天线实验报告.docx

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天线实验报告

天线原理演示实验指导书

、实验目的

1、掌握50欧姆同轴电缆与SMA连接器的连接方法。

2、掌握半波振子天线的制作方法。

3、掌握使用“天馈线测试仪”测试天线VSWR和回波损耗的方法。

4、掌握采用“天馈线测试仪”测试电缆损耗的方法。

二、实验原理

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）：

式中a——内芯直径；b——外皮内直径。

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三、实验仪器

（1）AnritsuS331D天馈线测试仪

图1-1AnritsuS331D天馈线测试仪表1-2AnritsuS331D天馈线测试仪主要性能指标

参数名称

参数值

频率范围

25MHz-4000MHz

频率分辨率

100kHz

输出功率

<0dBm

回波损耗范围

0.00-54.00dB（分辨率：

0.01dB）

驻波比范围

0.00-65.00（分辨率：

0.01）

2）50欧姆同轴电缆、SMA连接器、热塑管、直径2.5mm和0.5mm铜丝、泡沫（用于支

撑和固定天线）和酒精棉等。

（3）工具，主要包括：

裁纸刀、尖嘴钳子、斜口钳子、砂纸、挫、尺和电烙铁等。

四、实验步骤

1、半波振子天线的制作

制作天线时要主要安全，使用电烙铁和裁纸刀时应倍加注意。

（1）截取一段长度为10cm的50欧姆同轴电缆。

（2）用裁纸刀将电缆两端蓝色的电缆护套各剥去3cm。

（3）将SMA同轴连接器与电缆相连接，具体操作步骤如下：

用裁纸刀将电缆一端的外皮和聚四氟乙烯介质切掉1cm，保留电缆内芯。

注意：

在

环切外皮和介质时，尽量不要切到内芯；在切断外皮和介质后，可以用尖嘴钳夹住待去掉的部分左右晃动并拔下。

用斜口钳子剪断电缆内芯的一部分，留下约3mm~4mm的长度。

用砂纸打磨电缆内芯和金属外皮，并用酒精棉擦拭干净。

将电缆内芯插入针内，并用焊锡焊接牢固。

将SMA连接器的J头（内螺纹）与K头（外螺纹）相连（目的是防止焊接时由于过热，连接器内的聚四氟乙烯膨胀变形，高出金属部分），将针和电缆插入SMA连接器的另一端，用力推紧，然后用电烙铁将SMA连接器与电缆外皮焊接。

注意：

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焊锡要充分熔化，直至流入SMA连接器与电缆的缝隙内（即在SMA连接器的孔内看到焊锡，若很难熔化，是由于铜散热过快，可采用两个电烙铁同时加热）。

剪适当长度的热塑管，套在同轴电缆上，覆盖住露出外皮的同轴电缆，使用电烙铁或热风枪对热塑管加热，使其收缩。

（4）制作半波振子天线

计算谐振频率f=2.4GHz的半波振子的每个臂长l/2，用斜口钳子截取两端铜丝，长度均为l/2。

注意：

组1采用直径为0.5mm的铜丝，组2采用直径为2.5mm的铜丝。

将制作好的同轴电缆的一侧（另一侧为SMA连接器）去掉2cm蓝色护套，再去掉1cm金属外皮，最后去掉8mm聚四氟乙烯介质。

截取长10cm×宽4cm的泡沫，用锥子在其中心打个孔，并在其表面制作出一条沟（长度略长于半波振子，宽度和深度约为半波振子直径）。

将制作好的同轴电缆从泡沫的中心孔插入，截取一小段细铜丝，在同轴电缆的金属外皮上缠绕2-3圈，留出约0.5cm-1cm的长度，用于与半波振子的一个臂进行焊接。

同时，将同轴电缆的内芯与半波振子的另一个臂进行焊接。

将制作好的半波振子固定在泡沫上（预先制作好的沟内），用透明胶带固定好。

半波振子制作完成。

2、天线阻抗带宽测试

（1）开机与校准

点击on/off按键，来启动AnritsuS331D天馈线测试仪。

点击数字1，以打开背景灯。

点击MODE，利用上下键选择回波损耗。

点击FREQ，再点击F1，输入1800，点击ENTER；点击F2，输入2600，点击ENTER。

点击STARTCAL，屏幕出现“连接开路器到信号输出端口”，从屏幕右侧的袋子里取出校准器件，将OPEN端连接至天馈线测试仪的电缆（注意，先将电缆上的N转SMA连接头拧下），连接后点击ENTER。

