天线方向图的理论分析及测量原理分析

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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。

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

天线方向图（AntennaPattern）

天线方向图（AntennaPattern）天线方向图，是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的图形，通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。

天线方向图是衡量天线性能的重要图形，可以从天线方向图中观察到天线的各项参数。

天线方向图分类1.在地面架设的线天线一般采用两个相互垂直的平面来表示其方向图。

即：水平面方向图和铅垂面方向图。

2.超高频天线通常采用与场矢量相平行的两个平面来表示，即E平面方向图，H平面方向图。

3.按照坐标的选择可分为：直角坐标方向图，极坐标方向图，立体方向图等。

天线的特性参数主要包括：主瓣宽度，旁瓣电平，前后比，方向系数等1.主瓣宽度：是衡量天线的最大辐射区域的尖锐程度的物理量。

通常取天线方向图主瓣两个半功率点之间的宽度。

2.旁瓣电平：是指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣的电平，一般以分贝表示。

3.前后比：是指最大辐射方向（前向）电平与其相反方向（后向）电平之比，通常以分贝为单位。

4.方向系数：在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度与相同辐射功率的理想无方向性天线在同一距离处的辐射功率流密度之比。

天线增益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。

增益的物理含义为了在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号，如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要100W 的输入功率，而用增益为G = 13 dB = 20 的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需 100 /20 = 5W 。

换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。

不同用途的天线要求其有不同的方向性，阵列天线以其较强的方向性和较高的增益在工程实际中被广泛应用。

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)
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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。

天线方向图ppt课件

由上式可以看出，元天线在远区的辐射具有如下性质：
7
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 / r jr
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
3
1.1 元天线的方向图
图1-1 (a) 基本振子及坐标系 (b) 基本振子及场分量取向 4
元天线又称作基本振子或电流元，它是一个长为dz的无穷小直导线，其上电流为均匀分布I。如果建立如图1-1所示坐标系，由电磁场理论很容易求得其矢量位A为
A
zˆ 0 4
e jr Idz
r
zˆAz
1
几种典型应用的方向图
2
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。
11
对于细长天线的电流分布，是假定与无损耗均匀传输线上的电流分布相同。例如对于中点馈电的对称天线可以看成是将末端开路的均匀传输线张开形成的，天线上的电流分布是对称于中点的驻波。
(a) 开路双线传输线
(b) 半张开情况 (c) 张开形成对称振子开路双线传输线张开形成对称振子示意图
在两根相互平行的导线上电流方向相反，两线间距d远远小于波长，它们所激发的电磁场在两线外的周围空间因两线上电流相位相反而相互抵消，辐射很弱。如果两线末端逐渐张开，如图 (b)所示，辐射将逐渐增强。当两线完全展开时，如图 (c)所示，张开的两臂上电流方向相同，辐射明显增强。对称振子后面未张开的部分就作为天线的馈电传输线。

试验四天线方向图测量试验

实验四天线方向图测量实验一、预习要求1、什么是天线的方向性？2、什么是天线的方向图，描述方向图有哪些主要参数？二、实验目的1、通过天线方向图的测量，理解天线方向性的含义；2、了解天线方向图形成和控制的方法；3、掌握描述方向图的主要参数。

三、实验原理天线的方向图是表征天线的辐射特性(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空间立体图形，如图7所示。

