天线实验报告.docx

1、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。天线原理演示实验指导书三、实验仪器（1）Anritsu S331D 天馈线测试仪图 1-1 Anritsu S331D 天馈线测试仪 表 1-2 Anritsu S331D 天馈线测试仪主要性能指标参数名称参数值频率范围25

2、MHz-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

3、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 3mm4mm 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

4、 SMA 连接器与电缆外皮焊接。 注意：天线原理演示实验指导书焊锡要充分熔化，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

5、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 Anri

6、tsu S331D 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 START CAL ，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”

7、 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 1800MHz2600MHz 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

8、点。点击 MODE ，利用上下键选择 VSWR ，点击 ENTER 。观察 VSWR2 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。天线原理演示实验指导书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、

9、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 lfL(RL10dB)fH(RL10dB)f0=(fL+ fH)/20=c/ f0组16.3cm2050.60MHz2300.00MHz2175.30MHz13.8cm组25.4cm2050.60MHz2458.90MHz2254.75MHz13.3cm组别半波振子直径 dfL (VSWR2)fH (VSWR2)l/dl/0组10.5mm2224.60 MHz2461.60MHz1260.46组22.5mm1900.00MHz2500.00MH

10、z2160.41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2050.60MHz2458.90MHz408.3MHz0.1811.199五、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。天线原理演示实验指导书实验二 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

11、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

12、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）：2Pr S

13、i Ae Si GP（ ） （2-1）4在不同角度 的时候， 接收天线接收的功率与自身的功率方向性函数 P（）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 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：天线原理演示实验指导

14、书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。22-2)d 2(Dt Dr )2min式中： dmin是最小测试距离， 是工作波长， D t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，

15、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）

16、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）Anritsu 37247D 型矢量网络分析仪Anritsu 37247D 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 2-1 Anritsu 37247D 型矢量网络分析仪天线原理演示实验指导书表 2-1 主要性能指标Frequency(GHz)Port1

17、Power, TypicalNoise Floor at Port 2(dBm)System Dynamic Range0.0410-8292211-104115207-101108（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 2-2 CST-1 型自动测试转台（3）Agilent HP 8449B 微波前置放大器本实验采用的是 Agilent HP 8449B 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： 1.0GHz12

18、.5 GHz - 8.5dB ；12.5 GHz22.0 GHz - 12.5dB; ；22.0 GHz26.5 GHz - 14.5dB最小增益： 23.5dB增益平坦度： 1.0 GHz26.5 GHz - 4.5dB连接器类型： ACP - 3.5 male图 2-3 Agilent HP 8449B 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

19、线增益XB-GH340-18N2.173.319.5dBf=3.1GHz Gain=19.5dBXB-GH137-20N5.388.1719.8dBf=6.85GHz Gain=19.8dBXB-GH90-20N8.212.420.5dBf=10.6GHz Gain=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 ，天线原理演示实验指导书增益为 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）

20、微波暗室本实验所使用的微波暗室为 9m6m6m 暗室，工作频率范围为 0.5-40GHz ，适用范围很广，天线原理演示实验指导书如图 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： Anritsu 37247D 型矢量网络分析仪、固定天线夹具 操作步骤：天线原理演示实验指导书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

21、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 ）。 将天线装入固定夹具，然后将网络分析仪的 Port A 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。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

22、化。（2）主极化方向图的测试环境：微波暗室设备： Anritsu 37247D 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

23、电缆将低噪声放大器的输出口与矢量网络分析仪的 PORT B 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 PORT B 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 PORT A 端口向连接； 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

24、.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； 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； 按照步骤、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；继续其余频点的测试，根据存档的 E 面和 H 面方向

25、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10天线原理演示实验指导书设备： Anritsu 37247D 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

26、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 PORT B 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 PORT A 端口向连接； 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；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） - -（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

27、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（

28、用激光笔测试偏差不超过9仿照步骤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）3.110.66.85下

29、限频率为：3.1上限频率为：10.6VSWR1.21.213.1-10.6GHz 内的 最小值为： 13.1-10.6GHz 内的 最大值为： 1.31.21.211表 II-2 主极化方向图记录表3.1GHz全 向 天 线H 面角度（）092.5776192.2968192.29681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）0-3-3最小值：-2.98E 面角度（）079.5-158.5512-44.4024归一化电平（dB）0-3-3最小值：-30.6510.6GHz全 向 天 线H 面角度（）0-125.8128-125.81289

30、8.92081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）0-3-3最小值：-5.66E 面角度（）091.5479791.54797-50.09039归一化电平（dB）0-3-3最小值：-45.246.85GHz全 向 天 线H 面角度（）0-125.6256-125.625698.36641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）0-3-3最小值：-5.66E 面角度（）0148.2552148.255273.4616归一化电平（dB）0-3-3最小值：-20.7512天线原理演示实验指导书表 II-3 增益测试记录表频率（ GHz）3.110.66.8