天线原理实验报告.docx
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天线原理实验报告
HarbinInstituteofTechnology
天线原理实验报告
课程名称：
天线原理
院系：
电信学院
班级：
姓名：
学号：
同组人：
指导教师：
刘北佳
实验时间：
2015/5/13
实验成绩：
哈尔滨工业大学
一、实验目的
1.掌握喇叭天线的结构、分类和特性参数。
2.掌握天线方向图的意义和测量方法。
3.对比分析几种天线的辐射特性和性能。
二、实验原理
1.天线电参数
天线电参数主要包括：
方向图、方向性系数、有效长度、增益、效率、输入阻抗、极化、频带宽度。
1）方向图：
天线的辐射电磁场在固定距离上随空间角坐标分
布的图形，称为辐射方向图或辐射波瓣图。
2）方向性系数：
在相同辐射功率，相同距离情况下，天线在
某方向上的辐射功率密度与无方向性天线在该方向上的辐射功率密度之比。
3）有效长度：
在保持天线最大辐射场强不变的情况下，假设
天线上的电流为均匀分布时的等效长度。
4）增益：
在相同输入功率，相同距离情况下，天线在某方向上的辐射功率密度与无方向性天线在该方向上的辐射功率密度之比。
5）效率：
天线将导波能量转换成电波能量的有效程度。
6）输入阻抗：
天线输入端呈现的阻抗值。
7）极化：
天线在给定空间方向上远区无线电波的极化，即时变电场矢量端点运动轨迹的形状、取向和旋转方向。
8）频带宽度：
天线电参数保持在要求范围内的工作频率范围。
2.喇叭天线
喇叭天线由逐渐张开的波导构成。
按口径形状可分为矩形喇叭天线与圆形喇叭天线等。
波导终端开口原则上可构成波导辐射器，由于口径尺寸小，产生的波束过宽；另外，波导终端尺寸的突变除产生高次模外，反射较大，与波导匹配不良。
为改善这种情况，可使波导尺寸加大，以便减少反射，又可在较大口径上使波束变窄。
3.方向图测量（测试环境、最小测试距离、极化）
测试环境：
最理想的场地是自由空间，可以通过微波暗室来模拟，本次实验在实验室进行测量，测量过程中存在一定干扰；
最小测试距离：
实际测量中，发射天线到接收天线距离有限，为保证测量精度需规定被测天线入射波的幅度、相位条件来确定最小测试距离；
极化：
天线在给定空间方向上远区无线电波的极化，通常指天线在其最大辐射方向上的极化。
天线不能接收与其正交的极化分量，只有天线极化与来波极化一致时为极化匹配，接收机才可获得最大功率，极化失配时需乘以失配因子。
4.E面、H面、主瓣宽度
1）E面：
通过最大辐射方向并与电场矢量平行的平面；
2）H面：
通过最大辐射方向并与磁场矢量平行的平面；
3）主瓣宽度：
方向图呈波瓣形，最大的波瓣即主瓣，主瓣宽度包括零功率点波瓣宽度（FNBW）及半功率点波瓣宽度（HPBW）。
FNBW：
主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角；
HPBW：
主瓣最大值两边功率为最大功率一半的两辐射方向之间的夹角。
三、实验仪器
发射喇叭天线：
楔形角锥喇叭；
接收喇叭天线：
H面扇形喇叭、E面扇形喇叭、
楔形角锥喇叭、圆锥喇叭；
功率显示器；电源；工作盘
四、实验步骤
（1）将发射角锥喇叭天线与接收喇叭天线（E面扇形喇叭）垂直固定于工作盘并对准开口测E面方向图；
（2）左右旋转接收喇叭天线同时观察功率表找到最大值点，将该点对准刻度盘0°；
（3）向左旋转转盘，每转1°读一次示数并记录，读到不再有示数显示为止；
（4）刻度盘归零，向右旋转转盘步骤同（3）；
（5）接收喇叭天线换成其他类型，测出数据，步骤同上；
（6）用EXCEL统计数据并作出各天线雷达图；
5、实验数据
（1）E面喇叭的E、H面方向图值
相位/°
E值
E归一化
H值
H归一化
1
60
0.903614458
73
1
2
56.1
0.844879518
72
0.98630137
3
52
0.78313253
70
0.95890411
4
44.8
0.674698795
70
0.95890411
5
39
0.587349398
69.2
0.947945205
...
...
...
...
...
19
1
0.015060241
44
0.602739726
20
0.5
0.00753012
42
0.575342466
21
0.2
0.003012048
38.4
0.526027397
22
0.1
0.001506024
35
0.479452055
23
0.000001
1.50602E-08
33.2
0.454794521
...