它是以天线相位中心为球心（坐标原点），在半径足够大的球面上，逐点测定其辐射特性绘制而成的。

测量场强振幅，就得到场强方向图；测量功率，就得到功率方向图；测量极化就得到极化方向图；测量相位就得到相位方向图。

若不另加说明，我们所述的方向图均指场强振幅方向图。

空间方向图的测绘十分麻烦，实际工作中，一般只需测得水平面和垂直面的方向图就行了。

图7 立体方向图天线的方向图可以用极坐标绘制，也可以用直角坐标绘制。

极坐标方向图的特点是直观、简单，从方向图可以直接看出天线辐射场强的空间分布特性。

但当天线方向图的主瓣窄而副瓣电平低时，直角坐标绘制法显示出更大的优点。

因为表示角度的横坐标和表示辐射强度的纵坐标均可任意选取，例如即使不到1º的主瓣宽度也能清晰地表示出来，而极坐标却无法绘制。

一般绘制方向图时都是经过归一化的,即径向长度(极坐标)或纵坐标值(直角坐标)是以相对场强max `)(E E ϕθ表示。

这里，)(`ϕθE 是任一方向的场强值，max E 是最大辐射方向的场强值。

因此，归一化最大值是1。

对于极低副瓣电平天线的方向图，大多采用分贝值表示，归一化最大值取为零分贝。

图8所示为同一天线方向图的两种坐标表示法。

图8 方向图表示法（a）极坐标（b）直角坐标本实验测量一种天线的方向图，测试系统框图如图9所示。

其中，辅助天线作发射，由功率信号发生器激励产生电磁波；被测天线作接收，被测天线置于可以水平旋转的实验支架上，接收到的高频信号经检波后送给电流指示器显示。

(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。

第二讲-电小天线原理和分析

第二讲电小天线原理和分析一、电小天线的概念电小天线就是指最大几何尺寸远远小于波长〔0.1 以下量级〕的天线.所有手机内置天线都是电小天线.当天线的尺寸与波长相比很小时,其实质就是一个带有少量辐射的电感器或电容器.它仍然是整个天线系统的一个分支,与一般大天线相比并无本质差别,只是其电尺寸小,所以有特别需要注意的一些方面.二、电小天线电特性分析1．方向性在上一讲介绍天线基本原理时曾介绍天线的辐射方向系数D的概念.它反映了辐射能量的集中程度.假设在最大辐射方向上某点上某一实际天线与各向同性天线在该点产生相同的场强,则方向系数等于：其中表示辐射功率.电流元或磁流元的方向图都呈苹果状8字型,方向系数为1.5.而电小天线的电尺寸很小,因此其方向图接近电流元或磁流元的方向图,因此其方向系数接近1.5.半波偶极子天线的方向系数则为1.64.2．辐射效率辐射效率的定义是：其中是辐射电阻,是损耗电阻.在损耗电阻中包括天线自身的欧姆损耗还包括馈线和匹配网络中的损耗电阻,即：其中是天线上的损耗电阻,是馈线和匹配网络中的损耗电阻.一般来说在提到天线效率时并不考虑,但由于小天线和匹配电路密切相关,比如一个小的电容性天线,由于天线输入容抗很高,电阻很小,如果要求此天线和发射机匹配,则在匹配电路中必然要求引入一个串连的大电感使之调谐,并通过变换将低阻值变换为所需的电阻值.这是匹配电路必然带来可观的损耗,所以考虑电小天线的效率必须将计入,以便于对比各种电小天线的性能.[注意] 上式中的各项电阻应归算于同一电流,或者是波幅电流或者是平均电流.从辐射效率的定义式可知,提高辐射效率的途径不外乎从提高辐射电阻和降低损耗电阻入手.[思考] 为什么手机天线设计中提倡尽量不使用匹配电路,或匹配元件尽量少？3．增益根据天线增益公式：要提高增益则应设法提高辐射效率和方向系数,但对电小天线来说,由于,所以提高增益的途径,主要依赖于提高天线的辐射效率.同时由此也可以看出,在电小天线中,提高增益和提高辐射效率是等效的.在手机天线中,有时也使用总辐射功率〔TRP〕的概念,即天线的总辐射功率,可以通过天线在空间各方向上的增益求积分得到.电小天线中的增益〔G〕、辐射效率〔〕和总辐射功率〔TRP〕是三个相互关联的概念,当其中一个性能得到改善时,另外两个性能也随之改善.4．输入阻抗天线输入阻抗定义为天线输入端的电压和电流之比.的有功和无功分量分别用和表示,称为输入电阻和输入电抗.在一个频带内的几个频率上测量或计算天线输入阻抗的数值,可以作出输入阻抗和频率的关系曲线,因为输入阻抗是复数,一般必须分别作出和两组曲线.还有一种显示阻抗轨迹曲线的方法是使用史密斯圆图工具.电小天线的通常很低,它由天线的辐射和天线的损耗两方面的因素形成.