其中包括電介質(zhì)和鐵氧體材料。微波介質(zhì)材料的介電特性的測量，對于研究材料的微波特性和制作微波器件，獲得材料的結(jié)構(gòu)信息以促進(jìn)新材料的研制，以及促進(jìn)現(xiàn)代尖端技術(shù)(吸收材料和微波遙感)等都有重要意義。一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 了解諧振腔的基本知識。2 學(xué)習(xí)用諧振腔法測量介質(zhì)特性的原理和方法二、 實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)是采用反射式矩形諧振腔來測量微波介質(zhì)特性的。反射式諧振腔是把一段標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)管的一端加上帶有耦合孔的金屬板，另一端加上封閉的金屬板，構(gòu)成諧振腔，具

2、有儲能、選頻等特性。諧振條件：諧振腔發(fā)生諧振時(shí)，腔長必須是半個(gè)波導(dǎo)波長的整數(shù)倍，此時(shí)，電磁波在腔內(nèi)連續(xù)反射，產(chǎn)生駐波。諧振腔的有載品質(zhì)因數(shù)QL由下式確定：式中：f0為腔的諧振頻率，f1，f2分別為半功率點(diǎn)頻率。諧振腔的Q值越高，諧振曲線越窄，因此Q值的高低除了表示諧振腔效率的高低之外，還表示頻率選擇性的好壞。如果在矩形諧振腔內(nèi)插入一樣品棒，樣品在腔中電場作用下就會(huì)極化，并在極化的過程中產(chǎn)生能量損失，因此，諧振腔的諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)將會(huì)變化。圖1 反射式諧振腔諧振曲線 圖2 微找法TE10n模式矩形腔示意圖電介質(zhì)在交變電場下，其介電常數(shù)為復(fù)數(shù)，和介電損耗正切tan可由下列關(guān)系式表示：， ， 其中

3、：，和，分別表示的實(shí)部和虛部。選擇TE10n，(n為奇數(shù))的諧振腔，將樣品置于諧振腔內(nèi)微波電場最強(qiáng)而磁場最弱處，即x2，z2處，且樣品棒的軸向與y軸平行，如圖2所示。假設(shè)：1樣品棒的橫向尺寸d(圓形的直徑或正方形的邊長)與棒長九相比小得多(一般dh<110)，y方向的退磁場可以忽略。2介質(zhì)棒樣品體積Vs遠(yuǎn)小于諧振腔體積V0，則可以認(rèn)為除樣品所在處的電磁場發(fā)生變化外，其余部分的電磁場保持不變，因此可以把樣品看成一個(gè)微擾，則樣品中的電場與外電場相等。這樣根據(jù)諧振腔的微擾理論可得下列關(guān)系式式中：f0,fs分別為諧振腔放人樣品前后的諧振頻率， (1QL)為樣品放人前后諧振腔的有載品質(zhì)因數(shù)的倒數(shù)的

4、變化，即QL0，QLS分別為放人樣品前后的諧振腔有載品質(zhì)因數(shù)。三、 實(shí)驗(yàn)裝置1. 微波信號源需工作在最佳等幅、掃描狀態(tài)。2. 晶體檢波器接頭最好是滿足平方律檢波的，這時(shí)檢波電流表示相對功率(IP)。3. 檢波指示器用來測量反射式諧振腔的輸出功率，量程0100A。4. 微波的頻率用波長表測量刻度，通過查表確定微波信號的頻率。5. 用晶體檢波器測量微波信號時(shí)，為獲得最高的檢波效率，它都裝有一可調(diào)短路活塞，調(diào)節(jié)其位置，可使檢波管處于微波的波腹。改變微波頻率時(shí)，也應(yīng)改變晶體檢波器短路活塞位置，使檢波管一直處于微波波腹的位置。圖17 試驗(yàn)裝置示意圖1 微波信號源 2隔離器 3衰減器 4波長表5測量線 6

5、測量線晶體7選頻放大器 8環(huán)形器 9反射式諧振腔 10隔離器 11晶體檢波器四、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 連接好各部件。注意：反射式諧振腔前必須加上帶耦合孔的耦合片，接入隔離器及環(huán)形器時(shí)要注意其方向。2 開啟微波信號源，選擇“等幅”方式，預(yù)熱30分鐘。3 測量諧振腔的長度，根據(jù)公式計(jì)算它的諧振頻率，一定要保證n為奇數(shù)。4 通過調(diào)節(jié)波長計(jì)可見示波器上波長計(jì)產(chǎn)生的吸收峰在諧振腔產(chǎn)生的吸收峰上滑動(dòng)，此時(shí)可通過波長計(jì)測量諧振頻率f0，半功率點(diǎn)f1、f2。5 測量空腔的有載品質(zhì)因數(shù)，注意： f1， f2與f0的差別很小，約0003GHz。6 加載樣品，重新尋找其諧振頻率，測量其品質(zhì)因數(shù)。7 測量介質(zhì)棒及諧振腔的體積

