哈工大电信学院天线技术实验报告.docx

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哈工大电信学院天线技术实验报告

实验报告

课程名称：

天线技术

院系：

电子于信息工程学院

班级：

姓名：

学号：

指导教师：

授课教师：

试验时间：

2012年6月

演示实验一超宽带天线的测试

一、实验目的

1、了解超宽带天线的概念及特点

2、了解现代天线测试系统的组成

3、了解现代天线测试仪器设备及其使用方法

4、了解超宽带天线的测试方法

二、实验原理

超宽带天线是一种具有极宽阻抗带宽的天线，其比带宽一般可以达到2：

1以上，现代超宽带天线的阻抗带宽可以达到30：

1以上，可以覆盖多个波段，能够实现传统的多个天线的功能，所以受到了研究者的广泛关注。

超宽带天线不仅需要具有极宽的阻抗带宽，即它的阻抗要在极宽的频带内保持在一个范围内，还需要具有极宽的方向图带宽、增益带宽以及极化带宽。

现代的超宽带天线还需要具有稳定的相位中心，即可以不失真地辐射时域脉冲信号。

根据以上对超宽带天线的要求，可以结合所学习的天线原理进行如下天线测试的内容：

（1）天线阻抗带宽的测试：

测试天线的反射系数（S11），需要用到公式（1-1）：

根据公式（1-1），只要测试出来的|Γ|值低于某个特定的值，就可以说明在此条件下天线的阻抗ZA接近于所要求的阻抗Z0（匹配），在天线工程上，Z0通常被规定为75Ω或者50Ω，本实验中取Z0=50Ω。

天线工程中通常使用电压驻波比（VSWR）ρ以及回波损耗（ReturnLoss，RL）来描述天线的阻抗特性，它们和|Γ|的关系可以用公式（1-2）和（1-3）描述：

对于不同要求的天线，对阻抗匹配的要求也不一样，该要求列于表1-1中。

（2）主极化方向图的测试

方向图的测试需要测试天线在阻抗带宽内的各个频点的远场的方向图，一般最少要测试3个频点，即下限频点f1、上限频点f2和中心频点f0，对于更宽的频带，要根据具体情况多测试一些频点的方向图，以便全面了解天线的参数。

在工程上，一般不需要远场的三维方向图，而只需要测试两个主平面的方向图曲线，对于线极化天线来说，这两个主平面为E面和H面。

因此，在天线测试前，还需要判断天线的极化方式。

在满足天线测试的极化匹配和阻抗匹配的条件下，所测试的方向图为单一频点的功率方向图，所依据的原理为公式（1-4）：

在不同角度θ的时候，接收天线接收的功率与自身的功率方向性函数P（θ）有关，因此将待测天线作为接收天线放置在一个可以接收到单一方向传播的均匀平面波的区域，并且绕自身轴线转动一周，这样不同角度θ处就可以接收到不同大小的功率，据此天线的功率方向图就可以绘制出来。

以上的测试方法涉及到了以下的条件：

①天线可以接收到单一方向传播的均匀平面波的区域，这需要一个无外界干扰的模拟自由空间的环境，还需要一个均匀平面波的发射源；

②天线可以绕着自身轴线转动，这需要一个转台；

③天线的接收功率可以测试，这需要一个功率计。

上述三条的解决方法是：

①无外界干扰的模拟自由空间的环境：

在微波暗室内测试，微波暗室的工作频带需要符合天线测试所需要的频率范围，微波暗室的大小需要满足天线工作的远场条件，这个远场条件需要用公式（1-5）进行判定。

式中：

dmin是最小测试距离，λ是工作波长，Dt是发射天线的口径最大尺寸，Dr是待测天线（接收天线）的口径最大尺寸。

②将天线安装在一个可以进行360°转动的转台上，转台的转动参数要满足所需要的测试精度。

③发射源和接收装置可以共用一个网络分析仪，因为发射天线（输入端可视为端口1）和接收天线（输入端可视为端口2）合起来组成了一个二端口网络，对于这个二端口网络来说，|S21|即为1端口发射时，2端口接收所得到传输系数，天线的不同的方向所得到的|S21|也是不同的。

