哈工大电波与天线演示实验指导书

天线原理演示实验指导书

王楠楠，林澍编

哈尔滨工业大学

微波工程系

2013年5月

目录

实验一半波振子天线的制作与测试 (1)

一、实验目的 (1)

二、实验原理 (1)

三、实验仪器 (2)

四、实验步骤 (2)

1、半波振子天线的制作 (2)

2、天线阻抗带宽测试 (3)

3、实验数据和实验报告 (4)

五、思考题 (4)

实验二超宽带天线测试（演示实验） (4)

一、实验目的 (4)

二、实验原理 (5)

三、实验内容 (6)

1、实验仪器与实验环境 (6)

2、实验装置图 (9)

3、实验步骤 (9)

4、记录表格 (11)

四、实验报告内容 (13)

五、思考题 (13)

实验三圆极化天线的测试（演示实验） (14)

一、实验目的 (14)

二、实验原理 (14)

三、实验内容 (15)

1、实验仪器与实验环境 (15)

2、实验装置图 (15)

3、实验步骤 (15)

4、记录表格 (16)

四、实验报告内容 (17)

五、思考题 (17)

实验一 半波振子天线的制作与测试

一、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（S 11），需要用到公式（1-1）： )exp(||0011θj Z Z Z Z S A A Γ=+-= （1-1）

根据公式（1-1），只要测试出来的|Γ|值低于某个特定的值，就可以说明在此条件下天线的阻抗Z A 接近于所要求的阻抗Z 0（匹配），在天线工程上，Z 0通常被规定为75Ω或者50Ω，本实验中取Z 0=50Ω。天线工程中通常使用电压驻波比（VSWR ）ρ以及回波损耗（Return Loss ，RL ）来描述天线的阻抗特性，它们和|Γ|的关系可以用公式（1-2）和（1-

3）描述： ||1||1Γ-Γ+=ρ （1-2）

|)lg(|20Γ-=RL [dB]

（1-3） 对于不同要求的天线，对阻抗匹配的要求也不一样，该要求列于表1-1中。

表1-1 工程上对天线的不同要求（供参考）

（2）同轴电缆的特性阻抗

本实验采用50欧姆同轴电缆，其外皮和内芯为金属，中间填充聚四氟乙烯介质（相对介电常数 2.2r ε=）。其特性阻抗计算公式如下：

0b Z a ⎛⎫= ⎪⎝⎭ （1-4）

式中 a ——内芯直径；

b ——外皮内直径。

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

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3mm~4mm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SMA连接器与电缆外皮焊

接。注意：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Anritsu 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”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1800MHz~2600MHz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的频点。

●点击MODE，利用上下键选择VSWR，点击ENTER。观察VSWR<2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。