6、。8 計(jì)算介質(zhì)棒的介電常數(shù)和介電損耗角正切。五、 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（介質(zhì)棒顏色為白色）由樣品諧振腔的長66mm，寬22.86mm，高10.16mm可得其體積V0 =15329.000立方毫米由樣品半徑0.7mm，高10.16mm 可得其體積Vs=15.632立方毫米由樣品諧振頻率以及半功率點(diǎn)頻率可以計(jì)算出樣品諧振腔的品質(zhì)因數(shù)（f0 =9.093GHz f1 =9.088GHz f2 =9.096GHz）=1136.625 樣品插入后，由諧振頻率以及半功率點(diǎn)頻率可以計(jì)算出樣品放入后的品質(zhì)因數(shù)（fs =9.070GHz f1 =9.064GHz f2 =9.075GHz）=824.545聯(lián)立實(shí)驗(yàn)原理中的各

7、式可求得介質(zhì)棒的介電常數(shù)與介電損耗角正切。= 2.24-j0.0816 =0.0364六、 思考題1. 如何判斷諧振腔是否諧振？答：諧振腔發(fā)生諧振時(shí)，電磁波在腔里連續(xù)反射，產(chǎn)生駐波，反映在示波器上是會(huì)出現(xiàn)吸收峰，從而判斷。2. 本實(shí)驗(yàn)中，諧振腔諧振時(shí)，為什么“必須是奇數(shù)”？答：為了得到單一的電磁波。在本實(shí)驗(yàn)所使用的儀器安裝及測量方式中，諸如TE102等n為偶數(shù)的模式會(huì)受到抑制。對于TE101模式的電磁場，各邊緣中心處切向磁場均可達(dá)到最大值，此四處開耦合窗均可達(dá)到電感耦合的效果；而TE102模式的電磁場在本裝置開窗處所有分量全部為零，能量無法耦合到下一個(gè)諧振腔。3. 若用傳輸式諧振腔如何測量介質(zhì)

8、的介電常數(shù)，可否畫出實(shí)驗(yàn)裝置。答：傳輸式諧振腔與反射式諧振腔的最大差別在于諧振時(shí)達(dá)到最大值的峰值而非吸收峰，因此下圖模式的接法（與本實(shí)驗(yàn)基本相同）即可，只不過觀察吸收峰變?yōu)榱擞^察極大值點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)一 天線的特性特性和測量一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 了解天線的發(fā)射和接收信號的基本工作原理。2. 認(rèn)識和了解測量天線接收強(qiáng)度的基本裝置。3. 了解天線的接收強(qiáng)度和接收天線與發(fā)射天線之間夾角的關(guān)系。4. 了解喇叭天線的方向圖特性。5. 掌握天線方向圖的測試方法。二、 天線工作原理天線是一種變換器，它把傳輸線上的導(dǎo)行波，變換成在無界媒介（通常是自由空間）中傳播的電磁波，或者進(jìn)行相反的變換。天線特性測量實(shí)驗(yàn)，將通過控制

9、接收天線與發(fā)射天線之間的夾角進(jìn)而改變和測量接收天線接收信號的強(qiáng)弱，掌握天線的接收強(qiáng)度和接收天線與發(fā)射天線之間夾角的關(guān)系。 天線有些重要參數(shù)，下面給出：1) 輻射效率r=PrPi式中，Pr為天線輻射出的功率，單位為W；Pi為饋入天線的功率，單位為W。2) 輻射方向圖用極坐標(biāo)來表示天線的輻射場強(qiáng)度與輻射功率的分布，天線的方向圖是表征天線輻射時(shí)電磁波能量（或場強(qiáng)）在空間各點(diǎn)分布的情況。 天線方向圖能直觀地反映出天線輻射能量集中的程度，方向圖越尖銳，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，方向圖就變成一球面，稱作無方向性，這就是一理想點(diǎn)源在空中輻射場。

