天线方向图的理论分析及测量原理分析

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天线方向图的特征参数与天线的方向图作图

天线方向图的特征参数与天线的方向图作图
天线方向图又叫辐射方向图（radiation pattern）、远场方向图（far-field pattern）。

从方向图上面不能得到天线增益，由方向图得到的是方向系数。

天线增益=方向系数* 天线效率。

所以方向系数大于增益是肯定的。

天线增益主要是通过方向图的测试而表现出来。

这里有很多的种测试方向图的测试系统。

也就是暗室。

而在暗室的测试出来的结果，也只是一种和理想对称振子比较的的结果。

都知道理想对称振子的增益为2.15dB。

这样就可以根据测试电平的高低来计算出天线的增益。

G=D*N%.而天线的效率一般情况下是没有百分百的，所以G<d 。

在计算天线的方向系数D是，通常所采用的就是根据方向图上面表现出来的主瓣的波瓣宽度计算，如半功率波瓣宽度，也就是电平下降3dB是的波瓣宽度。

天线增益：
天线增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。

它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。

增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。

天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信。

天线方向图ppt课件

第一章天线的方向图天线的方向图可以反映出天线的辐射特性，一般情况下天线的方向图表示天线辐射电磁波的功率或场强在空间各个方向的分布图形。而相位、极化方向图只在特殊应用中使用。对不同的用途，要求天线有不同的方向图。
例如，广播电视发射天线，移动通讯基站天线等，要求在水平面内为全向方向图，而在垂直面内有一定的方向性以提高天线增益，见图(a)；对微波中继通讯、远程雷达、射电天文、卫星接收等用途的天线，要求为笔形波束方向图，见图(b)；对搜索雷达、警戒雷达天线则要求天线方向图为扇形波束，见图(c)等。
(b) λ≤2l ≤2 λ时的归一化方向图
不同长度的对称振子二维极坐标归一化E面方向图
当2l=λ/4、λ/2 、3/4λ 和λ时的归一化E面方向图如图 (a)所示，作为比较，该图中也画出了2l<<λ的短天线(或元天线)的方向图。从图 (a)可以看出，长度不大于一个波长的对称振子的方向图，随着其长度增加，波瓣变窄，方向性增强。它们的H面方向图均为一个圆。
31
当2l=1.25λ、1.5λ和2λ时的归一化方向图如图 (b)所示。长度超过一个波长时，E面方向图就开始出现副瓣(2l=1.25λ) ，H面方向图为一个圆。随着长度的增加，副瓣变大，原来在侧射方向的主瓣变小(2l=1.5λ)，甚至减小到零(2l=2λ)，此时把垂直于振子轴的平面作为 H面已无意义。
仿照上节的方法,将电流表达式代入到元天线的辐射场公式, 然后积分取绝对值,可得远区电场强度的振幅公式. 当l为半波长的奇数倍时,电场强度的振幅为
60Im
cos
l
2
cos
E
r0
sin
当l为半波长的数偶数倍时,电场强度的振幅为
60Im
sin

某型雷达天线方向图在线测量方法与分析

ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒｔＯａｒｅｃｅｉｖｅｒ，ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎ，ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｅｎｓｕｒｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｓｈｏｕｌｄｎｏｔｂｅｓｅｐａｒａｔｅｒｅｍｏｖｅｔｈｅａｎｔｅｎｎａ，ＳＯａｓ
ｗｈｏｌｅｒｅａｌｉｚｅｄｔｈｅａｎｔｅｎｎａａｎｄｉｔｓｒｅｌａｔｅｄｏｎｌｉｎｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍｏｆｔｈｅｗｈｏｌｅｐａｔｔｅｒｎ，ｔｈｒｏｕｇｈｔｏｔｈｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙｅｖａｌｕａｔｉｏｎｓｈｏｗｅｄｔｈａｔｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｍｅｅｔｓｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．
以天线方向图测量进行，需要专用的天线转台测试系统，还要求
被测天线提供馈线接口；而在用雷达通常将天线、发射机、接收机等进行一体化封装，为确保性能，不宜将天线单独拆卸，从而使得天线方向图测量难以实施。将某型精密测量雷达的发射天线和发射机、接收天线和整个接收机与终端分别作为一个整体，实现了天线及其相关系统的整体方向图在线测量，通过对测量不确定度的评定表明，该测量方法满足使用要求。关键词：天线方向图；在线测量｛不确定度分析中圈分类号：ＴＮ８２０．１２文献标识码：Ａ国家标准学科分类代码：５１０．７０