因此，根据所得到的|S21|也可以得到天线的功率方向图。

所测试的方向图曲线均需要进行归一化处理。

（3）交叉极化方向图的测试

在主极化的方向图测试完毕后，需要测试交叉极化的方向图，此时要将天线的极化状态与发射天线的极化状态正交，然后测试天线方向图，这样可以得到天线的交叉极化电平，交叉极化电平根据公式（1-6）进行计算。

交叉极化方向图一般与主极化方向图绘制在一个坐标系中，并且要相对于主极化方向图绘制。

（4）增益的测试

本实验的增益测试使用的是比较法。

将接收天线的最大辐射方向和发射天线对准，保证极化匹配和阻抗匹配时，测试此时的|S21|，记录为|S21|X，然后用标准增益天线（通常为喇叭天线）重复上述测试，记录的值为|S21|S，然后按照公式（1-7）（或者公式1-8）进行增益计算。

三、实验步骤

（1）驻波系数的测试

环境：

微波暗室

设备：

AgilentE8363B型矢量网络分析仪、固定天线夹具

操作步骤：

①打开矢量网络分析仪，选择导入全波段校准数据，界面选择测试S11，显示格式为SWR，显示比例为每纵格0.5，将起始频率和终止频率设置为1GHz和16GHz，并设置频点f1=3.1GHz、f2=10.6GHz、f0=6.85GHz，此时矢网的输出功率电平应保持默认值（-17dBm）。

②将天线装入固定夹具，然后将网络分析仪的PortA端口与天线馈电端口相连，将天线辐射体置于远离周围障碍物的地方（超过50cm），测试此时的驻波系数，重点观察f1、f2和f0频点的驻波系数，并记录到表I-1中。

③设置Mark，观察天线在3.1-10.6GHz频带范围内驻波系数的最大值和最小值，并记录到表I-1中。

④观察天线的驻波系数低于2.0时的下限频率和上限频率，记录到表I-1中。

⑤晃动天线，观察此时矢网屏幕的驻波系数曲线的变化。

（2）主极化方向图的测试

环境：

微波暗室

设备：

AgilentE8363B型矢量网络分析仪、固定天线夹具、10米低损耗电缆两根、1米低损耗电缆一根、工控机（含天线测试系统软件）、GPIB线、串口线、天线测试转台、发射天线及专用支架、天线测试专用夹具、低噪声放大器（选件）。

工具：

激光笔

①将天线安装至固定天线夹具上，然后将天线按照垂直极化的方式安装在转台上，安装时需保证天线辐射体中心的铅垂投影线通过转台中心的偏差在3cm以内（用激光笔测试），保证天线垂直极化；