...
...
...
...
303
0.000001
1.50602E-08
0.000001
1.36986E-08
304
0.000001
1.50602E-08
0.1
0.001369863
305
0.000001
1.50602E-08
0.1
0.001369863
306
0.000001
1.50602E-08
0.2
0.002739726
331
0.000001
1.50602E-08
18
0.246575342
332
0.2
0.003012048
20
0.273972603
...
...
...
...
...
355
62.1
0.935240964
70.2
0.961643836
356
65.8
0.990963855
71
0.97260274
357
66.4
1
72
0.98630137
358
66
0.993975904
71.8
0.983561644
359
64
0.963855422
72
0.98630137
（2）H面喇叭的E、H面方向图值
相位/°
E值
E归一化
H值
H归一化
0
78
0.847826087
76
1
1
76
0.826086957
72
0.947368421
2
75
0.815217391
68
0.894736842
3
74
0.804347826
70
0.921052632
4
72
0.782608696
64
0.842105263
...
...
...
...
...
14
68
0.739130435
4
0.052631579
15
72
0.782608696
4
0.052631579
16
78
0.847826087
2
0.026315789
17
76
0.826086957
0.000001
1.31579E-08
18
72
0.782608696
0.000001
1.31579E-08
...
...
...
...
...
48
6
0.065217391
0.000001
1.31579E-08
49
2
0.02173913
0.000001
1.31579E-08
50
2
0.02173913
0.000001
1.31579E-08
51
0.000001
1.08696E-08
0.000001
1.31579E-08
...
...
...
...
...
296
0.000001
1.08696E-08
0.000001
1.31579E-08
297
0.000001
1.08696E-08
0.000001
1.31579E-08
298
1
0.010869565
0.000001
1.31579E-08
299
1
0.010869565
0.000001
1.31579E-08
...
...
...
...
...
345
92
1
0.000001
1.31579E-08
346
90
0.97826087
0.000001
1.31579E-08
347
88
0.956521739
1
0.013157895
348
88
0.956521739
1
0.013157895
...
...
...
...
...
356
80
0.869565217
40
0.526315789
357
78
0.847826087
50
0.657894737
358
74
0.804347826
58
0.763157895
359
78
0.847826087
68
0.894736842
（3）角锥喇叭的E、H面方向图值
相位/°
E值
E归一化
H值
H归一化
0
98
1
99
1
1
97
0.989795918
97
0.97979798
2
93
0.948979592
94
0.939393939
3
87
0.887755102
90
0.878787879
4
79
0.806122449
84
0.797979798
...
...
...
...
...
26
1
0.010204082
1
0.01010101
27
1
0.010204082
0.0001
0.01010101
28
1
0.010204082
0.0001
0.01010101
29
1
0.010204082
0.0001
0.01010101
30
1
0.010204082
0.0001
0.01010101
31
0.0001
1.02041E-06
0.0001
1.0101E-06
...
...
...
...
...
329
0.0001
1.02041E-06
0.0001
1.0101E-06
330
1
0.010204082
0.0001
0.01010101
331
1
0.010204082
0.0001
0.01010101
332
1
0.010204082
0.0001
0.01010101
333
1
0.010204082
1
0.01010101
...
...
...
...
...
355
68
0.693877551
76
0.686868687
356
79
0.806122449
84
0.797979798
357
87
0.887755102
90
0.878787879
358
93
0.948979592
94
0.939393939
359
97
0.989795918
97
0.97979798
（4）圆锥喇叭的方向图值
相位/°
方向图值
方向图值归一化
0
0.000001
1.21951E-08
1
0.000001
1.21951E-08
...
...
...
71
0.000001
1.21951E-08
72
0.000001
1.21951E-08
73
1
0.012195122
74
2
0.024390244
75
4
0.048780488
...
...
...
89
80
0.975609756
90
82
1
91
82
1
92
81
0.987804878
...
...
...
107
2
0.024390244
108
1
0.012195122
109
0.000001
1.21951E-08
110
0.000001
1.21951E-08
...
...
...