当屏幕上出现“连接短路器到信号输出端口”时，将SHORT端连接至天馈线测试仪的电缆，连接后点击ENTER。

当屏幕上出现“连接负载到信号输出端口”时，将校准件负载端（除了open和short外的第三个端口）连接至天馈线测试仪的电缆，连接后点击ENTER。

至此校准完毕。

将校准件拧下，放回原处，将N转SMA连接头与天馈线测试仪电缆连接好，准备测试。

（2）天线回波损耗和VSWR测试将所制作的天线连接至天馈线测试仪电缆的SMA端口。

观察天线的回波损耗随频率的变化。

此时，横轴共10格，包含了1800MHz~2600MHz的频率范围，每格80MHz。

点击MARK，再点击M1，点击编辑，输入频率（如2000），按ENTER键。

再添加3个MARK，找到回波损耗小于10dB的频点。

点击MODE，利用上下键选择VSWR，点击ENTER。

观察VSWR<2的频带范围。

保存天线回波损耗和VSWR测试结果，撰写实验报告。

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3、实验数据和实验报告

1、观察所制作的半波振子天线，测量天线的总长度和直径，填入表I-1。

2、观察待测天线的回波损耗，将回波损耗小于10dB的低频点、高频点和中心频点填入表

I-1，并计算中心波长，填入表I-1。

3、观察待测天线的VSWR，将VSWR小于2的低频点、高频点填入表I-1。

4、计算半波振子天线长度直径比和长度波长比，填入表I-1。

5、写出天线的工作频率范围、绝对带宽、相对带宽、比带宽，填入表I-2。

请回答：

该带宽

属于那一种带宽阻抗带宽（阻抗带宽、方向图带宽、增益带宽、极化带宽）。

表I-1天线参数

组别

半波振子长度l

fL（RL<10dB）

fH（RL<10dB）

f0=（fL+fH）/2

λ0=c/f0

组1

6.3cm

2050.60MHz

2300.00MHz

2175.30MHz

13.8cm

组2

5.4cm

2050.60MHz

2458.90MHz

2254.75MHz

13.3cm

组别

半波振子直径d

fL（VSWR<2）

fH（VSWR<2）

l/d

l/λ0

组1

0.5mm

2224.60MHz

2461.60MHz

126

0.46

组2

2.5mm

1900.00MHz

2500.00MHz

216

0.41

表I-2天线带宽计算

天线工作频率范围

绝对带宽

相对带宽

比带宽

2050.60MHz

~2458.90MHz

408.3MHz

0.181

1.199

五、思考题

1、根据天线的测试结果，解释“末端效应”。

答：

由于天线上每一点都产生辐射，即电流波在天线上一边传输一边辐射，使得电流有衰减，电流传播的相速减小，波长缩短，相位常数大于自由空间相位常数。

另外，对称振子有一定直径，其馈电端和末端分布电容增大，末端电流实际不为零，振子愈粗，末端效应愈显著。

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实验二超宽带天线测试（演示实验）

、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、了解超宽带天线主要参数的测试方法

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

参见实验一中二

（1）内容。

（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（2-1）：

PrSiAeSiGP（）（2-1）

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：

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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（2-2）进行判定。

2-2）

d2（DtDr）2

min

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）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（2-3）（或者公式2-4）进行增益计算。

