一、實驗目的
1．了解天線的基本特性引數
2.測量天線的頻率特性，方向圖
3.了解鞭狀天線、八木天線、壁掛天線等的構造及特性
4．學會用頻譜儀測量天線的方向圖。
二、實驗儀器
1．鞭狀天線、八木天線、壁掛天線。（選購）
2．微波訊號源。（選購或用鎖相源、跟蹤振盪器等代替）
3．頻譜儀。（標配）
4. 頻譜分析儀
三、天線測量原理
天線是向空間輻射電磁能量，實現無線傳輸的重要裝置。天線的種類很多，常見天線分為線天線和面天線兩大類。高頻、超高頻多用線電線，微波常用面天線。
每一類天線又有很多種，常見的線天線，有鞭狀天線、八木天線、偶極子天線等。常見的面天線有拋物面天線、喇叭口天線等。
天線的基本引數有天線方向圖 ，主瓣波束寬度、旁瓣電平、頻寬、前後向比、極化方向、天線增益、天線功率效率、反射係數、駐波比、輸人阻抗等等。本實驗對天線的方向圖進行測試。
天線向空間輻射電磁能量，在不同的方向輻射的電磁能量的大小是不相同的，將不同方向天線輻射的相對場強繪製成圖形，稱為天線方向圖。
1 方向圖函式和方向圖
天線的最基本特性是它的方向特性。對發射天線來說，方向特性通常是表示在相同距離條件下天線的遠區輻射場與它的空間方向之間的關係。描述天線的方向特性，最常用的是方向圖函式和方向圖。
方向圖函式是定量表示遠區天線輻射能量在空間相對分布情況的乙個引數，通常是指遠區同一距離處天線輻射場強(或能流密度)的大小與方向座標關係的函式。若用圖形把它描繪出來，便是天線方向圖。其中表示場強大小與方向關係的，稱為場強振幅方向圖，表示能流密度大小與方向關係的，稱為功率方向圖。
習慣上又把場強振幅方向圖簡稱為場強方向圖，或進一步簡稱為方向圖。把場強振幅方向圖函式用表示，或進一步簡寫成。把最大值為1的方向圖稱為歸一化方向圖。
把歸一化場強振幅方向圖函式用表示，或進一步簡寫成。
方向圖一般是三維立體圖形。為了簡單，大多數實際應用場合中通常只畫出兩個具有代表性的正交平面上的方向圖。這兩個正交的平面稱為主平面。
主平面經常選取水平面(平行於地面的面)和垂直面(垂直於地面的面)，或e面(包含天線最大輻射方向及其電場方向的面)和h面(包含天線最大輻射方向及其磁場方向的面)。有時也選取xy面、yz面、zx麵等。
在所有方向的輻射都相同的天線稱為無方向性天線。顯然無方向性天線的立體方向圖呈球狀，它在任一平面的方向圖均為園。在某一平面上無方向性的天線稱為該平面全向天線，它在該平面上的方向圖為園。
天線的平面方向圖有兩種表示方式。一種是以直角座標表示的，稱為直角座標方向圖.。此時橫軸代表角度(以度為單位)，縱軸代表函式值。
另一種是以極座標表示的，稱為極座標方向圖。它用極角(射線與極軸的夾角)代表角度(以度為單位)，用射線的長度代表函式值。極座標方向圖由於直觀形象，應用很廣。
天線的平面方向圖一般呈花辮狀。我們把它的每乙個辮稱為波辮。其中把包含最大輻射方向的乙個辮稱為主辮，位於主辮相反方向的辮稱為後辮，與主辮完全相同的辮稱為柵辮。
其餘的瓣稱為副瓣(或旁辮)。其中緊靠近主瓣的副瓣稱為第一副瓣。對於定向天線來說，我們當然希望它的主瓣越窄越好，副瓣和後瓣越小越好。
因為這有利於能量的集中輻射和接收，有利於抑制干擾。
2 方向性係數和增益
方向性係數是定量衡量天線定向特性的乙個引數。通常把某天線在其遠區最大輻射方向上產生的能流密度與其在同樣距離遠處產生的平均能流密度的比，定義為這天線在最大輻射方向的方向性係數，簡稱為方向性係數。用d表示。
顯然，無方向性天線的方向性係數等於1。這是因為它在同樣距離遠的所有方向產生的能流密度的大小都相等。其它天線的方向性係數永遠大於1。
假設天線在其遠區最大輻射方向上r遠處產生的電場為 (有效值)，歸一化場強方向圖函式為，則天線在最大輻射方向上產生的能流密度
天線的輻射功率
同一距離處產生的平均能流密度
因此天線在最大輻射方向的方向性係數
要特別提醒注意的是，這裡的，是歸一化場強方向圖函式。
如果上式中的積分不能用解析法求出，可將積分運算寫成級數近似式。的整個積分區間可等分成m段，每段。有許多不同的取法，哪種取法好，取決於所研究的問題。比如可選在每段的後沿或中間，即
或 對變數也可用相同的辦法，即將的整個積分區間等分成n段，每段。比如選在每段的後沿或中間即
或這樣上式的積分運算可用下列級數近似
上式的雙重求和，在電腦程式中可用雙迴圈簡單完成.。
要特別強調的是上面的是天線的歸一化場強方向圖函式，即
式中是天線場強方向圖函式的一般表示式，不一定歸一化。
是的最大值。
天線在任意方向的方向性係數為
式中，是天線的歸一化場強方向圖函式。
這樣，輻射功率為、方向性係數為d、歸一化場強方向圖函式為的發射天線在空間任一點p()產生的電場強度的大小可按下式求出
方向性係數經常用db表示，即
人們經常用天線在兩個正交的主平面(水平面和垂直面，或e面和h面)上的半功率瓣寬來估算它的方向性係數。當副瓣電平不太高時，可用下式近似求出