[注意] 在直流和低频电流情况下,金属导体是等势体,导体上的电位和电流分布处处相同.但在天线导体上,同一导体上的电位和电流分布却是处处不同的.因此天线上各点的阻抗值也不同.理论上,在天线上改变馈点的位置可以实现与馈线的匹配.不过由于制造工艺难于实现,所以这个结论并不实用.但应当清楚这一概念.5．工作频带天线的工作频带定义为天线在辐射方面的特性基本满足所提出的要求时的频率X 围.由于电小天线方向性在工作频段内类似电流元特性,在整个波段变化不显著,所以主要变化特性一般指输入阻抗的变化,工作频带也都是指阻抗带宽.手机天线一般要求阻抗带宽在VSWR<2.5附近.容性天线等效为一个和的串连电路,此时天线的品质因数Q值：其中在天线包含匹配电路时需要将匹配电感中的电阻部分计入.由高频电路理论知串联电路失谐时输出的电压幅度和谐振时的输出电压幅度之比〔即归一化选频特性〕为：2011⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛∆+=f f Q S ,其中f ∆为失谐频带宽度,为谐振频率.令上式等于2/1,可以得到：由此式可以看到,天线的Q 值与带宽成反比,Q 值越大,带宽越小.三、电小天线的固有缺陷与解决方法 1．电小天线的固有缺陷● 辐射效率低由于电小天线电尺寸很小,因此其辐射电阻将降低,假定天线本身不存在损耗,尽管其辐射电阻降低,总可以通过适当办法消除天线的输入电抗成分,并变换其电阻为适当的数值使其与发射机或接收机匹配,从而有效完成能量转换功能.但遗憾的是,不仅天线本身存在热损耗,而且匹配电路也会引入损耗.当天线的辐射电阻很低时,这些损耗就会更加突出,从而降低了天线的辐射效率,因此对小天线来说,辐射效率低是其突出的问题.● 工作频带窄既然小天线相当于电容或电感,并且其电阻成分低,亦即其具有一定的高品质因数Q,而Q 值反比于带宽,因此小天线的工作频带比较窄,这就意味着工作频带宽度也是在设计小天线中应当重视的问题.辐射效率和带宽在电小天线设计中比其他指标突出,因此有时将f G ∆⋅或Q G /作为电小天线的特定指标.在增益一定的情况下,应设法降低Q 值,Q 值一定时则应设法增大G.对发射天线来说,如果在满足带宽的要求下确定Q,则此时增益或辐射效率高成为主要设计依据,而对接收天线来说,只要满足噪声的要求下,辐射效率的高低并不像发射天线那么重要.2． Chu 极限定理Chu 极限定理认为,电小尺寸天线的Q 值取值X 围由以下公式表达：式中k 为波数,r 为天线最大方向上的尺寸.根据Chu 极限定理,我们可以得到如下重要概念：由于Q 值与带宽成反比,与天线最大尺寸的三次方也成反比,而天线尺寸的三次方又反映天线占用的空间大小.因此电小天线所能达到的最大带宽与天线占用的空间成正比.因此,对电小天线设计而言,要获得大的带宽,必须保证为电小天线预留足够的空间.由前面提到的电小天线的特定设计指标Q G /以与有关实验证实,在电小天线的带宽和辐射效率之间存在一种近似的折中关系.因此Chu 极限定理反映的是极限带宽与占用空间的关系,也可以说是极限辐射效率与占用空间的关系.在手机天线设计中,这一点具有非常重要的含义.我们设计天线的结构时,最容易犯的错误就是以为内置天线附近空间很大,可以放些马达、音腔、摄像头、金属圈进去,因为那里有足够的空间,而手机板上其余部分空间已经不足.这些情况在天线设计中应尽量避免,或做慎重考虑.[说明] 事实上,当在电小天线附近放置具有金属材料等物体时,它不仅缩小了天线实际占用的空间,导致极限带宽的下降；而且增大的损耗电阻,造成辐射效率的降低.因此天线占用空间的缩小会直接导致天线性能的急剧恶化.Chu极限定理的概念对手机结构设计来说非常重要,而在天线设计中的指导作用并不大.因为在天线设计中很难给出一个复杂电磁环境下的天线等效尺寸r的准确值.3．提高电小天线辐射效率的途径提高电小天线辐射效率,或减小天线尺寸的途径,概括起来不过有以下几种：（1）提高辐射电阻；（2）降低损耗电阻：包括降低天线本身的热损耗和降低匹配电路的损耗；（3）保证功率有效馈送到天线上,减少天线邻近物体与地面条件变化对天线的影响,保证匹配.当然,采取以上各种措施减小天线尺寸时,必须满足工作频带的要求.●提高辐射电阻最常使用的提高辐射电阻的途径是加顶和加载.比如列车顶部的天线高度受到限制,为增加垂直部分的有效高度,可以在天线顶部加装水平部分使天线类似型.