10、天線方向圖可以通過測試來繪制，如測得的是場強(qiáng)，則繪出場強(qiáng)方向圖，但兩者圖形形狀是完全一樣的。 3) 方向性圖主瓣寬度最大輻射方向的葉瓣，稱為主瓣，其余稱副瓣。4) 方向性圖主瓣零點(diǎn)角主瓣兩側(cè)零輻射方向之間夾角5) 方向性圖副瓣電平旁瓣：在主輻射波瓣旁，還有許多副瓣，其中HPBW為半功率波束寬度，輻射最大功率下降3dB時(shí)的角度；FNBW為第一零點(diǎn)波束寬度；SLL為旁瓣高度，輻射最大功率與最大旁瓣的差。 6) 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）表示。7) 方向性系數(shù)D 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

11、射功率密度（或場強(qiáng)平方）與無方向天線輻射功率密度（或場強(qiáng)平方）之比。D=SmaxS08) 天線增益G、天線輸入阻抗ZinG=PrPi=P為被測天線距離R處所接收到的功率密度，單位為W/m2；Pi為全向性天線距離R處所接到的功率密度，單位為W/m2。Pr=GPi4R2天線輸入阻抗Zin定義為：Zin=UIU為在饋入點(diǎn)上的射頻電壓；I為在饋入點(diǎn)上的射頻電流。三、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟測量方法有兩種： 1）固定天線法：被測天線不動(dòng)，以它為圓心在等圓周上測得場強(qiáng)的方式。 2）旋轉(zhuǎn)天線法：標(biāo)準(zhǔn)天線不動(dòng)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(shí)驗(yàn)采用的是旋轉(zhuǎn)天線的方

12、法。 測量步驟： 旋轉(zhuǎn)天線法：可動(dòng)天線每改變一個(gè)角度（大約1°）記錄下來一個(gè)數(shù)值（檢波器或小功率計(jì)指示），改變一周即得到360°范圍內(nèi)的方向圖。方向圖的自動(dòng)測量屬于動(dòng)態(tài)測量。測量時(shí)被測天線連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，并接收信號源通過喇叭天線發(fā)射的微波信號，接收信號送天線幅度信號采集電路，經(jīng)變換放大及A/D轉(zhuǎn)換后送給微機(jī)。天線轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，天線角度信號錄取裝置將天線位置轉(zhuǎn)換成角度數(shù)字信號送給微機(jī)。這樣就可以得到測量范圍內(nèi)每一位置的幅度信號電平，根據(jù)這組數(shù)據(jù)，微機(jī)就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并由輸出裝置輸出計(jì)算結(jié)果。四、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果微波天線方向圖測試報(bào)告：測試日期 : 2016-04-16

13、 20:08測試人 : 詹雪嬌，康銘全，馬依拉·阿不力肯木測試內(nèi)容 : 3G 4單元板狀-1920-E-1極化方式 : 水平極化 旁瓣寬度- 頻譜1-3db : 22.89-6db : 33.84-10db : 44.86-15db : 273.12前后比 : 0.00軸比0: 0.00軸比1: 61.00軸比2: 6.00軸比3: 85.00軸比4: 39.00軸比5: 15.00軸比6: 18.00軸比7: 6.00軸比8: 2.00軸比9: 244.00軸比10: 9.00軸比11: 2.00軸比12: 265.00軸比13: 5.00軸比14: 4.00軸比15: 2.00微

14、波天線方向圖的繪制表格：角度(曲線1-marker1)幅度(曲線1-marker1)角度(曲線1-marker2)幅度(曲線1-marker2)最大: 360.95最大: -41.28最大: 360.950.000.00-41.360.000.001.19-41.361.190.002.27-41.282.270.003.33-41.303.330.004.24-41.354.240.005.31-41.495.310.006.22-41.796.220.007.30-41.877.300.008.20-42.198.200.009.31-42.499.310.0010.20-42.7510.

15、200.0011.29-43.1511.290.0012.21-43.5012.210.0013.31-44.0513.310.0014.24-44.2514.240.0015.17-44.8715.170.0016.29-45.3116.290.0017.20-45.9817.200.0018.31-46.3618.310.0019.20-47.2319.200.0020.28-47.4820.280.0021.20-47.9821.200.0022.26-48.9022.260.0023.19-49.3923.190.0024.24-50.0024.240.0025.19-50.5625.

