第四章 增益测量

第四章 增益测量

第一节 引言

天线的方向增益（通常称方向性系数）是表征天线所辐射的能量在空间分布情况的量，定义为在相同辐射功率情况下，该天线辐射强度),(ϕθp 与平均辐射强度之比，即

0p 0

)

,(),(p p D ϕθϕθ=

（4﹒1） 由于辐射强度正比于电场强度的平方，因此，方向性系数也可写为 2

2),(),(E E D ϕθϕθ=

（相同辐射功率） （4﹒2）

式中，),(ϕθE 是该天线在),(ϕθ方向产生相同电场强度的条件下，点源天线的总辐射功率与该天线的总辐射功率之比，即 )

,(),(0ϕθϕθT T

P P D =

（相同电场强度） （4﹒3）

一般情况均指最大辐射方向的方向性系数，因此，式（4﹒1）、（4﹒2）、（4﹒3）可写为

2

02

0E E

p p D m m m == （相同辐射功率）

mT

oT

P P =

（相同电场强度） （4﹒4） 方向性系数是以辐射功率为基点，没有考虑天线能量转换率。为了更完整地描述天线的特性，我们以天线输入功率为基点，将该天线与点源天线作比较，于是，仿照方向性系数所定义的量就叫做天线的功率增益（通常称为增益系数），即

2

2),(),(E E G ϕθϕθ= （相同输入功率） （4﹒5）

或

)

,(),(0ϕθϕθin in

P P G =

（相同电场强度） （4﹒6）

式中，和in P 0),(ϕθin P 分别是点源天线和该天线的输入功率。

若指天线最大辐射方向的增益，则式（4﹒5）和（4﹒6）可写为 2

2E E G m m =

（相同输入功率）

inm

in

P P 0=

（相同电场强度） （4﹒7） 将式（ 4﹒7）进行简单的换算，则有

A

m inm mT

mT oT oT in inm oin m D P P P P P P P P G ηη⋅⋅=⋅

⋅==

00 （4﹒8） 式中，0η和A η分别是点源天线和某天线的效率。

令点源天线效率10=η，并因一般谈及方向性系数或增益系数均指最大发射方向，为简化书写，我们将足标“”去掉，于是式（4﹒8）就变为

m D G A η= （4﹒9） 可见，天线的增益系数等于天线的效率与方向性系数之积。如果天线效率为100%，则天线的方向性系数也就是天线的增益系数了。

天线增益的测量可以根据定义测取相对功率或相对场强而得到，基本方法有两大类：一类是比较法，另一类是绝对法。

第二节 比较法测天线增益

比较法是将待测天线与一已知增益的标准天线进行比较而测得其增益值的。定义增益时，以点源天线作比较标准，但辐射球状方向图的标准点源天线实际上难以实现。因此，测量时，通常是用有方向特性的天线（如半波偶极天线或喇叭天线等）作比较标准，相对于标准天线增益的待测天线增益则为

s G G P

P G G s

s = （相同电场强度） （4﹒10） 或

2

2s

s

E E G G = （相同输入功率） （4﹒11）

为了简单，式中功率P 和场强E 的足标已省掉。按式（4﹒10）或式（4﹒11）用比较法进行天线增益测量时，可以有多种方案。

一、标准天线和待测天线作发射 1． 相对功率法

测试电路如图4﹒1所示，步骤如下：

⑴辅助天线接入发射端，并调整匹配，是输出功率最大；

⑵辅助天线接入接收端，并使其最大辐射方向与发射天线的最大辐射方向对准；

⑶调节可变衰减器，使接收端指示器指示适当的值A，记下功率计读数；

s P

⑷将标准天线取下，换接待测天线，再次调整匹配，使输出功率最大；

⑸改变可变衰减器，使接收端指示器仍保持原先读数A，记下功率计读数P； ⑹将测得结果和已知的标准天线增益代入式（4﹒10），就求得了待测天线的增益。 s G 2． 相对场强法

仍采用图4﹒1所示电路，步骤如下： ⑴、⑵同前；

⑶调节可变衰减器，使功率计为适当读数P ，记下此时接收端指示器读数； s E ⑷取下标准天线，换接待测天线，调整匹配，使功率输出最大；

⑸改变可变衰减器，使功率计读数仍保持先前的P ，记下接收端指示器读数E ； ⑹将测试结果及已知标准天线增益代入式（4﹒11），就求得了待测天线的增益。 s G 二、标准天线和待测天线作接收 1. 相对功率法

测试电路如图4﹒2所示，步骤如下：

⑴将辅助天线接入发射端,调整匹配,使输出功率最大;

⑵将标准天线接入接收端,让收、发天线最大辐射方向对准，并调整匹配，使指示器读数最大；

⑶调节可变衰减器，使指示器指示某一适当值A ，记下可变衰减器读数； 1N ⑷取下标准天线，换接待测天线，调整匹配，使指示器指示最大；

⑸再调节可变衰减器，使指示器读数仍保持先前的A ，记下可变衰减器读数 2N ⑹将测试结果及标准增益值代入式（ 4﹒10），就求得待测天线的增益。如果，读数为分贝，则s G 1N 2N )()()()(12dB N dB N dB G dB G s −+=，或者，10

)(1210

N N s G G −=（倍）。

2. 相对场强法

仍采用图4﹒2所示电路，步骤如下： ⑴、⑵同前；

⑶调节可变衰减器，使指示器读数为某一些适当值；

s E ⑷取下标准天线，换接待测天线，调整匹配，使指示器读数最大且为E ； ⑸将测试结果及标准天线增益代入式（ 4﹒11）便求得待测天线增益。

s G 三、注意事项

为了得到良好的测试精度，必须注意以下事项：

1. 收、发天线间距离必须满足式（3﹒2）的远场条件；

2. 尽量避免周围地物的影响；

3. 收、发设备与天线阻抗应良好匹配，且收、发天线间极化也应匹配；

4. 当待测天线与标准天线增益相差较大时（即孔径相差较大），换接天线时应使它们

的相位中心在同一位置上；

5. 为了防止外来干扰信号，信号源可加调制，接收端可用测试接收机等记录设备。