天线方向图测量

【实验目的】

一、了解天线的大体工作原理。 二、绘制并明白得天线方向图。 3、依照方向图研究天线的辐射特性。 【实验原理】

一、 天线的原理

天线的作用第一在于辐射和接收无线电波，可是能辐射或接收电磁波的东西不必然都能用来作为天线。要能够有效地辐射或接收电磁波，天线在结构和形式上必需知足必然的要求。图1给出由高频开路平行双导线传输线演变成天线的进程。 如此的结构被称为开放式结构。由结尾开路的平行双导

发射机同轴电缆线传输线张开而成的天线，确实是通常的对称振子天线，是最简单的一种天线。

天线辐射的是无线电波，接收的也是无线电波，但

a.电场发射机b.是发射机通过馈线送入天线的并非是无线电波，接收天线也不能把无线电波直接经馈线送入接收机，其中必需

发射机电场进行能量的转换。图2是进行无线电通信时，从发射机到接收机信号通路的简单方框图。天线除能有效地辐射或接收无线电波外，还能完成高频电流到同频率无线电

c.电场波的转换，或完成无线电波到同频率的高频电流的转换。因此，天线仍是一个能量转换器。

研究天线问题，实质上是研究天线所产生的空间电磁场散布，和由空间电磁场散布所决定的天线特性。咱们明白电磁场知足麦克斯韦（Maxwell）方程组。因此，求解天线问题实质上是求解知足必然边界条件的电

磁场方程，它的理论基础是电磁场理论。 图1传输线演变成天线

发射天线

传播电磁波

接收天线

馈线 发射机 馈线 接收机

图

图2 无线电通信系统中的信号通道简单方框图

二、 天线的分类

天线的形式很多，为了便于研究，能够依照不同情形进行分类。 按用途分类，有发射天线，接收天线和收发公用天线。 按利用范围分类，有通信天线，雷达天线，导航天线，测向天线，广播天线电视天线等。 按馈电方式分类，有对称天线，不对称天线。 按利用波段分类，有长波、超长波天线，中波天线，短波天线，超短波天线和微波天线。 按天线外形分类，有T形天线，V形天线，菱形天线，鱼骨形天线，环形天线，螺旋天线，喇叭天线，反射面天线等等。

从便于分析和研究天线的性能动身，能够将大部份天线按其结构形式分为两大类：一类是由半径远小于波长的金属导线组成的线状天线——称为线天线，另一类是用尺寸大于波长的金属或介质面组成的面状天线——称为面天线。线天线要紧用于长、中、短波波段，面天线要紧用于微波波段，超短波波段那么二者兼用。线天线和面天线的大体辐射原理是相同的，但分析方式那么有所不同。

3、 天线的辐射方向图

研究天线主若是取得天线的相关特性，天线特性一样由电路特性和辐射特性两个方面表征。电路特性包括天线的输入阻抗、效率、频率宽度和匹配程度等；辐射特性包括方向图、增益、极化、相位等，为了达到最正确的通信成效，要求天线必需具有必然的方向性，较高的转换效率，和知足系统工作的频带宽度。

依照无线电技术设备的任务不同，常常要求天线不是向所有方向均匀地辐射，而是只向某个特定的区域辐射，在其它方向不辐射或辐射很弱，也确实是说，要求天线具有方向性。一副好的天线，在有效地辐射或接收无线电波的同时，还应该具有为完成某种任务而要求的方向特性。天线所辐射的无线电波能量在空间方向上的散布，一般是不均匀的，这确实是天线的方向性。在没有专门指明的情形下，辐射方向图一样均指功率通量密度的空间散布。方向图还能够用分贝（dB）表示，功率方向图用分贝表示后就称为分贝方向图，它表示某方向的功率通量密度相关于最大值下降的分贝数。天线某方向的分贝数的计算方式见公式（1）：

p(dB)10lgP(dB) 其中P为某方向的功率通量密度，Pmax为最大功率通量密度。 Pmax通过天线方向图能够方便的取得表征天线性能的电参数，下面咱们列举出可由天线方向图取得的天线参数：

（1) 主方向角。指主瓣最大值对

应的角度；

（2) 主瓣宽度。也称零功率点波

瓣宽度（Beam Width between

First

Nulls,

主瓣第一副瓣00.52020.50主轴BWFN）,指主瓣最大值两边

两个零辐射方向之间的夹角，即20。主瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强；

（3) 半功率角。也称半功率点波瓣宽度（Half Power Beam Width, HPBW）,指主瓣最大

值两边功率密度等于最大值的倍的两辐射方向之间的夹角，又叫3分贝波束宽度（将功率密度转化成份贝数后，会发觉功率密度变成最大功率密度1/2的地址对应的分贝数比最大功率处小3dB（-3dB=10*lg<1/2>dB），即20.5； （4) 副瓣宽度。指第一副瓣两边两个零辐射方向之间的夹角；