②将一根10m低耗电缆的一端连接在天线的馈电端口上，另一端连接低噪声放大器的

输入口上，然后用1m低耗电缆将低噪声放大器的输出口与矢量网络分析仪的PORTB端

口相连接（若无低噪放则将10m电缆的另一端通过1m低耗电缆与矢量网络分析仪的

PORTB端口相连接）；

③将与发射天线相连接的另一根10m低耗电缆的与矢量网络分析仪的PORTA端口向连接；

④调整发射天线的高度、极化，使发射天线为垂直极化，口面中心与待测天线辐射体中心同一高度，用激光笔测试偏差不超过5cm；

⑤将工控机与矢量网络分析仪通过GPIB线连接在一起，开启计算机，进入到天线测试系统软件界面，点“初始化”键，然后进行测试频点设置，分别设置频点3个：

f1=3.1GHz、f2=10.6GHz、f0=6.85GHz。

⑥进行天线方向图的自动测试，转台水平旋转一周，计算机自动根据采集的数据输出待测频点方向图，做好存档，此时测得的为天线H面方向图；

⑦更换夹具，将天线按照水平极化的方式安装在转台上，安装时需保证天线辐射体中心的铅垂投影线通过转台中心的偏差在3cm以内（用激光笔测试），保证天线水平极化；

⑧调整发射天线的高度、极化，使发射天线为水平极化，口面中心与待测天线振子中心同一高度，用激光笔测试偏差不超过5cm；

⑨按照步骤⑤、⑥进行测试，做好计算机输出方向图的存档，此时测得的为天线E面方向图；

⑩继续其余频点的测试，根据存档的E面和H面方向图，观察记录如下内容，并记录到表I-2中。

（a）峰值电平及角度坐标；

（b）主瓣宽度；

（c）方向图的起伏程度（不圆度或者零值深度）

（d）第一副瓣电平

（3）交叉极化方向图的测试

与

（2）类似，只是将

（2）中安装天线时收发天线两者极化方式相同安装修改为正交安装即可，涉及的操作步骤为①、④、⑦、⑧。

记录到表I-3的内容为：

（a）峰值电平；

（b）与主极化方向图相比，两者电平相差的最大值和最小值，包括最值出现的角度坐标。

（4）增益测试

环境：

微波暗室

设备：

AgilentE8363B型矢量网络分析仪、固定天线夹具、10米低损耗电缆两根、1米低损耗电缆一根、工控机（含天线测试系统软件）、GPIB线、串口线、标准喇叭天线、天线测试转台、发射天线及专用支架。

工具：

激光笔

①将天线安装至固定天线夹具上，然后将天线按照垂直极化的方式安装在转台上，安装时需保证天线辐射体中心的铅垂投影线通过转台中心的偏差在3cm以内（用激光笔测试），保证天线垂直极化；

②将一根10m低耗电缆的一端连接在天线的馈电端口上，另一端连接在矢量网络分析仪的PORTB端口上；

③将与发射天线相连接的另一根10m低耗电缆的与矢量网络分析仪的PORTA端口向连接；

④调整发射天线的高度、极化，使发射天线为垂直极化，口面中心与待测天线辐射体中心同一高度，用激光笔测试偏差不超过5cm；

⑤调整待测天线与发射天线的最大辐射方向，让两个天线的最大辐射方向正对，具体地，调试发射天线转台，使方位角为0º，然后，使待测天线的辐射体与发射天线正对，此处需要参考

（2）-⑩-（a）记录的峰值电平及角度坐标值；

⑥开启网仪，界面选择测试S21，显示格式为Log，显示比例为每纵格10dB，参考电平设置为-50dB，将起始频率和终止频率设置为1GHz和16GHz，并设置频点f1=3.1GHz、f2=10.6GHz、f0=6.85GHz，，此时矢网的输出功率电平设置为+3dBm。

⑦记录此时矢量网络分析仪的数据，具体地，就是3个频点对应的|S21|值，记录为|S21|xi（i=0，1，2）；此时可适当地调整待测天线转台的方位角，直至各频点对应的|S21|值最大，开始记录；

⑧取下待测天线，将标准天线保持垂直极化状态，安装到测试夹具上，使口面与发射天线正对，口面中心与发射天线口面中心同一高度（用激光笔测试偏差不超过5cm）；⑨仿照步骤⑦记录此时矢量网络分析仪的数据，具体地，就是3个频点对应的|S21|值，记录为|S21|xi（i=0，1，2）；此时可适当地调整待测天线转台的方位角，直至各频点对应的|S21|值最大，开始记录；

⑩将记录的数据按照如下公式进行计算，求出待测天线在频点fi处的增益：

Gxi（dB）=Gsi（dB）-|S21|si（dB）+|S21|xi（dB）（i=0，1，2），Gsi（dB）是标准天线增益，可以查表求得。

记录及计算所得的数据均要存档备查（表I-4）。

四、实验记录

3.1GHz

3.2GHz

8GHz

8.2GHz

8.4GHz

线极化超宽带天线的H面方向图

3.2GHz

3.5GHz

5.0GHz

5.2GHz

8GHz

8.2GHz

8.4GHz

线极化超宽带天线的E面方向图

五、实验结论

通过实验测试图可看出，此款线极化超宽带天线为全向辐射天线，H面辐射为圆形方向图（在任何辐射方向上归一化的辐射强度均大于-3dB），E面辐射为8字形方向图。

但E面方向图在频率较高处为蝴蝶型，出现了方向图分裂的情况，H面方向图在高频时不圆度增加。

方向图分裂的原因会在第二道思考题给予解释。

六、思考题

1、在驻波系数的测试中，晃动天线，观察此时矢网屏幕的驻波系数曲线的变化，解释

发生这种现象的原因。

答：

这是由于测试者存在的原因，测试者本身就是一导体，天线发射出来的电磁波部分会打到测试者身上并产生反射回天线，晃动天线，打到测试者身上并产生反射回天线的电磁波的强度不同，导致了驻波系数测试的结果不一。