式中，代表天線兩個正交的主平面上的半功率瓣寬（單位為度）。
上式分子上的數字在副瓣電平較高時(比如-10db以上)，可取20000。副瓣電平較低時(比如-20db以下)，可取42000。
輸入到天線的功率並不能全部輻射出去，還有一部分由於天線的導電損耗和介質損耗等原因要消耗在天線上。我們定義天線的輻射功率與它的輸入功率的比為天線的輻射效率(簡稱為效率)。即
式中代表天線的輸入功率；
代表天線的輻射功率；
代表天線的損耗功率。
天線增益是全面衡量天線集中能量能力的乙個重要引數，更便於不同天線的比較。它和方向性係數的根本區別在於它考慮了天線的輻射效率。我們把在相同輸入功率條件下，某天線在其遠區最大輻射方向上產生的能流密度與無方向性天線(即各向同性的點源)在同一距離遠處產生的能流密度的比，定義為本天線在最大輻射方向的增益，簡稱為增益，用g表示。
天線在任意方向的增益為
式中，是天線的歸一化場強方向圖函式。
天線的增益和方向係數之間存在如下關係
天線增益只能通過測量得到。
3 .天線的阻抗特性
阻抗是線天線常用的乙個等效引數。當天線與發射機相連時，天線便是發射機的負載，等效為乙個阻抗。這個阻抗稱為天線的輸入阻抗。它定義為天線輸入端的高頻電壓與輸入端高頻電流的比，即
式中是天線的輸入阻抗；
是天線輸入端的高頻電壓；
是天線輸入端的高頻電流；
是天線的輸入電阻；
是天線的輸入電抗。
天線輸入阻抗的嚴格計算一般相當複雜，因此人們常通過測量或近似計算求出。
天線的損耗電阻定義為天線的損耗功率()與輸入端電流(有效值)平方的比，即
因此天線的輸入電阻是它歸於輸入電流的輻射電阻和損耗電阻的和，即
4． 天線的極化特性
天線的極化是指天線輻射的電波的極化。它規定為天線最大輻射方向上某一固定點的電場向量隨時間變化的軌跡的形狀和方向。一般情況下形狀為橢園，稱為橢園極化。
其中順著電波傳播方向看，旋轉方向為右旋的稱為右旋橢園極化，為左旋的稱為左旋橢園極化。特殊情況下，形狀可能是園或直線。其中，形狀為園的，稱為園極化；形狀為直線的，稱為直線極化（簡稱為線極化）。
對線極化，又把最大輻射方向上的電場垂直於極化面(即入射線和反射面的法線構成的平面)的,稱為水平極化，位於極化面的稱為垂直極化。工程上習慣把最大輻射方向上的電場垂直於地面的稱為垂直極化，平行於地面的稱為水平極化。
1.線極化天線只能接收與它極化方向相同的極化分量，與它極化方向正交的極化分量，完全不能接收。
2.園極化天線只能接收與它旋向相同的園極化分量，與它旋向相反的園極化分量完全不能接收。
3.乙個線極化可以分解成兩個旋向相反的園極化分量。
4.乙個園極化可以分解成兩個正交的線極化分量。
一般接收天線的極化與入射波的極化並不完全相同，這種情況稱為極化失配。這時天線將不能從入射訊號中吸收最大的功率，而產生極化損耗。我們定義極化損耗因子為
式中是入射波電場向量和接收天線電場向量間的夾角。
比如雖然入射波和天線都是線極化，但當它們是正交極化時天線將完全不能從入射波中吸收功率。這時pif等於零。
5. 天線的頻率特性
天線的特性一般都與頻率有關。尤其線天線，一般對頻率非常敏感。天線的頻率特性通常用頻頻寬度(簡稱頻寬)來表示。
它定義為天線的基本特性引數滿足給定要求的頻率範圍。有阻抗頻寬、增益頻寬、方向圖頻寬、極化頻寬等。比如對線天線，它的阻抗頻寬定義為它與饋線連線時的駐波比(或反射係數)不超過給定要求的頻率範圍。
而對寬頻天線，常用可容許工作的上下限頻率的比作為其頻寬。
四．測量天線方向圖
測量天線方向圖的方法主要有兩種，分別為固定測量法和旋轉測量法，固定測量法主要用於大型天線，由於轉動不便，故待測天線固定，輔助天線在空中或地面繞待測天線旋轉，得到不同角度的輻射強度，即可繪製出天線方向圖。另一種方法是旋轉測量法，待測天線旋轉，輔助天線固定不動，然後通過測量得到方向圖。
1、實驗電路連線
圖30-1微波天線方向圖測量框圖
2、測量方法
1．a天線位置、姿態固定，b天線中心位置不變，在水平面旋轉b天線方向，記錄天線旋轉角度及頻譜儀讀數，便可測出b天線水平方向圖，並填入下表。
設兩天線對正（此時頻譜儀功率讀數最大）為0度，按順時針方向旋轉計算角度。若要準確繪製方向圖，則可每隔5度測量一次，對讀數最小及其它較大讀數的角度更應仔細測量，並記錄準確的角度與功率讀數。
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微波技術實驗指導書目錄 實驗一微波測量儀器認識及功率測量 1 實驗二測量線的調整與晶體檢波器校準 2 實驗三微波駐波 阻抗特性測量 5 實驗目的 1 熟悉基本微波測量儀器 2 了解各種常用微波元器件 3 學會功率的測量。實驗內容 一 基本微波測量儀器 微波測量技術是通訊系統測試的重要分支，也是射頻工...