1天线测量第一章

圆孔径的直径
辐射近场区测量天线的误差分析
增益系数G矩形孔径相对误差
C (U ) jS (U ) C ( ) jS ( ) E 1 U
C (t ) cos
0 t
2

2
t dt
2
S (t ) sin
t

2
式中：
U
D1 2r

D2
0
t 2 dt
2r
矩形孔径沿y方向的边长
设孔径场 E s 常数
x s2 y s2 sexp( jk 2r ds E 1 s
辐射近场区测量天线的误差分析
矩形孔径相对误差 2 2 D2 / 2 xs ys 1 D1 / 2 E 1 exp jk dxs exp jk dys D2 / 2 D1D2 D1 / 2 2r 2r
式中
z
0
s
y
Ep：观察点P处的场 Es：天线孔径面上的场 rsp ：源点ps到场点p的距离 S：天线孔径面积 k：自由空间波数 ds：单元面积 cos(n,rsp)：是孔径面法线与矢径rsp之间夹角的余弦
计算孔径天线外场的坐标系
原则上，无论何种场区内的场，均应由上式计 算求得。特别是感应场区内，上式难以做任何简化 。但是，在辐射场区内，从实际工程和测试工作角 度看，可以对该式做一定的简化处理，以利计算和 分析，而又不损其精度。
辐射近场区方向图的变化
孔径天线产生的场——辐射远场区
由于这个区域离开天线的孔径更远，
2 2 将 rsp r ( xs sin cos y s sin sin ) xs y s 进一步简化为
rsp r ( xs sin cos ys sin sin )
增益相对误差 E 与 D / 2r 的关系
D ' 孔径窄边的长度 D 孔径宽边的长度
发射和接收天线的互易性
天线1 天线2
天线1 天线2
指示器
U1
I 21
I12
U2
源
观察圆
U1 U 2 I 1 2 I 21
一副天线的方向特性与它作接收 或作发射的工作方式是无关的
缩尺模型技术
定义
缩尺模型技术是指在满足一定前提条件下，将真实天线按一定的缩尺比例缩 缩尺模型技术是指在满足一定前提条件下，将真实天线按一定的缩尺比例缩小（或放大）成便 于测试的模型天线，通过对模型天线的测量，便可得到真实天线的各参数特性，然后，再据此 小（或放大）成便于测试的模型天线，通过对模型天线的测量，便可得到真 制作出实际使用的真实全尺寸天线。 实天线的各参数特性，然后，再据此制作出实际使用的真实全尺寸天线。
– 场的大小与离开天线的距离成反比； – 场的相对角分布与离开天线的距离无关； – 方向图主瓣﹑副瓣和零点已全部形成。
辐射远场区是进行天线测试的重要场区，天线 辐射特性所包括的各特性参数的测量一般均需在 辐射远场区内进行。
孔径天线产生的场
孔径天线所产生场的表达式：
x
rsp
Fra Baidu bibliotekds
p
exp( jkrop ) 1 1 p E [ jk ( jk ) cos(n, rsp )]ds s 4 s rsp rsp
测试对象
天线电性能主要参数
电路特性参数 驻波比 三阶交调 辐射特性参数 增益 半功率波束宽度
隔离度(多端口天线)
幅相一致性(智能天线)
圆度(全向天线)
前后比
交叉极化鉴别率
副瓣抑制(赋形)
有源驻波比(智能天线)
零点填充(赋形) 电下倾角精度
环境实验
天线环境试验项目
高/低温试验 盐雾 湿热 冲击 正弦振动 碰撞 跌落滚翻 风载/冰负荷 模拟汽车运输 冲水
缩尺模型技术
真实天线 F（ x
z
E jH
）
y
模型天线M（
x'
）
E j H
z'
y
H ( j )E
优点 √ 模型天线用料少，制作简便； √研制新天线时，在模型上易于修改天线几何参数和结构，且用费省； 缩尺模型 √便于在不太大的测试场地上进行天线多种性能的测试； 技术是指在满足一定前提条件下，将真实天线按一定的缩尺比例缩小（或放大）成便于测试的 √有些真实天线特性现场测试困难（如机载﹑星载天线，船舶天线等）通 模型天线，通过对模型天线的测量，便可得到真实天线的各参数特性，然后，再据此制作出实 际使用的真实全尺寸天线。 过缩尺模型技术有利于了解天线特性； √ 可以根据手边现有材料和仪器设备情况，选择合适的缩尺比例开展测试 工作，不会因缺乏测试真实天线的仪器及所用材料而影响工作的进行。
•随距离r的增加，场的振幅按1/r的关系非单调衰减，而是先震荡地变化，然后单调地下降 •场振幅的相对角分布与离天线的距离有关，亦即在不同的距离处天线的方向图是不同的
孔径天线产生的场——辐射近场区
2D 2
天 线 口 径 面
辐射近区场
辐射远区场
可以看到，离天线很近时， 方向图只有一个具有起伏包 络的波瓣。随着离天线距 离的增加，方向图才逐渐 接近于无穷远处的情况，形 成较明显的主瓣和副瓣，但 副瓣电平和零值电平均较高 。
e jkr Ep j (1 cos ) E s ds s 2r
（辐射远场区）
在辐射近场区内测量相对误差为
1
Ep