此外，由于微波暗室使用吸波材料吸去大部分的电磁波来模拟自由空间，但是还是有少量的电磁波被反射回来，晃动天线时，电磁波传播的边界条件发生改变，也会造成驻波系数测试的结果不一。

由于以上两个原因，导致了矢网屏幕的驻波系数曲线的变化。

2、解释在不同频点时天线的方向图有很大区别的原因。

答：

天线辐射出来的电磁波是由表面电流产生的，不同频点上表面电流波长不同，在天线表面的相位变化不同，若天线的尺寸远大于表面电流波长，则会形成驻波电流，若天线的尺寸远小于表面电流波长，则会形成行波电流。

而行波电流的辐射方向图由于存在零点，会导致天线辐射方向图的分裂。

演示实验二圆极化天线的测试

一、实验目的

1、了解圆极化天线的概念及特点

2、了解现代天线测试系统的组成

3、了解现代天线测试仪器设备及其使用方法

4、了解圆极化天线的测试方法

二、实验原理

天线实现圆极化的条件是，要激励起两个极化方向正交的、幅度相等的、相位相差90°的线极化波。

根据该条件要求，可以结合所学习的天线原理进行如下天线测试的内容：

（1）天线阻抗带宽的测试：

测试天线的反射系数（S11），需要用到公式（2-1）：

根据公式（2-1），只要测试出来的|Γ|值低于某个特定的值，就可以说明在此条件下天线的阻抗ZA接近于所要求的阻抗Z0（匹配）,本实验中取Z0=50Ω。

天线工程中通常使用电压驻波比（VSWR）ρ以及回波损耗（ReturnLoss，RL）来描述天线的阻抗特性，它们和|Γ|的关系可以用公式（2-2）和（2-3）描述：

（2）圆极化天线轴比的测试

极化是指在与电磁波的传播方向垂直的平面内，电场矢量变化一周矢量末端所描绘出的轨迹，根据轨迹形状的不同天线的极化可以分为线极化、圆极化和椭圆极化三种形式，其中线极化和圆极化为椭圆极化的特例。

描述椭圆极化的参数有轴比、旋向和倾角。

椭圆极化轴比定义为长轴和短轴的比值，用r表示，以分贝为单位的轴比R为

R=20lg（r）[dB]（2-4）

当R=0dB时为圆极化，R=∞时为线极化。

椭圆极化的旋向是根据波的传播方向和电场矢量的旋转方向定义的，可以分为左旋椭圆极化和右旋椭圆极化。

一般地，天线的旋向是由天线本身的结构和馈电确定的，是一个固定的参数。

倾角的定义与研究天线所选取的坐标系有关。

如图2-1所示的坐标系，其中+z向为波的传播方向，x轴为基准坐标轴，Ea为椭圆长轴，角度τ定义为倾角，这里，+x方向、Ea方向和波传播方向成右手螺旋关系。

一般的天线在严格意义上说均是椭圆极化天线，通常线极化天线容易实现，而圆极化天线较难实现，所以通常采用极化图形测量方法测试椭圆极化天线的轴比，用一个线极化天线为发射源，它的极化方向垂直于收发天线的连线（收发天线轴），且能够绕收发天线轴旋转。

使待测天线为接收天线，记录接收的信号幅度与发射线天线转角的关系曲线，就得到了待测天线的极化图。

由极化图可以确定极化椭圆的长轴Ea和短轴Eb方向、极化轴比R以及倾角τ，极化图可以采用极坐标形式，也可以采用直角坐标形式。

（3）圆极化方向图的测试

方向图的测试需要测试天线在阻抗带宽内的各个频点的远场的方向图，一般最少要测试3个频点，即下限频点、中心频点和上限频点，对于更宽的频带，要根据具体情况多测试一些频点的方向图，以便全面了解天线的参数。