GX=GS|S21|X/|S21|S（2-3）

或者为

GX（dB）=GS（dB）+|S21|X（dB）-|S21|S（dB）（2-4）

三、实验内容

1、实验仪器与实验环境

（1）Anritsu37247D型矢量网络分析仪

Anritsu37247D型矢量网络分析仪（图2-1所示）是一种能够进行各种射频、微波的元器件测试的高性能仪器。

它通过对快扫描速度，宽动态范围、低轨迹噪声和灵活的连通性的正确组合，可以快速、精确地测试微波元件的网络参量（S参数）。

其主要性能指标见表2-1。

图2-1Anritsu37247D型矢量网络分析仪

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表2-1主要性能指标

Frequency（GHz）

Port1Power,Typical

NoiseFlooratPort2（dBm）

SystemDynamicRange

0.04

-82

-104

115

-101

108

（2）CST-1型自动测试转台

本实验采用的是CST-1型自动测试转台（图2-2），该型转台为二维转台，可以实现方位±360转动以及俯仰±90°转动，转动精度为0.05°。

图2-2CST-1型自动测试转台

（3）AgilentHP8449B微波前置放大器

本实验采用的是AgilentHP8449B微波前置放大器，用于对接收天线收到的电磁信号进行放大，参数如下：

噪声系数：

1.0GHz~12.5GHz-8.5dB；12.5GHz~22.0GHz-12.5dB;；22.0GHz~26.5GHz-14.5dB

最小增益：

23.5dB

增益平坦度：

1.0GHz~26.5GHz-±4.5dB

连接器类型：

ACP-3.5male

图2-3AgilentHP8449B微波前置放大器

4）XB-GH型标准增益天线、发射天线及待测天线标准天线为喇叭天线，其增益稳定，如图2-4（a）所示，图中的一系列标准增益喇

叭可以适用于0.5-40GHz，本实验测试所需要的喇叭天线有以下3个：

表2-2喇叭天线型号与参数

喇叭天线型号

工作频率（GHz）

天线增益

XB-GH340-18N

2.17~3.3

19.5dB

f=3.1GHzGain=19.5dB

XB-GH137-20N

5.38~8.17

19.8dB

f=6.85GHzGain=19.8dB

XB-GH90-20N

8.2~12.4

20.5dB

f=10.6GHzGain=20.5dB

发射天线为一超宽带加脊喇叭天线，如图2-4（b）所示，工作频率范围为1-18GHz，

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增益为6-18dB；

待测天线一个，为全向超宽带天线，如图2-4（c）所示，其理论计算的下限频率如

下式所示。

a）标准增益喇叭天线

b）超宽带喇叭天线

c）全向超宽带天线

图2-4实验所需要的各类天线

（4）微波暗室

本实验所使用的微波暗室为9m×6m×6m暗室，工作频率范围为0.5-40GHz，适用范围很广，

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如图2-5所示。

图2-5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2-6进行连接。

微波暗室区域

图2-6实验装置框图

3、实验步骤

（1）驻波系数的测试环境：

微波暗室设备：

Anritsu37247D型矢量网络分析仪、固定天线夹具操作步骤：

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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II-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）主极化方向图的测试

环境：

微波暗室

设备：

Anritsu37247D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II-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）

（3）增益测试环境：

微波暗室

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设备：

Anritsu37247D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；

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，

|S21|值最大，开始记

使口面与发射天线正

5cm）；

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，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

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II-3）。

4、记录表格

表II-1驻波系数记录表

频率（GHz）

3.1

10.6

6.85

下限频率为：

3.1

上限频率为：

10.6

VSWR

1.2

3.1-10.6GHz内的最小值为：

3.1-10.6GHz内的最大值为：

1.3

1.2

表II-2主极化方向图记录表

3.1GHz

全向天线

H面

角度（°）

92.57761

92.29681

绝对峰值电平：

-13.72dB主瓣宽度：

95.44°不圆度：

±25.77

归一化电平

（dB）

-3

最小值：

-2.98

E面

角度（°）

79.5

-158.5512

-44.4024

归一化电平

（dB）

-3

最小值：

-30.65

10.6GHz

全向天线

H面

角度（°）

-125.8128

98.92081

绝对峰值电平：

-37.32dB主瓣宽度：

35.03°不圆度：

±30.84

归一化电平

（dB）

-3

最小值：

-5.66

E面

角度（°）

91.54797

-50.09039

归一化电平

（dB）

-3

最小值：

-45.24

6.85GHz

全向天线

H面

角度（°）

-125.6256

98.36641

绝对峰值电平：

-24.68dB主瓣宽度：

49.49°不圆度：

±12.31

归一化电平

（dB）

-3

最小值：

-5.66

E面

角度（°）

148.2552

73.4616

归一化电平

（dB）

-3

最小值：

-20.75

天线原理演示实验指导书

表II-3增益测试记录表

频率（GHz）

3.1

10.6

6.8

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