机载天线辐射方向图的MM—UTD混合法分析

总第ｌ４期１
周晓辉，：载天线辐射方向图的ＭＭＵＤ混合法分析等机－Ｔ
３１
分析机载天线的电磁辐射问题时，往将天线假往设为点源或者假设天线上的电流为已知的某种分布形式，种模型还要求天线到绕射边缘的距离这
ｍｅｏａｈｒｃｓｏｆＭＭｄｔｅｅｃｅｃｆＵＴＤ，ｗｈｃｖｒｏｓｔｅｓｏｔｏｎｓｏｈｔｄｈｔｅｐｅｉｉｎｏｓｎｈａｆｉｎｙｏｉｉｈｏｅｃｍｅｈｈｒｍｉｇｆｃｓｎｌｔｏ．ＴｅｒｓｌａｅｓｍｅｇｉａｃｉｎｆａｃｏｆｒｃｔｔｅＥＭＣｏｉｒｆａｔｎａｉｇｅｍｅｄｈｅｕｔｈｖｏｕｄｅｓｇｉｃｎｅｔｏｅａｈｓｎｉｓｈｆａｒａｔｎｅｎｃｓ
机载天线的辐射特性进行分析预测可以缩短产品
Ｏ引言
飞机机体是一个复杂的电磁散射体，安装对在其上面的天线的特性有很大的影响。由于通过实验测量的方法获得天线的辐射特性非常困难，理论分析和计算就成为预测机载天线辐射特性的重要手段。另外，在飞机整体结构的设计初期，对
ａｄｏｔｍｉｅｔｅａｔｎａｐｓｔｏｎｐｉｚｈｅｎｏｉｎ．ｎｉ
Ｋｅｗｏｄｙｒｓ：ＭＭ；ＵＴＤ；ｈｂｄｔｈｉｅ；ｍｏｏｌｙｒｅｎｑｉｃｕｎｐｅ；ｒｄａｉｎｐｔｒｏａｉｔｏａｔｎｅ

天线原理与设计62 方向图测量

如果改变待测天线与辅助天线之间的距离,采用接收信号的最大值和最小值的算术平均值的方法, 也可以减小或消除在测量副瓣电平时由于周围物体反射所造成的误差。
-20
0.3 0.2
-30
0.1
0 20 40 60 80 100 120140160180θ 0-400 20 40 60 80 100 120 140160180θ 0
(a)归一化场强方向图
(b)归一化场强分贝值方向图
归一化方向图
一、现场测量
采用现场测量方法的待测天线通常都固定不动,而让辅助天线绕待测天线在感兴趣的平面内作圆周运动,以测取该平面的方向图。 1、地面测试法
2、空中测试法这种方法仍是固定待测天线不动,一般作接收天
线。辅助源天线由普通飞机、直升飞机、小型飞船、气球等运载工具携带,绕待测天线在所需测试的平面内作圆弧运动,据不同角位置时待测天线接收到的相对场强大小,就求得了该平面内的方向图特性。
采用此方法应注意以下几点: (1)当沿要求路线飞行的飞行器所运载的源天线姿态相对于待测天线改变时,待测天线接收到的信号也将显著改变。为了将这种改变减至最小,源天线的波瓣最大值应始终对准待测天线,且源天线方向图之有用部份应尽可能均匀(即弱方向性或全方向性天线),飞行器的航向应选择得其姿态改变最小。
(2)由于源天线的方向图会受到携带它的飞行器形状的影响,因此,设计和安装源天线时必须将环境因素考虑进去。
(3)根据天线电尺寸和飞行器尺寸的不同,应选择不同类型的源天线。
二、测试场测量
超高频或微波波段的真实天线或其它波段的缩尺模型天线,一般都在测试场进行天线方向图测量,简单而方便。此时,辅助天线固定不动,待测天线绕自身的通过相位中心的轴旋转。通常,辅助天线作发射,待测天线作接收,待测天线装在特制的有角标指示的转台上。测试水平方向图时,可让待测天线在水平面内旋转,记下不同方位角时相应的场强响应,在适当的

天线方向性图的测量[权威资料]

天线方向性图的测量[权威资料] 天线方向性图的测量对于一面发射天线，如果有另一面性能较好的接收天线相配合，就可以测定发射天线的发射方向图。

对于一面接收天线，如果有一面发射天线相配合，就可以测定接收天线的接收方向图。

只是在测定方向图时，不管被测的是发射天线还是接收天线，都需要有电动伺服系统，能够平稳地、连续地在方位面和俯仰面上进行调整。

用来配合测试的天线可以与被测天线处于同一地球站内，也可以处在地理位置相隔较远的地球站上。

这种测定天线方向性图的方法，称为“辅助地球站测量法”。

要想测定发射天线的方向性图，则与之配合的接收天线就是“辅助地球站”;要想测定接收天线，则与之配合的发射天线就是“辅助地球站”。

这种测量法与其它一些方法相比有以下优点:一是既能测接收方向图，又能测发射方向图;二是测量的角度范围比较大，能够测到远旁瓣;三是测量的结果比较准确，测量精度在可控范围内。

