增益测量

第一章概念1.1 定义1.1.1 功率增益天线在某方向上的辐射强度（每单位立体角内天线所辐射的功率）与天线从其信号源所得的净功率的比值称为天线在该方向的功率增益。

功率增益表征天线固有的性质，不包括因阻抗或极化失配所引起的系统损失。

在确定整个系统的功率传递时，要测量和考虑天线的输入阻抗与天线的极化。

1.1.2 峰值功率增益功率增益的最大值称为峰值功率增益。

本文所指的公路增益测量均为峰值功率增益测量，知道了辐射方向图就可确定任何其它方向的增益。

1.2 测量方法概述1.2.1功率增益测量方法分类功率增益测量方法可分为两大类：绝对法和比较法。

1.2.1.1 绝对法分类绝对增益测量不需要预先知道测量中所使用的任一天线的增益。

这种方法通常用于增益标准天线的定标。

除了专门从事标准定标的实验室外，其它实验室很少采用这种方法。

1.2.1.2 增益传递法增益传递发也称增益比较法，它是增益测量最常用的方法。

用这种方法进行测量时，需使被测天线的增益与增益标准的增益天线进行比较。

1.2.2 确定天线功率增益所采用的技术确定天线功率增益所采用的技术因天线的工作频率而异。

1.2.2.1 1GHz以上的频率在1GHz以上的频率，通常采用自由空间测试场进行功率增益测量。

对这些频率，可采用微波技术，例如可采用电磁喇叭等波导元件。

1.2.2.2 0.1--1GHz之间的频率对于0.1--1GHz之间的频率，通常用地面反射测试场进行测量。

在这一频率范围内工作的天线通常安装在诸如飞机之类的构件上，这些构件会影响天线的性能。

此时可采用比例模型技术。

然而，只要比例模型天线制作的合适，其方向性与原型天线的方向性是相同的，故可以测量比例模型天线的方向性，再用其它方法测出原型天线的效率，从而求得功率增益。

可使装有原型天线的飞机相对于一个适当的地面站按规定的路线飞行，以证实方向性测量结果。

可用原型被测天线测出系统性能，并与比例模型的测量结果进行比较。

1.2.2.3 低于0.1Ghz的频率当频率低于0.1GHz时，地面对天线特性的影响变得十分明显，使功率增益的测量更加困难。

在这一频率范围内，定向天线的尺寸是相当大的，必须在现场进行测量。

通常可满意地计算天线的增益并估算地面的影响。

再之，也可采用比例模型，然而，由于地面对天线特性的严重影响，地面的电器特性也应该按比例模拟。

1.2.2.4 低于1MHz的频率对低于1MHz的频率，通常不测量天线的功率增益，而测量天线所辐射的地波的场强。

第二章增益标准天线2.1增益标准天线应具有的特性1. 天线的增益应是准确地已知的；2. 天线具有高度的尺寸稳定性；3. 天线必须有高极化纯度。

2.2增益标准天线的类型虽然符合要求的任何天线都可以用作增益标准天线，但是普遍采用的两类天线是偶极子和角锥喇叭。

这两类天线的增益可以算得十分精确，而且其机械结构简单，故制作的重复性很高。

这两类天线均是标称线极化的。

另有一种是专门设计的增益标准天线。

应该强调，如果要求高准确度，增益标准天线应由专门做增益标准天线定标的标准实验室定标。

2.2.1 偶极子天线一根适当激励的细偶极子天线，当其长度被调节到半波长谐振时，其增益近似为2.15dB 。

偶极子天线本身具有很高的极化纯度。

然而，由于他的方向图宽，其特性会受周围环境，尤其是其传输线的影响。

为此很难确定其极化纯度的界限。

2.2.2 喇叭天线2.2.2.1 角喇叭天线在微波频段，广泛采用角锥喇叭天线作增益标准天线。

作增益标准天线的喇叭天线应附有计算的定标曲线。

定标曲线具有平滑的特性，若需要更高的精确度时，则应由合适的标准实验室对角锥喇叭天线进行定标。

这种天线增益较高，故作为增益测量时受其皱纹环境的影响较小。

在轴向其极化椭圆的轴比在40dB 以上。

2.2.2.2 波纹圆锥喇叭波纹圆锥喇叭天线具有极低的旁瓣，因此是理想的增益标准天线。