（5) 副瓣电平（Side Lobe Lever, SLL）。指副瓣最大值与主瓣最大值之比，一样也以分

贝表示，见公式（2），其中：Pmax2和Pmax别离为最大副瓣核主瓣的功率密度最大值。

SLL10lg

天线方向图的测量方式要紧有固定天线法和旋转天线法两种：固定天线法由于这种测量方式测试平台不易构建，操作难度又相对较大，而且受到测试现场环境阻碍较大，很宝贵到较为精准地测量数据，因此很少采纳。旋转天线法相对灵活简单，是方向图测量常常采纳的一种方式。测量时，辅助天线作为信号源固定不动，待测天线作为接收天线，装在转台上，通过在必然平面内旋转测得不同角度时的场壮大小，即可取得水平方向图和垂直方向图。 【实验装置】

本实验的实验装置为AT3200天线实训系统。本系统包括能够提供500MHz、2GHz、10GHz的RF信号源和天线方向操纵器，能够在运算机

计算机 Pmax2(dB) Pmax上仿真天线复制图和特性的仿真软件。

本实验装置要紧包括以下几个部件 一、主控器 发射器 主控器 接收器 图4是主控器面板示用意，分为接收器面板和发射器面板两个部份。下面咱们给出了面板上要紧部件的名称： 23456(1) 电源开关（主开关）；

(2) 信号强度显示屏（-50dB — -10dB）； (3) 旋转角度显示屏（0°～360°）；

(4) 500MHz、2GHz、10GHz振荡器开关和LED指示灯； 1(5) 调制器（调制器开关）；

(6) 500MHz细调开关（480MHZ ～ 650 MHZ）； 15141312111098 (7) 2GHz细调开关（ ～ ）；

(8) 10GHz振荡器输出端；

图4 主控器 (9) 2GHz振荡器输出端；

(10) 500MHz振荡器输出端；

(11) 步进开关(1°/ 5°/ 10°)； 原点开关；（13）反向旋转开关；（14）正向旋转开关； （15）1kHz 信号输入端 二、发射器

图5是发射器示用意，发射器要紧用来装备发射天线，而且由主控器操纵来给出不同频率的发射信号。它要紧包括以下几部份：

7

发射天线 天线固定架极化方向控制 支架

位置控制螺丝位置控制板 标尺 底座

3、接收器

图6是接收器示用意，接收器要紧用图 5 发射器 来装备接收天线，而且将接收到的信号经主控器传输到运算机中。它要紧包括以下几部份：

支架接收天线天线固定架极化方向控制

位置控制螺丝位置控制板标尺底座接收器控制、输入端口

图6 接收器

【实验内容】

一、任意选取一种接收天线进行研究，并依照接收天线选取适合的发射天线和额定工作频率，记录下发射、接收天线的名称及频率大小。

二、使发射、接收天线同时与地面平行，调剂主控器上的旋转操纵开关使接收天线旋转一圈，每隔必然角度测量一次，记录下信号强度和旋转角度，将数据在直角坐标系中画出并用滑腻曲线连接，取得直角坐标系下的E-Plane天线方向图。

3、维持发射、接收天线与地面平行，利用运算机中的“方向图获取程序”自动取得极坐标下的E-Plane天线方向图，将其保留，然后利用“方向图分析程序”打开方向图并对其分析。

4、别离利用两种坐标下的E-Plane天线方向图计算出天线的主方向角、主瓣宽度、半功率角、副瓣宽度、副瓣电平，而且做出分析比较。

五、将发射、接收天线同时调整为与地面垂直，重复2-4步，取得直角坐标和极坐标下H-Plane下的天线方向图，并对其进行分析比较，最终成立起一个三维立体的天线方向图像。

六、自行设计实验，研究特殊情形下的天线方向图或天线方向图随某些因素（频率，位置，极化，天线种类等等）的转变，并进行分析，给出结论。 【注意事项】

（1) 关于天线测量最小距离问题。待测天线与发射天线间距必需知足公式

R2D2/，才能保证足够的测试精度，其中D为天线的最大长度，为波长；

（2) 测量主平面方向图时，收、发天线的最大辐射方向应付准，且都在旋转平面内； （3) 待测天线转动的轴线应通过天线的相位中心； （4) 收发天线极化要一致；

（5) 对称振子天线要平稳馈电，以保证振子两臂电流对称散布；

天线架设高度适当，测量场地空旷。应尽可能躲开地物和地面发射的阻碍。 【数据处置】

一、接收天线：方形天线 f=500MHz 发射天线：八木天线 f=500MHz （1）天线垂直时的数据：

表1、垂直时的手动数据记录表

信号强度 角度 去衰减信号 90 100 110 120 130 190 200 210 220 230 290 300 310 320 330 340 350 360 240 250 260 270 280 140 150 160 170 180 0 10 20 30 40 50 60 70 80 由表中数据取得以下的手动图像：

4020-2-4-6-8-10-12-144080120160200240280320360

90420-2-4-6-8-10-12-14-14-12-10-8-6-4-202412060150301800210330240270300

图1.直角坐标系下及极坐标下的天线方向图

分析 由图可知：主方向角 ：160

信号分贝数为P=

主瓣宽度 ：2n150 半功率角 ：80° 副瓣宽度 ：50 副瓣电平 ：SLL=（）= 对自动图像进行处置：

图2.极坐标下的自动取得的天线方向图。

分析：

表2自动分析数据记录

主方向角度 Maximum single level 功率/dB Half Power Beam width 左边角度 218° 251° 功率/dB 右边角度 功率/dB 左边角度 功率/dB 主瓣零功率 右边角度 功率/dB 第一副瓣零功率 左边角度 功率/dB 右边角度 功率/dB