使用这种测量方法，不论是测量发射方向性图还是测量接收方向性图，都必须向卫星发射一个不加调制的单载波，且要求其频率和功率都十分稳定。

上行功率的确定要考虑两个方面的因素，一方面上行功率要足够大，以保证在天线转动到远旁瓣时仍能接收到信号;另一方面，上行功率又不能过大，避免使卫星转发器进入饱和状态，一旦转发器处于饱和状态，会影响方向性图在主瓣附近的细节，还会影响主瓣与旁瓣之间的电平关系。

如图1(a)所示，某天线在测试时因为上行发射功率太大导致转发器饱和，主瓣被压缩，主瓣与旁瓣的电平差不符合指标要求;而在调小发射功率后再测，结果就正常了，见图1(b)。

所以，确定上行功率时需要得到卫星测控站的帮助，只要确认在天线主瓣对准卫星时转发器未饱和即可。

上行功率的确定还要兼顾测试接收机的性能，以保证接收机工作在线性范围内，避免由于接收机的原因导致测量误差。

在测量中还需注意，尽可能不使用LNB(低噪声下变频单元)，而应使用LNA(低噪声放大器)，且放大器中不可启用AGC(自动电平调整)功能。

天线的方向图测量

30
极坐标系：主方向角：θ=0° 主瓣宽度：θ0=115° 半功率角：θ0.5=80° 副瓣宽度：θ1=35° θ2=35 ° 18 副瓣电平： SLL =10× lg =−2.22 ( dB)
30
分析：从上面两个坐标系得到的数据看：在两个坐标系下，天线方向图的每个参数基本一致，主瓣宽度，副瓣宽度，副瓣电平存在差异，在允许的实验误差范围内，数据记录结果真实。图像有的地方呈现锯齿状，可能受外界磁场干扰导致。
c.
电场发射机发射机发射机同轴电缆
a.
电场
b.
电场
图 B3-1 传输线演变为天线
传输线张开而成的天线，就是通常的对称振子天线，是最简单的一种天线。研究天线问题，实质上是研究天线所产生的空间电磁场分布，以及由空间电磁场分布所决定的天线特性。我们知道电磁场满足麦克斯韦（Maxwell）方程组。因此，求解天线问题实质上是求解满足一定边界条件的电磁场方程，它的理论基础是电磁场理论。
思考与讨论： 1. 什么是天线方向性图？答：天线方向图就是通过测量天线在空间不同角度的相关残参量值，在绘制在直角坐标系或者极坐标系中，表示天线相关参量在空间不用角度分布情况的坐标图片。 2. 测量天线方向图的方法分别有几种，并说明？答：测量天线方向图的方法主要有两种，分别为固定测量法和旋转测量法，固定测量法主要用于大型天线，由于转动不便，故待测天线固定，辅助天线在空中或地面绕待测天线旋转，得到不同角度的辐射强度，即可绘制出天线方向图。另一种方法是旋转测量法，待测天线旋转，辅助天线固定不动，然后通过测量得到方向图。实验总结：天线首先在于能够辐射和接收无线电波，但是能辐射或接收电磁波的东西不一定都能用来作为天线。作为天线，必须能够有效地辐射或者接收电磁波，而通过通过测量天线的方向图能够很好地描绘出天线的辐射特性。天线一般要求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，在其他方向不辐射或辐射很弱，也就是说 ~6~

天线方向图的理论分析及测量原理分析

实验四、电波天线特性测试一、实验原理天线的概念无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。

电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。

可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。

天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。

对于众多品种的天线，进行适当的分类是必要的：按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等；等等分类。

选择合适的天线天线作为通信系统的重要组成部分，其性能的好坏直接影响通信系统的指标，用户在选择天线时必须首先注重其性能。

具体说有两个方面，第一选择天线类型；第二选择天线的电气性能。

选择天线类型的意义是：所选天线的方向图是否符合系统设计中电波覆盖的要求；选择天线电气性能的要求是：选择天线的频率带宽、增益、额定功率等电气指标是否符合系统设计要求。

