天線測量第一章

1、天線測量chenboUESTCTel: (028) 6183-0171ROOM:C201天線測量第一章第第1章章 天線測量概論天線測量概論是專門研究天線系統(tǒng)特性參數(shù)測量理論和測試方法的一門學(xué)科分支主要特性參數(shù)可以分為兩大類：電路特性參數(shù)（輸入阻抗、效率頻帶寬度駐波比等）輻射特性參數(shù)（方向圖增益極化相位等）天線測量的就是用實驗方法測定和檢驗天線的這些特性參數(shù)。其他特性參數(shù)，如最大承受功率、抗風(fēng)強度、工作溫度、壽命等。：驗證理論分析計算或仿真模擬是否正確；已定型天線批量生產(chǎn)中，需要抽樣檢測天線參數(shù)是否合格；已在現(xiàn)場使用日久的天線，需要定期檢查其性能是否下降；特別是研制一種新天線時，天線參數(shù)的實驗測

2、量更是必不可少。天線測量定義天線系統(tǒng)的主要特性參數(shù)天線輸入端信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。輸入阻抗具有電阻分量 Rin 和電抗分量 Xin ，即 Zin = Rin + j Xin 。電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取，因此，必須使電抗分量盡可能為零，也就是應(yīng)盡可能使天線的輸入阻抗為純電阻。事實上，即使是設(shè)計、調(diào)試得很好的天線，其輸入阻抗中總還含有一個小的電抗分量值。輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)、尺寸以及工作波長有關(guān)，半波對稱振子是最重要的基本天線 ，其輸入阻抗為 Zin = 73.142.5 (歐) 。當(dāng)把其長度縮短（）時，就可以消除其中的電抗分量，使天線的輸入阻抗為純電阻

3、，此時的輸入阻抗為 Zin = 73.1 (歐) ,（標(biāo)稱 75 歐） 。注意，嚴(yán)格的說，純電阻性的天線輸入阻抗只是對點頻而言的。 天線效率它是指天線輻射出去的功率（即有效地轉(zhuǎn)換電磁波部分的功率）和輸入到天線的有功功率之比。是恒小于1的數(shù)值。1998年6月3日，德國發(fā)生了戰(zhàn)后最慘重的一起鐵路交通事故。一列高速列車脫軌，造成100多人遇難。2007年11月2日，一架美軍 F-15C鷹式戰(zhàn)斗機在做空中纏斗飛行訓(xùn)練時，飛機突然凌空解體，一份調(diào)查結(jié)果表明，飛機的關(guān)鍵支撐構(gòu)件桁梁出現(xiàn)了金屬疲勞問題。1998年6月3日，德國艾舍德高速列車脫軌事故中的車輪輪緣疲勞斷口測試對象天線電性能主要參數(shù)天線電性能主要

4、參數(shù)電路特性參數(shù)電路特性參數(shù)輻射特性參數(shù)輻射特性參數(shù)駐波比駐波比三階交調(diào)三階交調(diào)隔離度隔離度(多端口天線多端口天線)增益增益半功率波束寬度半功率波束寬度前后比前后比交叉極化鑒別率交叉極化鑒別率幅相一致性幅相一致性(智能天線智能天線)副瓣抑制副瓣抑制(賦形賦形)零點填充零點填充(賦形賦形)電下傾角精度電下傾角精度圓度圓度(全向天線全向天線)有源駐波比有源駐波比(智能天線智能天線)環(huán)境實驗天線環(huán)境試驗項目天線環(huán)境試驗項目高高/低溫試驗低溫試驗濕熱濕熱鹽霧鹽霧沖水沖水沖擊沖擊碰撞碰撞正弦振動正弦振動跌落滾翻跌落滾翻模擬汽車運輸模擬汽車運輸風(fēng)載風(fēng)載/冰負荷冰負荷天線周圍的場區(qū)分布天線周圍的場區(qū)分布感應(yīng)

5、場區(qū)是指非?？拷炀€的區(qū)域。感應(yīng)場區(qū)里，占優(yōu)勢的是感應(yīng)場，其電場和磁場的時間相位相差90度，波印亭矢量為純虛數(shù)，因此不輻射功率，電場能量和磁場能量相互交替地貯存于天線附近的空間內(nèi)。圖所示電尺寸小的偶極天線，其感應(yīng)場區(qū)的外邊界是/2。這里，是工作波長。感應(yīng)場隨離開天線的距離的增加而極快衰減，超過感應(yīng)場區(qū)后，就是輻射場占優(yōu)勢的輻射場區(qū)了.天線周圍的場區(qū)分布天線周圍的場區(qū)分布孔徑天線的輻射場區(qū)又分為近場區(qū)和遠場區(qū)孔徑天線的輻射場輻射近場區(qū)的外邊界按通用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定為：22Dr r：觀察點到天線的距離D：天線孔徑的最大線尺寸 輻射遠場區(qū)輻射遠場區(qū) 輻射近場區(qū)的外邊界以外就是輻射遠場區(qū)，范圍直到無窮遠處。這