由表格中的数据可得： 主方向角：251°； 主瓣宽度：

=172°；

290° 173° 345° 345° 25° 主波瓣半功率宽度：

HPBWE= |θHPBWleft -θHPBWright|=72° ； 第一副瓣宽度：40°； 副瓣电平：

SLL=（）=

结合自动和手动的天线方向图可知：

主方向角的相对误差：|251160|100%36% 相对误差较大，要紧由于手动

1151测量时数据不够稳固 ，手动测量是的数据距离比较大，数据有必然的误差。

主瓣宽度的相对误差：|172150|100%12.8% 误差比较大，测试环境不可能

1172达到理想状态；天线仪器在停顿进程中受到干扰，数据不断转变以致阻碍读数与记录。

半功率角的相对误差：|7280|100%11.1%

172第一副瓣宽度的相对误差：|4050|100%25%

40副瓣电平的相对误差：|9.811.2|100%14.3%

9.811实验顶用的方形天线对方向性要求高，实验中不可能将其对的很准确，这就会造成误差，还有实验进程中也会有其他因素阻碍，如：噪音的阻碍，电话及其他通信工具的阻碍等，致使在现有的实验条件下不可能做出精准的天线方向图图样。有计算结果能够比较自动测绘法和手动测绘法的优缺点：自动测绘法的优势是测量结果与信号源功率转变、接收机灵敏度的转变及整个接收系统的振幅特性无关。同时，采纳可变衰减器能够保证大的动态范围，从而能测量较低电平的副瓣特性。

（2）天线水平常的实验数据：

表3、水平常的手动数据记录表

信号强度 -角度 去衰减信号 0 90 100 190 200 210 220 230 240 250 260 270 280 110 120 130 140 150 160 170 180 10 20 30 40 50 60 70 80 290 300 310 320 330 340 350 360 由此表生成手动的天线方向图：

图 2.直角坐标系下的水平方向上的天线方向图

0-44080120160200240280320360-6-8-10-12-14-16

90-4-6-8-10-12-14-16-16-14-12-10-8-6-4240270300210330180015030120###60

分析：

由图2可知：主方向角：30° 信号分贝数为P=

主瓣宽度：2=210°

0 半功率角：20.5=165°

副瓣宽度：不存在 副瓣电平：不存在

自动天线方向图分析：

表4：相关数据记录表

主方向角度 Maximum single level 功率/dB Half Power Beam width 左边角度 功率/dB 右边角度 功率/dB 左边角度 功率/dB 主瓣零功率 右边角度 功率/dB 由表4得:

202° 156° 353 0° 23° 主方向角：23 主瓣宽度：202°

半功率角：197°

将自动和手动的平行方向上的天线方向图数据进行比较;

主方向角的相对误差|2330|100%30% 误差较大，要紧由于手动测量时

123数据不够稳固，数据距离过大，致使很多数据点没有搜集到。

主瓣宽度的相对误差|202210|100%3.9%

1202 半功率角的相对误差|197165|100%16.2% 误差比较大，测试环境不可能

197达到理想状态；有很多的干扰项存在。

实验顶用的方形天线对方向性要求高，实验中不可能将其对的很准确，这就会造成误差，还有实验进程中也会有其他因素阻碍，如：噪音的阻碍，电话及其他通信工具的阻碍等，致使在现有的实验条件下不可能做出精准的天线方向图图样。 【试探题】

一、什么是天线?

答：天线的大体功能是辐射和接收无线电波。发射时，把高频电流转换为电磁波；接收时，把电磁波转换为高频电流。天线的一样原理是：当导体上通以高频电流时，在其周围空间会产生电场与。天线辐射的是无线电波，接收的也是无线电波，但是发射机通过馈线送入天线的并非是无线电波，接收天线也不能把无线电波直接经馈线送入接收机，其中必需进行能量的转换。天线除能有效地辐射或接收无线电波外，还能完成高频电流到同频率无线电波的转换，或完成无线电波到同频率的高频电流的转换。 二、什么是天线方向性图?

答：所谓天线方向图，是指在离天线必然距离处，辐射场的相对场强（归一化模值）随方向转变的图形，通常采纳通过天线最大辐射方向上的两个彼此垂直的平面方向图来表示。天线方向图是衡量性能的重要图形，能够从天线方向图中观看到天线的各项参数。 3、如何取得天线方向图?

为了表示天线的方向特性，人们规定了儿种方向性电参数，其中一个确实是辐射方向图。天线方向图是指与天线等距离处，天线辐射参量在空问中的相对散布随方向转变的图形。所谓

辐射参量包括辐射的功率通量密度、场强、相位和极化等。利用AT3200天线系统能够取得天线方向图并分析方向图。