天线的方向性发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。

天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力，这就是天线的方向性。

衡量天线方向性通常使用方向图，在水平面上，辐射与接收无最大方向的天线称为全向天线，有一个或多个最大方向的天线称为定向天线。

全向天线由于其无方向性，所以多用在点对多点通信的中心台。

定向天线由于具有最大辐射或接收方向，因此能量集中，增益相对全向天线要高，适合于远距离点对点通信，同时由于具有方向性，抗干扰能力比较强。

垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图。

立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。

天线的增益增益是天线的主要指标之一，它是方向系数与效率的乘积，是天线辐射或接收电波大小的表现。

(整理)天线测量与微波测量实验讲义

天线测量与微波测量实验讲义（试用）实验一、喇叭天线方向图的测量一、实验目的：1、了解喇叭天线的方向图特性；2、掌握天线方向图的测量方法。

二、实验原理：H 面和E 面方向图的计算公式为E H θ)E 0b[(λR H )/8]1/2{exp[j(π/4)λR Hθ/λ))2][C(u 1)+C(u 2)-jS(u 1)-jS(u 2)]+exp[j(π/4)λR H ((1/a h )-(2sin θ/λ))2][C(u 3)+C(u 4) -jS(u 3)-jS(u 4)]}E E 2]1/2cos θ}{[C(w 1)+C(w 2)]2+[S(w 1)+S(w 2)]2}1/2±j(π/2)t 2]dt=C(x)±jS(x)u1=(1/2)1/2{[a h/(λR H)1/2]+(λR H)1/2[(1/a h)+(2sinθ/λ)]}u2=(1/2)1/2{[a h/(λR H)1/2]-(λR H)1/2[(1/a h)+(2sinθ/λ)]}u3=(1/2)1/2{[a h/(λR H)1/2]+(λR H)1/2[(1/a h)-(2sinθ/λ)]}u4=(1/2)1/2{[a h/(λR H)1/2]-(λR H)1/2[(1/a h)-(2sinθ/λ)]} w1=[b h/(2λg R E)1/2]+{[(2λg R E)1/2/λ]sinθ}w2=[b h/(2λg R E)1/2]-{[(2λg R E)1/2/λ]sinθ}w1=[b h/(2λg R E)1/2]+{[(2λg R E)1/2/λ]sinθ}w1=[b h/(2λg R E)1/2]+{[(2λg R E)1/2/λ]sinθ}w1=[b h/(2λg R E)1/2]+{[(2λg R E)1/2/λ]sinθ}三、实验装置：测量方向图所需的基本设备可分为发射系统和接收系统两大部分。

均匀直线式天线阵方向图分析

ＫｅｙｗＯｄｓｅｅｎａｎｅｎ；ｎｅｎｒａ；ｉｅｔｉａｔｒｄｒｃｉｉａｔｒｏａｔｎａａｒｙｄｒｃｉｉａｔｒｒ：ｌｍｅｔｌｔｎａａｔｎａａｒｙｄｒｃｉｔｃｏ；ｉｅｔｔｃｏｆｎｅｎｒａ；ｉｅｔｖｔｔｅｎａｖｙｆｖｙｆｙｐ
第２卷第４４期２１年１月０１２
海南师范大学学报（自然科学版）ＪｕｎｌｆｉａｏｍａＵｉｒｔ（ａｕａＳｉｃ）ｏｒａｎｎＮｒｌｎｖｓｙＮｔｒｌｃｅｅｏＨａｅｉｎ
Ｖ０．４４１Ｎｏ．２Ｄｅ．０１ｃ２１
ｄｒｃｉｉａｔｒｎｌｓｓｏｅｕｉｒｌｅｒａｔｎａａｒｙＯｎｔｅｏｈｒｈｎ，ｔｎｌｚｓｉｅａｌｈｐｔｉｅ・ｉｅｔｔｐｔｎａａｙｉｆｈｎｆｍｎａｎｅｎｒａ．ｈｔｅａｄｉａａｙｅｄｔｉｔｅｓａｉｄｒｃｖｙｅｔｏｉｎｌａｔｖｔａｔｒｆｈｎｆｒｌｅｒａｔｎａａｒｙａｄｇｖｓｔｅｃｃｌｔｇｆｒｕａｂｕｎｅｎｒａｐｔｉｃｉｉｉｉｐｔｎｏｅｕｉｍｉａｎｅｎｒａｎｉｅｈａｕａｉｍｌｓａｏｔｔｎａａｒｙｓａｉｄｒｔ－ｙｅｔｏｎｌｎｏａｌａｅｖｔａｔｒ．ｔｎｒｄｃｓｈｗｎｙｅｍａｈｍａｉａｌｈｅ－ｉｎｉｎｌｉｃｉｉａｔｒｆｔｅｕｉｒｎａｎｅ－ｙｐｔｎＩｉｔｕｅｏｔａａｚｔｅｔｌｔｒｅｄｍｅｓｏａｒｔｔｐｔｎｏｎｆｍｌｅａｔｎｅｏｏｌｃｙｄｅｖｙｅｈｏｉｒＨｒａｔｎｅａｌ．ｈｔｏｎｅｃｎｌｓｏｓｉｉａｅｅａｐｉａｌｒｔｅｕｉｒｎａｎｅｎｒａａｒｙｗｉａｘｍｐｅＴｅｍｅｈｄａｄｔｏｃｕｉｎｔｓｐｐｒａｐｌｂｅｆｎｆｍｌｅａｔｎａａ．ｈｈｎｈｒｃｏｈｏｉｒｒｙｃｎｔｕｔｄｂｇｅｉｉｏｅａｔｎａ，ｈｒｉｏｅａｔｎａａｆｗａｅｄｐｌｎｅｎｒｕｌｗａｅａｔｎａａｏｓｃｅｙｍａｎｔｃｄｐｌｎｅｎｓｏｔｐｌｎｅｎ，ｈｌｒｄ－ｖｉｏｅａｔｎａｏｌｆ－ｖｎｅｎ．