在工程上，一般不需要远场的三维方向图，而只需要测试两个主平面的方向图曲线，对于圆极化天线来说，这两个主平面为方位面和俯仰面。

另外，在天线测试前，还需要判断天线的椭圆极化旋向（本实验中，待测天线的椭圆极化旋向是已知的）。

在满足天线测试的极化匹配和阻抗匹配的条件下，所测试的方向图为单一频点的功率方向图，所依据的原理为公式（2-5）：

在不同角度θ的时候，接收天线接收的功率与自身的功率方向性函数P（θ）有关，因此将待测天线作为接收天线放置在一个可以接收到单一方向传播的均匀平面波的区域，并且绕自身轴线转动一周，这样不同角度θ处就可以接收到不同大小的功率，据此天线的功率方向图就可以绘制出来。

以上的测试方法涉及到了以下的条件：

①天线可以接收到单一方向传播的均匀平面波的区域，这需要一个无外界干扰的模拟自由空间的环境，还需要一个均匀平面波的发射源；

②天线可以绕着自身轴线转动，这需要一个转台；

③天线的接收功率可以测试，这需要一个功率计。

上述三条的解决方法是：

①无外界干扰的模拟自由空间的环境：

在微波暗室内测试，微波暗室的工作频带需要符合天线测试所需要的频率范围，微波暗室的大小需要满足天线工作的远场条件，这个远场条件需要用公式（2-6）进行判定。

式中：

dmin是最小测试距离，λ是工作波长，Dt是发射天线的口径最大尺寸，Dr是待测天线（接收天线）的口径最大尺寸。

②将天线安装在一个可以进行360°转动的转台上，转台的转动参数要满足所需要的测试精度。

③发射源和接收装置可以共用一个网络分析仪，因为发射天线（输入端可视为端口1）和接收天线（输入端可视为端口2）合起来组成了一个二端口网络，对于这个二端口网络来说，S21|即为1端口发射时，2端口接收所得到传输系数，天线的不同的方向所得到的|S21|也是不同的。

因此，根据所得到的|S21|也可以得到天线的功率方向图。

所测试的方向图曲线均需要进行归一化处理。

（4）圆极化增益的测试

本实验的增益测试使用的是比较法。

将接收天线的最大辐射方向和发射天线对准，保证极化匹配和阻抗匹配时，测试此时的|S21|，记录为|S21|X，然后用标准增益天线（通常为喇叭天线）重复上述测试，记录的值为|S21|S，然后按照公式（2-7）进行增益计算。

三、实验内容

1、实验仪器与实验环境

（1）AgilentE8363B型矢量网络分析仪

（2）CST-1型自动测试转台

（3）XB-GH型标准增益天线、发射天线及待测天线

（4）微波暗室

2、实验装置图

本实验所使用的实验设备需按照图2-5进行连接。

3、实验步骤

（1）驻波系数的测试

环境：

微波暗室

设备：

AgilentE8363B型矢量网络分析仪、固定天线夹具

操作步骤：

1打开矢量网络分析仪，选择导入全波段校准数据，界面选择测试S11，显示格式为SWR，显示比例为每纵格0.5，将起始频率和终止频率设置为2GHz和3GHz，并设置频点f1=2.3GHz、f2=2.5GHz、f0=2.4GHz，此时矢网的输出功率电平应保持默认值（-17dBm）。

2将天线装入固定夹具，然后将网络分析仪的PortA端口与天线馈电端口相连，将天线辐射体置于远离周围障碍物的地方（超过50cm），测试此时的驻波系数，重点观察f1、f2和f0频点的驻波系数，并记录到表II-1中。

3设置Mark，观察天线在2.1-2.6GHz频带范围内驻波系数的最大值和最小值，并记录到表II-1中。

4观察天线的驻波系数低于2.0时的下限频率和上限频率，记录到表II-1中。

5晃动天线，观察此时矢网屏幕的驻波系数曲线的变化。

（2）圆极化天线轴比的测试

环境：

微波暗室

设备：

AgilentE8363B型矢量网络分析仪、固定天线夹具

操作步骤：

1打开矢量网络分析仪，选择导入全波段校准数据，界面选择测试S21，显示格式为幅值和相位，显示比例为每纵格10dB和45°幅值参考电平设置为-50dB，将起始频率和终止频率设置为2GHz和3GHz，并设置频点f1=2.3GHz、f2=2.5GHz、f0=2.4GHz，此时矢网的输出功率电平应保持设定值（+3dBm）。