无论用理论计算或实验定标，其增益均可达到0.1dB 的精度。

波纹圆锥喇叭特别适用于精密的增益测量。

2.2.3 专门设计的增益标准天线有时需要设计一个具有特殊性质的增益标准天线。

例如，偶极子天线在其H 平面是全向的方向图，故其方向图会受周围环境影响而发生很大的变化。

为此，需要设计一种定向天线，例如，带反射器的偶极子阵、角形反射器天线或对数周期天线，并对其增益进行定标。

2.3 在自由空间测试场上增益标准天线的定标2.3.1弗里斯传输公式绝对增益测量以弗里斯传输公式为基础。

对于如图1所示的两天线系统，弗里斯传输公式为：24r O A B P P G G R λπ⎛⎫= ⎪⎝⎭（1）式中：r P ---与接收天线相连的匹配负载所接收到的功率； O P ---发射天线的输入功率；A G ---发射天线的功率增益；B G ---接收天线的功率增益。

该公式隐含着下列假设：即天线是阻抗匹配的并在它们的规定指向上是极化匹配的，天线间的距离满足远场条件。

图1 说明弗里斯传输公式的两天线系统2.3.2 两天线法以分贝表示的弗里斯传输公式可写为：()()420lg 10lg o A B dB dB r P R G G P πλ⎛⎫⎛⎫+=- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭（2） 若两个天线相同，则可推断它们的增益相等，于是可得天线的功率增益为：()()1420lg 10lg 2o A B dB dB r P R G G P πλ⎡⎤⎛⎫⎛⎫==-⎢⎥ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎣⎦（3） 确定天线功率增益的步骤是测量R ，λ，10lg orP P ⎛⎫ ⎪⎝⎭，然后计算()A dB G 。

因为需要两个相同的天线，故把这一方法称为两天线法。

2.3.3 三天线法在三天线法中，要用三个天线的所有组合完成三组测量，其结果为如下所示的联立方程：()()420lg 10lg o A B dB dB r ABP R G G P πλ⎛⎫⎛⎫+=- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ ()()420lg 10lg o A C dB dB r ACP R G G P πλ⎛⎫⎛⎫+=- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭（4） ()()420lg 10lg o B C dB dB r BCP R G G P πλ⎛⎫⎛⎫+=- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ 由这一联立方程可确定所有三个天线的增益。

2.3.4 测试设备典型方框图2.3.4.1 点频测试设备典型方框图图2 用于功率增益测量的两天线法和三天线法的典型测试设备对于点频测量，两天线法或三天线测试设备的框图如图2所示。

测试设备应是高度稳定的，信号源产生单一频率的正弦波。

参照图2，其测量步骤为：a ．使两个天线精确地对准和取向；b ．对信号源和发射天线A 间的耦合网络定标，以精确地找到在发射测试点测得的功率与进入A 天线的功率之间的关系；c ．用调配器使系统的所有元件都达到阻抗匹配；d ．调节耦合网络的衰减器是发射测试点的功率电平与接收测试点的功率电平相同；e ．根据耦合网络的定标值确定相对功率电平o rP P 。

2.3.4.2 扫频测试设备方框图通常用扫频技术测量宽带天线的增益，测量方法可用两天线法或三天线法。

典型的扫频测试设备方框图如图3所示。

注意，要在整个频带内使所有元件都达到匹配是不可能的，所以必须用扫频法测出所有元件的阻抗或反射系数。

图3 关于功率增益测量的扫频两天线和三天线法的典型测试设备2.4 在地面反射测试场上增益标准天线的定标对低于1GHz 的频率，某些用作增益标准天线的天线必然有中等宽度的波束。