天线方向图的测试(功率测试法)

天线方向图的测试
实验成绩指导老师签名
【实验目的】
(1)了解八木天线的基本原理
(2)了解天线方向图的基本原理。

(3)用功率测量法测试天线方向图以了解天线的辐射特性。

【实验使用仪器与材料】
(1)HD-CB-V 电磁场电磁波数字智能实训平台
(2)八木天线
(3)电磁波传输电缆
【实验原理】
八木天线的概念：由一个有源半波振子，一个或若干个无源反射器和一个或若干个无源引向器组成的线形端射天线。

八木天线有很好的方向性，较偶极天线有高的增益。

用它来测向、远距离通信效果特别好。

方向图是表征表示场强对方位角变化的极性图形，在本实验中，接收端用功率计来测量接收天线的辐射特性。

连接示意图：
【实验步骤】
首先将八木天线分别固定到支架上，平放至标尺上，距离保持在1米以上。

(一)发射端
1.将八木天线固定在发射支架上。

2.将“输出口2”连接至发射的八木天线。

3.电磁波经定向八木天线向空间发射。

(二)接收端
1.接收端天线连接至“功率频率检测”，测量接收功率。

2.调节发射与接收天线距离，使其满足远场条件。

3.将两根天线正对保持0度。

4.记录下天线的接收功率值。

5.转动接收天线，变换接收天线角度，记录下天线接收功率值。

天线方向图

当示天为线上只有，电流行为波电时流，沿若导以线传I代0播e表的j输相z 入位I端0常电数流。，则天线上的电流分布可表
dE

j
Idz 2r

sin

e
j
r
(V
/ m)
dH

j
Idz
2r
sine jr A / m
（1）电场和磁场都与
e jr / r 成正比。等相位面是一个球面，
球心位于元天线的中心。
（2）在空间任意点的电场和磁场同相，而且都比元天线的
电流超前 / 2 r 相角。
F sin
上式为元天线的方向图函数或归一化方向图函数。其含义是：在半径为r的远区球面上，基本振子的远区辐射场随空间角θ 为正弦变化。由此可画出其空间立体方向图和
两个主面(E面和H面)的方向图，如图所示。
(a) 三维方向图 (b) E面方向图 (c) H面方向图基本振子的方向图
说明： (1) 在振子轴的两端方向(θ=0,π=)上，辐射场为零，在侧射方向(θ=π/2)辐射场为最大。 (2) 基本振子的方向图函数与无关，则在垂直于天线轴的平面内辐射方向图为一个圆。 (3) 根据E面和H面方向图的定义，yz平面内的方向图为E面方向图(E面方向图有无穷多个)，xy平面内的方向图为H面方向图。 (4) 与理想点源天线不同，基本振子(元天线)是有方向性的。
,λ为自由空间媒质中的0波长8；.854 10 12 F / m 10 9 / 36F / m
0 4 10 7 H / m
2 /
0 0 / 0为媒质中波阻抗，在自由空间中
rˆ θ为天线轴与矢量之间的夹角；
I----天线电流；dz----元天线的长度

第一章天线的方向图1

30
《天线原理与设计》讲稿
王建
第一章天线的方向图
天线的方向图可以反映出天线的辐射特性，一般情况下天线的方向图表示天线辐射电磁波的功率或场强在空间各个方向的分布图形。而相位、极化方向图只在特殊应用中使用。对不同的用途，要求天线有不同的方向图。这一章介绍几种简单的直线天线和简单阵列天线的方向图，以及地面对天线方向图的影响。简单天线涉及元天线、单线行波天线、对称振子天线等。简单阵列天线涉及由同类型天线组成的二元阵、三元阵和多元阵，对简单阵列将介绍方向图相乘原理。线天线的分析基础是元天线。一个有限尺寸的线天线可看作是无穷多个元天线
(1.19)
(a) 天线与场点的实际几何关系 (b) 远场近似处理的几何关系 θ ′ = θ 图 1-3 有限尺寸天线与场点的实际几何关系和远场近似处理
只要天线上电流分布 I ( z′) 已知，由式(1.18)和(1.10)就可得到天线在观察点的远区电磁场。对于任意位置的观察点来说，式(1.18)很难得到一个闭合形式的表达式。如果天线上电流为正弦分布，则式(1.18)能够简化得到一个闭合形式的表达式，这将在后面介绍。现在不讨论天线上的电流分布如何，只讨论观察点所处位置(区域)对式(1.18)积分的简化问题。由观察点到坐标原点的距离 r = x 2 + y 2 + z 2 ，及关系式 z = r cos θ ，式(1.19) 可写作
Eθ = jη0
式中，
Idz − jβ r e F (θ ) 2λ r
(1.12) (1.13)
F (θ ) = sin θ
为元天线的方向图函数或归一化方向图函数。其含义是：在半径为 r 的远区球面上，基本振子的远区辐射场随空间角 θ 为正弦变化。由此可画出其空间立体方向图和两个主面(E 面和 H 面)的方向图，如图 1-2 所示。