Ep
辐射近场区测量天线的误差分析
在辐射近场区内测量相对误差为
2 xx y s2 s E s exp( jk 2r ds Ep 1 1 Ep Es d s s
这一近似实际上就是把孔径上任意点到观察点p的射线都看成是平行的，得
2r
e jkr Ep j (1 cos ) Es e jk ( xs sin cos ys sin sin ) ds s 2r
可以看出，式中积分内没有与r有关的因子，因此，远区辐射场随距离的变化有 以下的特点：
轴线方向 0
x ys rsp r ( x s sin cos y s sin sin ) s 2r
2
2
2
2
r
Ep

x s2 y s2 e jkr j (1 cos ) E s exp( jk )ds 2r 2r
（辐射近场区）
e jkr Ep j (1 cos ) Es e jk ( xs sin cos ys sin sin ) ds s 2r
概论
地面影响 考虑
第1章 天线测量概论
天线测量定义
天线测量是专门研究天线系统特性参数测量理论和测试方法的一门学 天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。 科分支
输入阻抗具有电阻分量 Rin 和电抗分量 Xin ，即 Zin = Rin + j Xin 。 天线系统的主要特性参数 电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取，因此， 天线效率 必须使电抗分量尽可能为零，也就是应尽可能使天线的输入阻 主要特性参数可以分为两大类： 它是指天线辐射出去的功率（即有效地 电路特性参数（输入阻抗、效率﹑频带宽度﹑驻波比等） 抗为纯电阻。事实上，即使是设计、调试得很好的天线，其输 辐射特性参数（方向图﹑增益﹑极化﹑相位等） 入阻抗中总还含有一个小的电抗分量值。 转换电磁波部分的功率）和输入到天线的有 天线测量的任务就是用实验方法测定和检验天线的这些特性参数。 输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长有关，半波对称振 其他特性参数，如最大承受功率、抗风强度、工作温度、寿命等。 功功率之比。是恒小于 1的数值。 子是最重要的基本天线 ，其输入阻抗为 Zin = 73.1＋ｊ42.5 (欧) 。 当把其长度缩短（３～５）％时，就可以消除其中的电抗分量， 重要性：验证理论分析计算或仿真模拟是否正确；已定型天线批量生产 使天线的输入阻抗为纯电阻，此时的输入阻抗为 Zin = 73.1 (欧) , 1998 年 6 月3日，德国艾舍德高速列车脱轨事故中的车轮轮缘疲劳断口 中，需要抽样检测天线参数是否合格；已在现场使用日久的天线，需要 1998 年6月3日，德国发生了战后最惨重的一起铁路 定期检查其性能是否下降；特别是研制一种新天线时，天线参数的实验 （标称 75 欧） 。注意，严格的说，纯电阻性的天线输入阻抗 交通事故。一列高速列车脱轨，造成100多人遇难。 测量更是必不可少。 只是对点频而言的。
感应场区
π λ/2
辐射场区
天线周围的场区分布
辐射元场区 感应场区 辐射近场区
D
2D 2
孔径天线的辐射场区又分为近场区和远场区
孔径天线的辐射场
辐射近场区的外边界按通用标准规定为：
r
2D 2
r：观察点到天线的距离 D：天线孔径的最大线尺寸