6、個區(qū)域里的特點是： 場的大小與離開天線的距離成反比； 場的相對角分布與離開天線的距離無關(guān)； 方向圖主瓣副瓣和零點已全部形成。 輻射遠場區(qū)是進行天線測試的重要場區(qū)，天線輻射特性所包括的各特性參數(shù)的測量一般均需在輻射遠場區(qū)內(nèi)進行?？讖教炀€產(chǎn)生的場孔徑天線產(chǎn)生的場計算孔徑天線外場的坐標(biāo)系dsrnrjkjkrjkrEspspspopssp),cos()1()exp(41式中Ep：觀察點P處的場Es：天線孔徑面上的場rsp ：源點ps到場點p的距離S：天線孔徑面積k：自由空間波數(shù)ds：單元面積cos(n,rsp)：是孔徑面法線與矢徑rsp之間夾角的余弦 原則上，無論何種場區(qū)內(nèi)的場，均應(yīng)由上式計算求得。特

7、別是感應(yīng)場區(qū)內(nèi)，上式難以做任何簡化。但是，在輻射場區(qū)內(nèi)，從實際工程和測試工作角度看，可以對該式做一定的簡化處理，以利計算和分析，而又不損其精度?？讖教炀€產(chǎn)生的場孔徑天線產(chǎn)生的場輻射近場區(qū)輻射近場區(qū)dsrnrjkjkrjkrEspspspopssp),cos()1()exp(41k1/rsp，就是說這個區(qū)域輻射場已遠大于感應(yīng)場，因而式中圓括號內(nèi)的1/rsp項可以忽略振幅項中1/rsp 1/rcos(n,rsp) cos 相位項中的rsp不能用r近似dsryxyxjkErejssssssjkrp2)sinsincossin(exp)cos1 (222隨距離r的增加，場的振幅按1/r的關(guān)系非單調(diào)衰減

8、，而是先震蕩地變化，然后單調(diào)地下降場振幅的相對角分布與離天線的距離有關(guān)，亦即在不同的距離處天線的方向圖是不同的ryxyxrrsssssp2)sinsincossin(22孔徑天線產(chǎn)生的場孔徑天線產(chǎn)生的場輻射近場區(qū)輻射近場區(qū)可以看到，離天線很近時，方向圖只有一個具有起伏包絡(luò)的波瓣。隨著離天線距離的增加，方向圖才逐漸接近于無窮遠處的情況，形成較明顯的主瓣和副瓣，但副瓣電平和零值電平均較高?？讖教炀€產(chǎn)生的場孔徑天線產(chǎn)生的場輻射遠場區(qū)輻射遠場區(qū)由于這個區(qū)域離開天線的孔徑更遠，將 進一步簡化為 ryxyxrrsssssp2)sinsincossin(22)sinsincossin(ssspyxrr這一近

9、似實際上就是把孔徑上任意點到觀察點p的射線都看成是平行的，得dseErejEssyxjkssjkrp)sinsincossin()cos1 (2 可以看出，式中積分內(nèi)沒有與r有關(guān)的因子，因此，遠區(qū)輻射場隨距離的變化有以下的特點：場的振幅按1/r的關(guān)系單調(diào)地衰減；方向圖與距離無關(guān)，且方向圖主副瓣已明顯形成，零值點也很深。輻射近場區(qū)測量天線的誤差分析輻射近場區(qū)測量天線的誤差分析ryxyxrrsssssp2)sinsincossin(22軸線方向0 ryxrrsssp222rdsryxjkErejEsssjkrp)2exp()cos1 (222dsryxyxjkErejssssssjkrp2)sin

10、sincossin(exp)cos1 (222dsErejEssjkrp)cos1 (2dseErejEssyxjkssjkrp)sinsincossin()cos1 (2（輻射近場區(qū)）（輻射遠場區(qū)）在輻射近場區(qū)內(nèi)測量相對誤差為ppEE1輻射近場區(qū)測量天線的誤差分析輻射近場區(qū)測量天線的誤差分析在輻射近場區(qū)內(nèi)測量相對誤差為ssssxssppdEdsryxjkEEE2exp(1122sE設(shè)孔徑場 常數(shù) sdsryxjksssE2exp(122輻射近場區(qū)測量天線的誤差分析輻射近場區(qū)測量天線的誤差分析矩形孔徑相對誤差2/2/2/2/222111222exp2exp11DDDDssssEdyryjkdx