天线方向图

第一章天线的方向图
天线的方向图可以反映出天线的辐射特性，一般情况下天线的方向图表示天线辐射电磁波的功率或场强在空间各个方向的分布图形。而相位、极化方向图只在特殊应用中使用。对不同的用途，要求天线有不同的方向图。
例如，广播电视发射天线，移动通讯基站天线等，要求在水平面内为全向方向图，而在垂直面内有一定的方向性以提高天线增益，见图(a)；对微波中继通讯、远程雷达、射电天文、卫星接收等用途的天线，要求为笔形波束方向图，见图(b)；对搜索雷达、警戒雷达天线则要求天线方向图为扇形波束，见图(c)等。
zˆAz
通过球坐标系和直角坐标系之间的转换,有
Ar A
Az Az
cos sin
A 0
2020/7/22
由 E j A j• 0 A 0 ,H 1 0 A可得元天线的电磁场各分量为
dH
j
4Idrzsin1
1
jr
ejr
dE
j 4Idrzsin1
1
jr
1
( jr)2
2020/7/22
2020/7/22
几种典型应用的方向图
这一章介绍几种简单的直线天线和简单阵列天线的方向图，以及地面对天线方向图的影响。简单天线涉及元天线、单线行波天线、对称振子天线等。简单阵列天线涉及由同类型天线组成的二元阵、三元阵和多元阵，对简单阵列将介绍方向图相乘原理。
线天线的分析基础是元天线。一个有限尺寸的线天线可看作是无穷多个元天线的辐射场在空间某点的叠加。因此这里首先讨论元天线。
相位常数: 2,/λ为自由空间媒质中的波长； 2020/7/22
0 0/0 为媒质中波阻抗，在自由空间中12；0
θ为天线轴与矢量 rˆ之间的夹角；

八木天线的方向图及阻抗匹配和极化匹配

八木天线的方向图及阻抗匹配和极化匹配一、实验原理（1）八木天线是由一个有源振子(一般用折合振子)、两个无源振子：反射器（长的）和若干个无源引向器（短的）平行排列而成的端射式天线。

主瓣方向由有源振子指向引向器。

引向器略短于二分之一波长，主振子等于二分之一波长，反射器略长于二分之一波长，两振子间距四分之一波长。

此时，引向器对感应信号呈“容性”，电流超前电压90°;引向器感应的电磁波会向主振子辐射，辐射信号经过四分之一波长的路程使其滞后于从空中直接到达主振子的信号90，恰好抵消了前面引起的“超前”，两者相位相同，于是信号迭加，得到加强。

反射器略长于二分之一波长，呈感性，电流滞后90°，再加上辐射到主振子过程中又滞后90°，与从反射器方向直接加到主振子上的信号正好相差了180，起到了抵消作用。

一个方向加强，一个方向削弱，便有了强方向性。

发射状态作用过程亦然。

（2）阻抗匹配天线的一个重要特征，那就是“输入阻抗”。

在谐振状态，天线如同一只电阻接在馈线端。

常用馈线阻抗为50Ω，如果天线输入阻抗也是50Ω，那就达到了“匹配”，电台输出的信号就能全部从天线上发射出去；如果不“匹配”，一部分功率就会反射回电台的功放电路。