2将天线安装至固定天线夹具上，然后将天线按照垂直极化的方式安装在转台上，安装时需保证天线辐射体中心的铅垂投影线通过转台中心的偏差在3cm以内（用激光笔测试），保证天线垂直极化；

3将一根10m低耗电缆的一端连接在天线的馈电端口上，另一端通过1m低耗电缆与矢量网络分析仪的PORTB端口相连接；

4将与发射天线相连接的另一根10m低耗电缆的与矢量网络分析仪的PORTA端口向连接；

5调整发射天线的高度、极化，使发射天线为垂直极化，口面中心与待测天线辐射体中心同一高度，用激光笔测试偏差不超过5cm；

6令发射天线绕收发天线轴旋转，记录此时的S21的幅值和相位与转角的对应关系，填入表II-2中。

转动步长可以取5°或者10°，要保证发射天线能够转动180°。

在本实验中，发射天线只能转动90°，可以将待测天线转动90°，再测一次，总之，一定要满足发射天线转动180°。

（3）圆极化方向图分量的测试

环境：

微波暗室

设备：

AgilentE8363B型矢量网络分析仪、固定天线夹具、10米低损耗电缆两根、1米低损耗电缆一根、工控机（含天线测试系统软件）、GPIB线、串口线、天线测试转台、发射天线及专用支架、天线测试专用夹具、低噪声放大器（选件）。

工具：

激光笔

1将待测天线安装至固定天线夹具上，然后将待测天线按照长轴Ea（或者短轴Eb）垂直地面的方式安装在转台上，安装时需保证天线辐射体中心的铅垂投影线通过转台中心的偏差在3cm以内（用激光笔测试）；

2将一根10m低耗电缆的一端连接在天线的馈电端口上，另一端连接低噪声放大器的输入口上，然后用1m低耗电缆将低噪声放大器的输出口与矢量网络分析仪的PORTB端口相连接（若无低噪放则将10m电缆的另一端通过1m低耗电缆与矢量网络分析仪的PORTB端口相连接）；

3将与发射天线相连接的另一根10m低耗电缆的与矢量网络分析仪的PORTA端口向连接；

4调整发射天线的高度、极化，使发射天线为垂直极化，口面中心与待测天线辐射体中心同一高度，用激光笔测试偏差不超过5cm；

5将工控机与矢量网络分析仪通过GPIB线连接在一起，开启计算机，进入到天线测试系统软件界面，点“初始化”键，然后进行测试频点设置，分别设置频点3个：

f1=2.3GHz、f2=2.5GHz、f0=2.4GHz。

6进行天线方向图的自动测试，转台水平旋转一周，计算机自动根据采集的数据输出待测频点方向图，做好存档，此时测得的为天线水平面方向图（垂直极化分量）；

7调整发射天线的高度、极化，使发射天线为水平极化，口面中心与待测天线辐射体中心同一高度，用激光笔测试偏差不超过5cm；

8按照步骤⑤、⑥进行测试，做好计算机输出方向图的存档，此时测得的为天线水平面方向图（水平极化分量）；

9更换夹具，将待测天线绕收发天线轴旋转90°安装在转台上，安装时需保证天线辐射体中心的铅垂投影线通过转台中心的偏差在3cm以内（用激光笔测试）；

10按照⑤⑥⑦⑧步骤继续测试，测试天线的俯仰面方向图的两个正交分量，根据存档的方位面和俯仰面方向图，观察记录峰值电平及角度坐标，并记录到表II-3中。

（4）增益测试

环境：

微波暗室

设备：

AgilentE8363B型矢量网络分析仪、固定天线夹具、10米低损耗电缆两根、1米低损耗电缆一根、工控机（含天线测试系统软件）、GPIB线、串口线、标准喇叭天线、天线测试转台、发射天线及专用支架。

工具：

激光笔

1将待测天线安装至固定天线夹具上，然后将待测天线按照长轴Ea（或者短轴Eb）垂直地面的方式安装在转台上，安装时需保证天线辐射体中心的铅垂投影线通过转台中心的偏差在3cm以内（用激光笔测试）；

2将一根10m低耗电缆的一端连接在天线的馈电端口上，另一端连接在矢量网络分析仪的PORTB端口上；