辐射远场区
辐射近场区的外边界以外就是辐射远场区，范 围直到无穷远处。这个区域里的特点是：
孔径天线产生的场——辐射近场区
x
rsp
ds
p
p
exp( jkrop ) 1 1 E [ jk ( jk ) cos(n, rsp )]ds s 4 s rsp rsp
做如下近似
z
0
s
y
•k>>1/rsp，就是说这个区域辐射场已远大于感应场，因 而式中圆括号内的1/rsp项可以忽略 •振幅项中1/rsp ≈1/r •cos(n,rsp) ≈cos θ •相位项中的rsp不能用r近似
•场的振幅按1/r的关系单调地衰减； •方向图与距离无关，且方向图主﹑副瓣已明显形成，零值点也很深。
辐射近场区测量天线的误差分析
孔径轴线（z轴）方向上测量的误差
x ys rsp r s 2r 2 2 xs y s e jkr p j (1 cos ) Es exp jk[(xs sin cos ys sin sin ) 2r ] ds s 2r
'
5.0 1.0 0.5
D' / D 0.8
D' / D 0.6
1.0 0.5
D' / D 0.6
D' / D 0.5
线天线
D' / D 0.5
线天线
0.1 0.05
0.1 0.05
D / 2r
0.1 0.5
场强相对误差
D / 2r
0.1 0.5 1.0 1.5
1.0
1.5
E 与 D / 2r 的关系
天线测量
增益测量 方向图测 量 极化测量 近场测量 技术
阻抗测量
天体源测 量技术
测量概论
天线 测量
chenbo@UESTC.edu.cn Tel: (028) 6183-0171 ROOM:C201
测试场的 设计与鉴 定
天线测量第一章
天线周围 的场区分 布
发射和接 收天线的 互易性
缩尺模型 技术
引言
1 C (U ) jS (U ) C ( ) jS ( ) U t
C (t ) cos
0
式中：
U
D1 2r
2
t dt
2
S (t ) sin
t

2

D2
0
t 2 dt
2r
矩形孔径沿y方向的边长
矩形孔径沿x方向的边长
圆形孔径相对误差
E 1
kD 2 sin 8r kD 2 8r
天线周围的场区分布
• 感应场区是指非常靠近天线的 区域。 • 感应场区里，占优势的是感应 场，其电场和磁场的时间相位 相差90度，波印亭矢量为纯虚 数，因此不辐射功率，电场能 量和磁场能量相互交替地贮存 于天线附近的空间内。 • 图所示电尺寸小的偶极天线， 其感应场区的外边界是λ/2π。 这里，λ是工作波长。感应场随 离开天线的距离的增加而极快 衰减，超过感应场区后，就是 辐射场占优势的辐射场区了.
rsp r ( x s sin cos y s sin sin ) xs y s 2r
2 2
2 2 xs y s e jkr p j (1 cos ) Es exp jk[(xs sin cos ys sin sin ) 2r ] ds s 2r
矩形孔径沿x方向的边长
增益系数G圆形孔径相对误差
kD 2 sin 8r E 1 2 kD 2 8r
2
圆孔径的直径
辐射近场区测量天线的误差分析
E
100 50 方孔径 圆孔径
G
100 50 圆孔径 方孔径
10.0 5.0
孔径窄边的长度
10.0
D / D 0.8