天线的方向图测量(设计性试验)

中国石油大学近代物理实验报告

班级：材料物理10-2 姓名：同组者：教师：

设计性实验不同材质天线的方向图测量【实验目的】

1．了解天线的基本工作原理。

2．绘制并理解天线方向图。

3．根据方向图研究天线的辐射特性。

4、通过对不同材质的天线的方向图的研究，探究其中的练习与规律。

【预习问题】

1．什么是天线？

2．AT3200天线实训系统有那几部分组成，分别都有什么作用？

3．与AT3200天线实训系统配套的软件有几个，分别有什么作用？

【实验原理】

一．天线的原理

天线的作用首先在于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。任何高频电路，只要不被完全屏蔽，都可以向周围空间或多或少地辐射电磁波，或从周围空间或多或少地接收电磁波。但是任意一个高频电路并不一定能用作天线，因为它的辐射或接收效率可能很低。要能够有效地辐射或者接收电磁波，天线在

结构和形式上必须满足一定的要求。图B1-1给出

由高频开路平行双导线传输线演变为天线的过程。

开始时，平行双导线传输线之间的电场呈现驻波分

布，如图B3-1a。在两根互相平行的导线上，电流

方向相反，线间距离又远远小于波长，它们所激发

的电磁场在两线外部的大部分空间由于相位相反

而互相抵消。如果将两线末端逐渐张开，如图B3-1b

所示，那么在某些方向上，两导线产生的电磁场就

不能抵消，辐射将会逐渐增强。当两线完全张开时，

如图B3-1c所示，张开的两臂上电流方向相同，它

们在周围空间激发的电磁场只在一定方向由于相

位关系而互相抵消，在大部分方向则互相叠加，使

辐射显著增强。这样的结构被称为开放式结构。由

末端开路的平行双导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。

图B3-1 传输线演变为天线

a.

发射机

c.

b.

天线辐射的是无线电波，接收的也是无线电波，然而发射机通过馈线送入天线的并不是无线电波，接收天线也不能把无线电波直接经馈线送入接收机，其中必须进行能量的转换。图B3-2是进行无线电通信时，从发射机到接收机信号通路的简单方框图。在发射端，发射机产生的已调制的高频震荡电流经馈电设备传输到发射天线，发射天线将高频电流转变成无线电波——自由电磁波向周围空间辐射；在接受端，无线电波通过接收天线转变成高频电流经馈电设备传送到接收机。从上述过程可以看出，天线除了能有效地辐射或者接收无线电波外，还能完成高频电流到同频率无线电波的转换，或者完成无线电波到同频率的高频电流的转换。所以，天线还是一个能量转换器。

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。

二．天线的分类

天线的形式很多，为了便于研究，可以根据不同情况进行分类。

按用途分类，有发射天线，接收天线和收发公用天线。

按使用范围分类，有通信天线，雷达天线，导航天线，测向天线，广播天线，电视天线等。 按馈电方式分类，有对称天线，不对称天线。

按使用波段分类，有长波、超长波天线，中波天线，短波天线，超短波天线和微波天线。

按天线外形分类，有T 形天线，V 形天线，菱形天线，鱼骨形天线，环形天线，螺旋天线，喇叭天线，反射面天线等等。

从便于分析和研究天线的性能出发，可以将大部分天线按其结构形式分为两大类：一类是由半径远小于波长的金属导线构成的线状天线——称为线天线，另一类是用尺寸大于波长的金属或介质面构成的面状天线——称为面天线。线天线主要用于长、中、短波波段，面天线主要用于微波波段，超短波波段则两者兼用。线天线和面天线的基本辐射原理是相同的，但分析方法则有所不同。

三．天线的辐射方向图

研究天线主要是得到天线的相关特性，天线特性一般由电路特性和辐射特性两个方面表征。电路特性包括天线的输入阻抗、效率、频率宽度和匹配程度等；辐射特性包括方向图、增益、极化、相位等，为了达到最佳的通信效果，要求天线必须具备一定的方向性，较高的转换效率，以及满足系统工

图B3-2

无线电通信系统中的信号通道简单方框图

发射天线接收天线

传播电磁波

作的频带宽度。

根据无线电技术设备的任务不同，常常要求天线不是向所有方向均匀地辐射（或对所有方向具有同等的接受能力），而是只向某个特定的区域辐射（或只接受来自特定区域的无线电波），在其它方向不辐射或辐射很弱（接受能力很弱或不能接收），也就是说，要求天线具有方向性。如果天线没有方向性，对发射天线来说，它说辐射的功率中只有很少一部分到达所需要的方向，大部分功率浪费在不需要的方向上；对接收天线来说，在接受到所需要的信号同时，还接收到来自其它方向的干扰和噪声，甚至使信号完全淹没在干扰和噪声中。因此，一副好的天线，在有效地辐射或接收无线电波的同时，还应该具有为完成某种任务而要求的方向特性。

天线所辐射的无线电波能量在空间方向上的分布，通常是不均匀的，这就是天线的方向性。即使最简单的天线也有方向性，完全没有方向性的天线实际上不存在。为了表示天线的方向特性，人们规定了几种方向性电参数，其中一个就是辐射方向图。天线方向图是指与天线等距离处，天线辐射参量在空间中的相对分布随方向变化的图形。所谓辐射参量包括辐射的功率通量密度、场强、相位和极化等。实际应用中，我们最关心的是天线辐射能量的空间分布，在没有特别指明的情况下，辐射方向图一般均指功率通量密度的空间分布。方向图还可以用分贝（dB ）表示，功率方向图用分贝表示后就称为分贝方向图，它表示某方向的功率通量密度相对于最大值下降的分贝数。天线某方向的分贝数的计算方法见公式（B3-1），其中P 为某方向的功率通量密度，max P 为最大功率通量密度。绘制方向图可以采用极坐标，也可以采用直角坐标。极坐标方向图形象、直观，但对于方向性强的天线难于精确表示；直角坐标方向图虽然没有极坐标方向图形象、直观，但更容易从中计算描述天线方向性的诸多参数。

max

()10lg ()P p dB dB P =⨯ （B3-1） 通过天线方向图可以方便的得到表征天线性能的电参数。用来描述天线方向图的参数通常有主方向角、主瓣宽度、半功率角、副瓣宽度、副瓣电平等。图B3-3是极坐标下天线方向图的一般形状。方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣，副瓣中

图B3-3 极坐标下天线方向图一般形状

第一副瓣