179
0.000001
1.21951E-08
180
0.000001
1.21951E-08
六、实验结果
将上述实验数据各天线的方向图值归一化后取对数，结合相位角度绘制方向图：
（1）E面喇叭：
（2）H面喇叭：
（3）角锥喇叭：
（4）圆锥喇叭：
七、实验总结
本次实验利用角锥喇叭天线向四种接收天线发射电波，通过读取与接收天线相连的电流表的示数来确定每个相位角的方向图值，这里要注意读取的电流值是功率量级而非电流。
由E面喇叭和H面喇叭两种天线可以看出E面和H面的辐射场分别与天线开口口径有线性关系，因此可以通过调整天线口径大小从而调整天线的辐射方向图的主瓣的宽度，适应不同的需求。
八、演示实验问题
1.通过观看“微波暗室测试天线”视频教学内容你了解了几个问题？
将这些问题概括出来并作简要回答。
1 什么是微波暗室？
微波暗室是一个电磁屏蔽、室内每面均覆盖吸波材料的房间。
由于造价等原因，电波暗室方案通常适用于微波波段，故取名为微波暗室。
2 微波暗室怎么工作？
微波暗室的工作原理：
根据电磁波在介质中从低磁导向高磁导方向传播的规律，利用高磁导率铁氧体引导电磁波，通过共振，大量吸收电磁波的辐射能量，再通过耦合把电磁波的能量转变成热能。
3 微波暗室适用于哪些情况？
微波暗室主要用于辐射无线电骚扰（EMI）和辐射敏感度（EMS）测量，微波暗室的尺寸和射频吸波材料的选用主要由受试设备（EUT）的外形尺寸和测试要求决定。
4 微波暗室的组成？
微波暗室由屏蔽室、吸波材料、信号传输板、转台、天线、监控系统等组成。
2.通过观看“矢量网络分析仪的使用”视频教学内容你了解了几个问题？
将这些问题概括出来并作简要回答。
1 什么是矢量网络分析仪？
矢量网络分析仪器是一种电磁波能量的测试设备。
矢量网络分析仪的原理与使用力直接决于系统的动态范围指标。
相位波动参数的测试是利用矢量网络分析仪的电子延迟（Electrical Delay）功能来实现的。
2 矢量网络分析仪怎么工作？
矢量网络分析仪本身自带了一个信号发生器，可以对一个频段进行频率扫描.
如果是单端口测量的话，将激励信号加在端口上，通过测量反射回来信号的幅度和相位，以判断出阻抗或者反射情况。
而对于双端口测量，则还可以测量传输参数。
由于受分布参数等影响明显，所以网络分析仪使用之前必须进行校准。
3 矢量网络分析仪用于什么情形？
矢量网络分析仪可用于测量微波器件的电压驻波比（或回波损耗）、幅度、相位、时延等，还可以作为近场测量和远场测量的主要核心部件。
3.我们使用的矢量网络分析仪可以测试二端口网络的S参数，试采用矢量网络分析仪设计一个天线方向图测试系统，并说明测试方法。
1）测试系统：
2）测试方法：
在室外远距离测试时，通常采用分体式矢量网络分析仪的方案进行测试，如图2所示。
其原理为：
在进行传输参数测试时，主控计算机通过总线接口控制转台和分体式矢网协调工作，根据天线在不同转动角度时测得的传输参数最终计算出天线的方向性特性参数，外部锁相，收发分置的方式来进行测试。
发射端的合成信号源输出的微波信号经微波放大器送至发射天线发射出去，测试天线和参考天线所接收信号分别送到测试混频组件和参考混频组建与本振信号进行混频，产生中频信号，参考中频信号通过电缆回送到天线测试装置中的中频放大电路进行放大后，送到AV3630型四通道幅相接收机。
测试中频信号通过使用一对双工器经测试混频组件的本振馈送电缆回送到天线测试装置中的中频放大电路进行放大，然后才送到AV3630型四通道幅相接收机中。
4.试采用矢量网络分析仪和标准增益天线及其他辅助天线设计一个天线增益测试系统，并说明测试方法。
用比较法来测量天线增益，用一个增益已知的天线作标准天线，通过与标准天线的比较来测量天线的增益。
然后再通过矢量网络分析仪来对增益测量进行误差分析，通常情况下，大多数的矢量网络分析仪通过S11比值测量来进行时域变换测量。
S11反射测量不是简单的显示A或B接收机接收到的反射信号的大小，它显示测量接收机与参考接收机之间的比值测量结果。
此外S11比值测量能通过校准去除系统误差，这对时域测量特别重要，因为通过校准建立了测量参考平面，校准点变成了时间轴的零点，所有的时间和距离数据都以这个点为参考点。
这样时间和幅度数据都因经过了校准而非常精确。
5.如何通过矢量网络分析仪测试得到S参数计算待测天线的输入阻抗？
1）原理框图：
2）测试方法：
先将被测天线安装符合测量环境要求的空间，将矢量网络分析仪开机，预热15~30分钟，对矢量网络分析仪端口1进行校准，较准时按照仪器提示分别用短路器、开路器和匹配器进行校准，再将网络分析仪测试端口与被测天线相接，选择阻抗测试功能，在显示屏上利用标志（Maker）独处被测天线的输入阻抗值并记录。
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