阻抗完全匹配才能达到最大功率传输。

不匹配时，发射机发射的电波将有一部分反射回来，在馈线中产生反射波，反射波到达发射机，最终产生为热量消耗掉。

接收时，也会因为不匹配，造成接收信号不好。

完全匹配，将不产生反射波，这样，在馈线里各点的电压振幅是恒定的。

阻抗完全匹配才能达到最大功率传输。

（3）极化匹配收、发信双方保持相同"姿势"为好。

振子水平时，发射的电波其电场与大地平行，称"水平极化波"，振子与地垂直时发射的电波属"垂直极化波"。

收发双方应该保持相同的极化方式。

二、实验目的1、学习测量八木天线方向图方法2、测量八木天线在阻抗匹配条件下的反射系数3、研究在不同极化方式下的八木天线的功率变化。

天线原理实验报告

Harbin Institute of Technology天线原理实验报告课程名称：天线原理院系：电信学院班级：姓名：学号：同组人：指导教师：刘北佳实验时间：2015/5/13实验成绩：哈尔滨工业大学一、实验目的1.掌握喇叭天线的结构、分类和特性参数。

2.掌握天线方向图的意义和测量方法。

3.对比分析几种天线的辐射特性和性能。

二、实验原理1.天线电参数天线电参数主要包括：方向图、方向性系数、有效长度、增益、效率、输入阻抗、极化、频带宽度。

1）方向图：天线的辐射电磁场在固定距离上随空间角坐标分布的图形，称为辐射方向图或辐射波瓣图。

2）方向性系数：在相同辐射功率，相同距离情况下，天线在某方向上的辐射功率密度与无方向性天线在该方向上的辐射功率密度之比。

3）有效长度：在保持天线最大辐射场强不变的情况下，假设天线上的电流为均匀分布时的等效长度。

4）增益：在相同输入功率，相同距离情况下，天线在某方向上的辐射功率密度与无方向性天线在该方向上的辐射功率密度之比。

5）效率：天线将导波能量转换成电波能量的有效程度。

6）输入阻抗：天线输入端呈现的阻抗值。

7）极化：天线在给定空间方向上远区无线电波的极化，即时变电场矢量端点运动轨迹的形状、取向和旋转方向。

8）频带宽度：天线电参数保持在要求范围内的工作频率范围。

2.喇叭天线喇叭天线由逐渐张开的波导构成。

按口径形状可分为矩形喇叭天线与圆形喇叭天线等。

波导终端开口原则上可构成波导辐射器，由于口径尺寸小，产生的波束过宽；另外，波导终端尺寸的突变除产生高次模外，反射较大，与波导匹配不良。

为改善这种情况，可使波导尺寸加大，以便减少反射，又可在较大口径上使波束变窄。

3.方向图测量（测试环境、最小测试距离、极化）测试环境：最理想的场地是自由空间，可以通过微波暗室来模拟，本次实验在实验室进行测量，测量过程中存在一定干扰；最小测试距离：实际测量中，发射天线到接收天线距离有限，为保证测量精度需规定被测天线入射波的幅度、相位条件来确定最小测试距离；极化：天线在给定空间方向上远区无线电波的极化，通常指天线在其最大辐射方向上的极化。

天线原理与设计6.2 方向图测量

匹配器
辅助发射天线
待测天线转台
可变衰减器
可变衰减器发射机波长计调制器
测试场测测量放大器量方向图的方框图
检波器指示器
三、注意事项
无论用哪种方法进行天线方向图测量时,都必须注意以下几点: (1)根据互易原理,待测天线可以作接收,也可作发射,视进行测量的方便程度而选定,但测试方法和结果是不变的。 (2)收、发天线之间的距离应大于在第一章中讨论的最小测试距离。 (3)测量主平面方向图时,收、发天线的最大辐射方向应对准,且都在旋转平面内。 (4)天线转动的轴线应通过天线的相位中心。 (5)若非连续记录而是逐点测试时,视天线方向
(8)
图波瓣的多少和大小,应选取足够的测试点。一般说来,一个波瓣的测试点不应少于10-20个,且对波瓣最大值和最小值所在区域更应特别注意。 (6)测试时必须注意信号源输出的稳定和接收设备的校准。
方向图测量误差讨论
一、周围物体反射引起的误差
反射物体
待测天线
E2 E1
周围物体的反射
源天线
(9)
设直射场为E1,反射场为E1,则相对电平的测量误差可近似表示为:
(6)
坐标纸上绘出方向图曲线。测试垂直面方向图时,可以将待测天线绕水平轴转动900后,仍按测水平面方向图的办法得到;也可以直接在垂直面内旋转待测天线,测取不同仰角时的场强响应而得到。场强响应的读取方法有两种:一是由接收机检波输出指示器直接读取;另一是改变接收机衰减器的衰减量,使检波器输出指示器读数保持不变,由衰减器衰减量的差值来读取。
8.2 方向图测量
天线方向图是表征天线辐射特性(场强振幅、相位、极化)与空间角度关系的图形。完整的方向图是一个三维的空间图形。