对于这些天线，若需准确测定其增益，通常采用地面反射测试场。

只要作某些限制和修正，在地面反射测试场上也可以用两天线或三天线法增益测量方法。

2.4.1 测量精度所用的测试设备基本上与自由空间测试场测量的测试设备相同。

用这种方法可达到+_0.3dB 的精度。

2.5 在外推法测试场上增益标准天线的定标2.5.1 外推法基本原理在常规远场测试法中，天线参数是在被测天线与源天线之间的距离为优先情况下测得的，测得的参数是无限距离上测得的远场参数的一种近似。

事实上，这种常规的近似是外推法的一种最简单的形式。

外推法中，天线参数是在天线间的距离在一定范围内变化时测得的，然后把天线参数随距离的变化外推至无限远处。

2.5.2 多径效应的消除方法在天线测试场进行测试时，多径效应和邻近效应是始终存在的。

当改变收、发天线间的距离测量接收信号时，多径效应表现为接收信号与距离的函数关系曲线上的周期性起伏现象。

外推法包括严格计算和校正这些效应所引起的误差。

在数学上可用求平均值的方法（作图法、数值法）消除由多径效应引起的接收信号的周期性变化，或者调节测试设备的时间常数，使其不能跟踪周期性变化但能记录平均值。

用曲线吻合平均数据可推知远场测量应测得的信号电平。

用这种方法邻近干扰效应和多径效应都可消除。

从这结果可算出功率增益。

2.5.3 与广义三天线法结合的外推法若将外推法与广义三天线法结合起来，则不仅能得到三个天线的功率增益，而且能得到它们的极化状态。

注意，此时三个天线中任一天线都不应是标称圆极化的。

若其中某个天线是圆极化的，则只有这一天线的特性可以完全确定。

如果两个或三个天线是标称圆极化的，那么这一方法就无效了。

2.5.4 外推法测试场外推法测试场备有可精密移动的塔，塔在测试场长度范围内移动时应保持使发射天线轴线和接收天线轴线对准。

测量可在20.2D λ到22D λ距离上进行，D 是被测天线的最大尺寸。

塔高至少应为天线间最大距离的15%。

2.5.5 测量精度利用外推法，增益标准天线的定标精度可达0.05dB ±，而采用较为常规的测量，定标精度为0.08dB ±。

2.6 增益标准天线最大增益的实际限制用于精确定标的现有技术对增益标准天线的最大增益有一个实际限制，例如在外推法测试场中，要求塔高为天线间最大距离的15%，这一要求实际上限制了被定标天线的最大增益。

原因是很明显的，因为要定标的天线的增益增大，最大测试距离就增大，塔高也就增高了，这样不仅使轴线对准十分困难，而且塔的造价也十分昂贵。

在微波频率，增益标准天线的最大增益均为40dB 。

第三章增益比较法测量把被测天线的未知功率增益与增益标准天线的功率增益进行比较的测量方法称为增益传递测量。

增益传递测量又称为增益比较测量。

测量可在自由空间或地面反射测试场进行。

3.1 线极化天线的测量理想情况下，被测天线被与其极化匹配的平面波所照射，并在匹配负载上测量接收功率。

在其它条件相同的情况下，用增益标准天线替换被测天线，并再次测量进入其匹配负载的接收功率。

有弗里斯传输公式可得出分贝表示的被测天线的功率增益()T dB G ：()()10lg T T S dB dB SP G G P =+（5） 式中：()S dB G --增益标准天线的功率增益T P --被测天线接收到的功率S P --增益标准天线接收到的功率3.1.1 被测天线与增益标准天线互换的一种方法可在方位定位器轴线的每侧背对安装两个天线实现被测天线与增益标准天线的互换。