11、rxjkDD)()()()(1jSCUUjSUCtdtttC022cos)(tdtttS022sin)(rDU21rD22矩形孔徑沿x方向的邊長矩形孔徑沿y方向的邊長式中：圓形孔徑相對誤差rkDrkDE88sin122圓孔徑的直徑輻射近場區(qū)測量天線的誤差分析輻射近場區(qū)測量天線的誤差分析增益系數(shù)G矩形孔徑相對誤差tdtttC022cos)(tdtttS022sin)(rDU21rD22矩形孔徑沿x方向的邊長矩形孔徑沿y方向的邊長式中：增益系數(shù)G圓形孔徑相對誤差圓孔徑的直徑2)()()()(1jSCUUjSUCE222288sin1rkDrkDE輻射近場區(qū)測量天線的誤差分析輻射近場區(qū)測量天線的誤差

12、分析ErD2/場強相對誤差場強相對誤差 與與 的關(guān)系的關(guān)系D孔徑窄邊的長度孔徑窄邊的長度D孔徑寬邊的長度增益相對誤差增益相對誤差 與與 的關(guān)系的關(guān)系ErD2/發(fā)射和接收天線的互易性212211IUIU一副天線的方向特性與它作接收或作發(fā)射的工作方式是無關(guān)的縮尺模型技術(shù)縮尺模型技術(shù)是指在滿足一定前提條件下，將真實天線按一定的縮尺比例縮?。ɑ蚍糯螅┏杀阌跍y試的模型天線，通過對模型天線的測量，便可得到真實天線的各參數(shù)特性，然后，再據(jù)此制作出實際使用的真實全尺寸天線?？s尺模型技術(shù)是指在滿足一定前提條件下，將真實天線按一定的縮尺比例縮?。ɑ蚍糯螅┏杀阌跍y試的模型天線，通過對模型天線的測量，便可得到真實天線

13、的各參數(shù)特性，然后，再據(jù)此制作出實際使用的真實全尺寸天線。優(yōu)點縮尺模型技術(shù)是指在滿足一定前提條件下，將真實天線按一定的縮尺比例縮?。ɑ蚍糯螅┏杀阌跍y試的模型天線，通過對模型天線的測量，便可得到真實天線的各參數(shù)特性，然后，再據(jù)此制作出實際使用的真實全尺寸天線。 模型天線用料少，制作簡便； 研制新天線時，在模型上易于修改天線幾何參數(shù)和結(jié)構(gòu)，且用費省； 便于在不太大的測試場地上進行天線多種性能的測試； 有些真實天線特性現(xiàn)場測試?yán)щy（如機載星載天線，船舶天線等）通過縮尺模型技術(shù)有利于了解天線特性； 可以根據(jù)手邊現(xiàn)有材料和儀器設(shè)備情況，選擇合適的縮尺比例開展測試工作，不會因缺乏測試真實天線的儀器及所用材

14、料而影響工作的進行。 定義縮尺模型技術(shù) 模型天線模型天線M（ ）EjHHjE)(HFFFHmmmmmjmmmmHHmmmmmymyzmzxmxFFF,mmmmEmEHmHEH,HjEEjH)(真實天線真實天線F（ ）111HFHEFEHFmmmmmmmmmmmmmm縮尺模型技術(shù)111HFHEFEHFmmmmmmmmmmmmmm模型天線和真實天線都放于自由空間中11mm模型天線與真實天線電磁場應(yīng)相同HH， 11HEmm11FFmmmm 真實天線的幾何尺寸縮小(或放大)m倍而做成的模型天線，其相應(yīng)的導(dǎo)電率和測試頻率均應(yīng)增加（或減?。﹎ ，這樣才能保持模型天線與真實天線有相同的電磁場。 真實天線和模型天線所處媒質(zhì)中的介電常數(shù)和導(dǎo)磁率相同（ ）且天線系統(tǒng)中不能包含鐵氧體等非線性材料。1, 1mm縮尺模型技術(shù)mLLFMFMmffFMmFMFM線尺寸 工作頻率 導(dǎo)電率導(dǎo)磁率介電常數(shù)M:模型天線F:真實天線m:縮尺因子m大于1，則將真實天線縮??；m小于1，則將真