当水平部分和垂直部分之和接近时,有效高度最大,同时可以使天线的输入电抗分量大大减小.手机天线使用变形单极子天线作为内置天线时,也常采用类似的措施.手机外置天线使用的螺旋天线是一种连续加载天线,为缩小天线的尺寸,将谐振长度一定的天线绕成螺旋状.●降低天线和匹配电路的损耗电阻当天线的电尺寸较大时,天线的热耗相对天线的辐射而言不大,因为其效率高,但当天线尺寸减小时,其辐射较弱,天线本身的损耗也就相应突出.当然,可以设法使用低耗元件〔如电容〕来降低其损耗.手机设计时降低匹配电路损耗电阻的措施有：尽量不使用匹配元件或使用低耗匹配元件；尽量使RF模块靠近天线馈点,缩短馈线的长度；尽量使用PCB阻抗线而不要使用同轴电缆等.●减小邻近物体的影响在手机天线中,对天线性能影响最严重的环境因素就是Speaker、马达和金属装饰环.Speaker不仅由于其中的旋磁物质改变辐射场结构,而且对接收频段是一种强烈的噪声源.如果使用PIFA内置天线形式,应尽量避免将Speaker、马达装在天线辐射单元下方,绝对不允许将两个Speaker同时装入天线辐射单元和地面之间.金属装饰环不能在天线的投影面上方,并且与天线的最小间距应大于6mm.四、电小天线常用的分析方法对电小天线进行分析的方法,常见的方法有：1．集总参数分析法这种分析方法的基本思想是,将天线看作终端开路的传输线,并用集总电感或电容等效传输线的分布参数.这种分析方法不很严格,并且对复杂形状的天线往往较难于分析,但是较为直观,可以帮助我们作出定性的判断.当天线的尺寸小于弧度长时,天线就相当于一个电容或电感,忽略热损耗,则等效阻抗中的实部就表示天线的辐射.匹配带宽正比于谐振带宽.2．模式分析法即将天线辐射看作TM传输模,求解麦克斯韦方程.这种分析方法较复杂,需要求解较为烦杂的积分方程.3．电流分布分析法即将天线上的电流划分为若干条细小的线电流,分别求解每条线产生的阻抗然后求解积分方程,这也是一种近似方法,计算也比较复杂.。

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ppt课件

dH j2 Id rszinejrA/m
由上式可以看出，元天线在远区的辐射具有如下性质：
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d E j2 Id z r sine jr(V /m )
dH j2 Id rszinejrA/m
（1）电场和磁场都与 ejr /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
所以首先需要知道天线上的电流分布情况。严格求解天线上的电流分布是一个复杂的理论问题，工程上采用近似方法。
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对于细长天线的电流分布，是假定与无损耗均匀传输线上的电流分布相同。例如对于中点馈电的对称天线可以看成是将末端开路的均匀传输线张开形成的，天线上的电流分布是对称于中点的驻波。
不同长度对称振子上的电流分布
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1.3单线行波天线单线行波天线是指载有均匀行波电流的直线天线，它可以是菱形天线的一条边，也可以单独构成地面上的长线行波天线
如图所示。
(a) 菱形天线(b) 长线行波天线
这里只考虑自由空间中的一根长为l 的行波直线天线，并建立
坐标系如图所示。求其远区辐射场及方向图函数。
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几种典型应用的方向图
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2
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。

第一章天线的方向图1

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《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。

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。