1 理解天线辐射的相关原理知识,对天线的方向图及其相关参数有一定的认识。 2 测定右手螺旋天线的方向特性

实验报告：天线辐射的方向特性一、实验题目：天线辐射的方向特性二、实验目的：1 理解天线辐射的相关原理知识，对天线的方向图及其相关参数有一定的认识。

2 测定右手螺旋天线的方向特性。

三、实验仪器:旋转天线盘、喇叭形天线、微波吸收器、右手螺旋天线、波导式天线、计算机及测试软件。

四、实验原理：任何实用天线的辐射都具有方向性，通常将天线远区辐射场的振幅与方向间的关系用曲线表示出来，这种曲线图被称之为天线的辐射方向图；而将离开天线一定距离R 处的天线远区的辐射场量与角度坐标间的关系式称为天线的方向图函数，记为|F(θ,φ)|。

电流元的远区辐射场量在相同距离R的球面上不同方向的各点，场强是不同的，它与|sinθ|成正比，因此，电流元的方向图函数，记为|F(θ, φ)| =|F(θ)| = |sinθ|。

为了画出电流元的辐射方向图，将电流元中心置于坐标原点，向各个方向作射线，并取其长度与场强的大小成正比，即得到一个立体图形，也就是得到电流元的立体方向图，它的形状像汽车轮胎。

如图1（a）所示。

天线的立体方向图一般较难画出，通常只画出相互垂直的两个平面内的方向图，即E面和H 面方向图。

电流元E面的方向图处于子午面，即电场分量Eθ所处的平面内的方向图，故称为E面方向图，H面方向图处于赤道面内，即与磁场分量Hφ平行的平面内的方向图，故称为H面方向图。

(a) 立体方向图； (b) E面方向图； (c) H面方向图图1 电流元的方向图二维平面方向图可以在极坐标系中绘制，也可以在直角坐标系中绘制，但在极坐标系中绘制的方向图较为直观，因此较为常用。

在极坐标系中绘制的电流元的E 面和H面方向图如图1(b)T和（c）所示。

显然，E面方向图关于电流元的轴线呈轴对称分布，在θ=90˚方向出现最大值“1”，其他方向上按矢径作出，而在轴线（θ=0˚和θ=90˚）上其值为零。

在H面（θ=90˚）上，各方向场强均相同，故其方向图是一个单位圆，这样，将E面方向图绕电流元的轴线旋转一周，即可得到电流元的立体方向图。

21天线方向图测试---抛物面天线方向性的研究

103 实验二十一天线方向图测试一抛物面天线方向性的研究一、实验目的1、进一步掌握天线方向图的基本测量方法。

2、了解旋转抛物面天线的结构及其几何参数关系。

3、研究旋转抛物面天线的辐射器在正焦、偏焦时的方向图。

二、实验内容1、测量旋转抛物面天线的主要几何尺寸，计算抛物面的焦距f ，将辐射器置于焦点上(正焦时)，测量抛物面天线的H 面方向图。

2、将辐射器置于偏离抛物面轴线某一角度1θ的等焦距位置上，测量天线的H 面方向图。

3、将辐射器沿轴线缩短4cm 时，测量天线的H 面方向图。

三、实验原理和方法旋转抛物面天线是一种典型的反射面天线，它是由金属制作成的旋转抛物面反射镜(其几何尺寸大至几十米，小到零点几米)和位于抛物面焦点上的辐射器(又称馈甲如振子天线、喇叭天线和糙隙天线等)所构成，具有主瓣窄、付瓣电子低和高增益等辐射特性，目前已广泛地应用于雷达、中继通信、电视、射电天文和卫星地面站等方面。

抛物面天线辐射特性的分析方法目前在理论上已经成熟，借助数字计算机可以获得精确的计算，但是由于制造工艺和安装方面的原因往往存在抛物面的制造公差和辐射器的安装公差等，从而影响了天线的辐射特性，所以通过实际测试调整天线的性能是非常重要的。

旋转抛物面天线是一种具有针状波束的强方向性天线，它的这一特性是由旋转抛物面天线的聚焦作用决定的。

在直角坐标中的方程为224x y fz +=在极坐标系中的方程为22sec 1cos 2f f ψρψ==+ 图20-1旋转天线法测量天线方框图四、测量步骤⑴、根据要求确定球坐标去向和控制台⑵、确定最小测试距离和架设高度⑶、进行电道估算选择测量仪器⑷、收发天线应架设在同一高度上，并将转台调到水平⑸、检查周围的反射电平及必须具备的测量条件⑹、转台转轴尽可能通过待测天线相位中心⑺、转动待测天线，使准备测试的方向图平面为水平面，并使辅助天线极化使与待测场极化一致。

⑻、将收发天线最大方向对准，调整检波器与测量放大器使接受指示最大⑼、旋转待测天线，记录接受信号，特别留心主办宽度和付瓣电平，垂直平面的方向图测量同上，只要将天线变成俯仰转动或将待测天线极化旋转90度在水平面测量。