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：

2

4r 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 o

r

P 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 AB

P R G G P πλ⎛⎫⎛⎫+=- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭ ()()420lg 10lg o A C dB dB r AC

P R G G P πλ⎛⎫⎛⎫+=- ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭（4） ()()420lg 10lg o B C dB dB r BC

P 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