16、190.0026.25-51.0926.250.0027.19-51.6727.190.0028.27-52.3328.270.0029.19-52.9029.190.0030.28-53.4730.280.0031.20-53.9131.200.0032.31-54.5932.310.0033.24-55.1933.240.0034.19-55.8634.190.0035.27-56.7435.270.0036.23-57.7736.230.0037.28-58.4537.280.0038.20-59.9438.200.0039.25-60.9639.250.0040.18-63.3040.

17、180.0041.25-64.1241.250.0042.18-65.0342.180.0043.26-68.5643.260.0044.18-71.1544.180.0045.29-74.4645.290.0046.20-76.6046.200.0047.15-80.7547.150.0048.23-73.5748.230.0049.18-72.0549.180.0050.28-70.1250.280.0051.22-70.5351.220.0052.18-68.8052.180.0053.27-68.6153.270.0054.23-68.5454.230.0055.13-67.2455.

18、130.0056.22-66.9756.220.0057.13-67.0057.130.0058.21-66.5058.210.0059.16-66.8459.160.0060.23-66.5860.230.0061.18-67.3261.180.0062.26-66.2262.260.0063.20-67.4863.200.0064.27-67.2864.270.0065.21-67.5965.210.0066.16-68.7266.160.0067.25-69.7667.250.0068.19-71.8268.190.0069.13-73.6769.130.0070.23-77.1170.

19、230.0071.17-81.2371.170.0072.14-83.3972.140.0073.21-78.4573.210.0074.15-74.5674.150.0075.22-70.9375.220.0076.15-71.7776.150.0077.23-69.9077.230.0078.15-69.4978.150.0079.24-70.3779.240.0080.15-70.5580.150.0081.12-72.6281.120.0082.18-72.4482.180.0083.15-78.7983.150.0084.24-80.7284.240.0085.19-83.8285.

20、190.0086.15-78.7386.150.0087.24-85.0987.240.0088.20-81.9688.200.0089.14-86.4689.140.0090.12-81.8290.120.0091.20-80.6491.200.0092.14-78.4792.140.0093.21-74.6393.210.0094.13-71.6894.130.0095.24-70.5495.240.0096.15-68.3196.150.0097.10-66.0497.100.0098.19-65.3298.190.0099.14-65.0999.140.00100.23-64.9810

21、0.230.00101.16-64.93101.160.00102.10-64.59102.100.00103.21-64.69103.210.00104.16-64.29104.160.00105.12-63.89105.120.00106.24-63.26106.240.00107.18-61.61107.180.00108.15-61.74108.150.00109.22-60.63109.220.00110.16-60.13110.160.00111.08-60.34111.080.00112.17-59.72112.170.00113.10-59.84113.100.00114.22

22、-60.02114.220.00115.16-59.44115.160.00116.10-59.34116.100.00117.21-58.91117.210.00118.13-58.60118.130.00119.10-58.13119.100.00120.19-57.34120.190.00121.14-56.68121.140.00122.08-55.89122.080.00123.19-55.25123.190.00124.17-54.84124.170.00125.10-54.34125.100.00126.07-54.29126.070.00127.14-54.19127.140.

23、00128.10-54.12128.100.00129.18-54.25129.180.00130.11-54.39130.110.00131.21-54.81131.210.00132.13-55.12132.130.00133.09-55.50133.090.00134.20-55.77134.200.00135.17-55.92135.170.00136.10-56.58136.100.00137.06-56.31137.060.00138.19-56.62138.190.00139.14-57.14139.140.00140.09-57.64140.090.00141.06-57.58

24、141.060.00142.17-57.54142.170.00143.12-58.13143.120.00144.09-58.13144.090.00145.17-58.83145.170.00146.12-59.07146.120.00147.04-59.54147.040.00148.15-60.20148.150.00149.09-60.90149.090.00150.04-61.97150.040.00151.15-61.79151.150.00152.09-63.71152.090.00153.05-65.41153.050.00154.14-67.19154.140.00155.

25、12-70.28155.120.00156.07-75.10156.070.00157.04-82.14157.040.00158.16-76.52158.160.00159.11-72.60159.110.00160.09-69.23160.090.00161.05-67.01161.050.00162.19-65.79162.190.00163.10-65.31163.100.00164.06-63.40164.060.00165.14-63.41165.140.00166.08-62.84166.080.00167.04-62.35167.040.00168.13-62.48168.13

26、0.00169.09-61.99169.090.00170.04-61.77170.040.00171.17-61.95171.170.00172.10-61.75172.100.00173.06-61.92173.060.00174.04-62.27174.040.00175.03-62.48175.030.00176.15-62.81176.150.00177.11-63.68177.110.00178.08-64.33178.080.00179.06-63.41179.060.00180.03-64.19180.030.00181.07-63.87181.070.00182.13-64.

27、08182.130.00183.03-64.44183.030.00184.11-65.06184.110.00185.02-66.35185.020.00186.10-65.78186.100.00187.01-65.62187.010.00188.08-65.90188.080.00189.01-67.21189.010.00190.07-67.39190.070.00191.02-68.00191.020.00192.08-68.97192.080.00193.03-70.80193.030.00194.12-71.07194.120.00195.05-70.43195.050.0019

28、6.02-69.04196.020.00197.10-67.69197.100.00198.07-65.14198.070.00199.12-64.56199.120.00200.04-64.19200.040.00201.09-62.81201.090.00202.01-62.21202.010.00203.09-61.60203.090.00204.01-61.13204.010.00205.11-60.62205.110.00206.03-60.21206.030.00207.12-60.04207.120.00208.04-59.91208.040.00208.99-59.63208.

29、990.00210.07-59.27210.070.00211.02-59.24211.020.00212.10-58.84212.100.00213.06-59.44213.060.00214.00-59.73214.000.00215.10-60.10215.100.00216.05-60.51216.050.00217.10-61.20217.100.00218.03-61.69218.030.00219.08-62.06219.080.00220.01-62.16220.010.00221.08-62.57221.080.00222.00-63.66222.000.00223.10-6

30、4.91223.100.00224.01-65.61224.010.00225.12-66.68225.120.00226.04-68.25226.040.00226.99-70.19226.990.00228.07-73.33228.070.00229.02-74.68229.020.00230.12-77.00230.120.00231.05-80.11231.050.00232.01-77.52232.010.00233.10-75.12233.100.00234.07-77.13234.070.00234.97-74.92234.970.00236.08-74.45236.080.00

31、236.98-73.65236.980.00238.07-75.10238.070.00239.00-77.89239.000.00240.08-77.29240.080.00241.02-74.53241.020.00241.96-76.50241.960.00243.06-75.06243.060.00243.99-75.29243.990.00245.08-72.03245.080.00246.02-73.53246.020.00246.97-75.41246.970.00248.06-74.99248.060.00249.01-72.97249.010.00249.97-72.2824

32、9.970.00251.08-70.90251.080.00252.05-68.52252.050.00252.96-68.28252.960.00254.06-67.49254.060.00254.97-66.72254.970.00256.07-66.67256.070.00256.99-67.50256.990.00257.94-67.87257.940.00259.02-68.02259.020.00259.94-68.70259.940.00261.05-67.72261.050.00261.96-67.14261.960.00262.94-67.68262.940.00264.02

33、-67.33264.020.00264.96-67.30264.960.00266.07-67.25266.070.00267.02-67.78267.020.00267.98-68.90267.980.00268.93-70.70268.930.00270.05-72.95270.050.00270.96-75.15270.960.00272.07-76.52272.070.00272.99-75.53272.990.00273.93-72.39273.930.00275.03-71.96275.030.00275.95-69.87275.950.00277.04-69.25277.040.

34、00277.98-69.29277.980.00278.93-69.49278.930.00280.02-71.34280.020.00280.98-69.94280.980.00281.92-70.85281.920.00282.90-73.86282.900.00284.01-74.70284.010.00284.95-78.44284.950.00286.07-79.47286.070.00287.03-81.76287.030.00287.99-88.68287.990.00288.92-89.09288.920.00290.02-82.45290.020.00290.93-76.67

35、290.930.00292.04-76.15292.040.00292.98-72.49292.980.00293.93-69.87293.930.00295.02-69.00295.020.00295.95-68.71295.950.00296.91-68.55296.910.00297.99-68.41297.990.00298.97-68.49298.970.00299.89-67.78299.890.00301.02-68.65301.020.00301.99-67.25301.990.00302.93-67.48302.930.00303.92-67.37303.920.00305.

36、03-67.09305.030.00306.01-68.29306.010.00306.91-67.72306.910.00308.02-68.58308.020.00308.95-68.09308.950.00309.90-67.39309.900.00311.01-68.40311.010.00311.95-67.67311.950.00312.90-67.46312.900.00314.01-66.89314.010.00314.96-66.96314.960.00315.91-66.06315.910.00317.02-65.74317.020.00317.96-64.79317.960.00318.95-63.61318.950.00319.89-63.01319.890.00321.02-62.43321.020.0