北邮电磁场与电磁波测量实验报告7

北京邮电大学

电磁场与电磁波测量实验

实验报告

实验内容：微波天线方向图测试实验

学院：电子工程学院

班级：2010211203班

学号：10210863

姓名：张俊鹏

2013年5月23日

一、实验目的

微波天线是微波通信设备中一个重要的组成部分，微波信息的质量与天线性能密切相关。通常，微波天线都为面式天线，验证这类天线的性能，首先是通过测量来实现的。本次实验的主要目的就是研究天线发射微波信号后接受的状况，并通过矢量网络分析仪来分析接受电磁波的特点，给出矢量分析图形，直观的得到各方向的长枪分布特点，从而进一步研究微波天线的通信状况。

二、微波天线的主要技术参数

1.方向性

（1）方向性图

天线的基本功能是将馈线传输的电磁波变为自由空间传播的电磁波，天线的方向图是表征天线辐射时电磁波能量（或场强）在空间各点分布的情况，它是描述天线的主要传输之一。

天线的方向性图是一个立体图形。它的特性可以用两个互相垂直的平面（E平面和H平面）内方向性图来描述。如下图1所示。

图1 天线方向性图

天线方向性图能直观地反映出天线辐射能量集中程度、方向性图越尖锐，表示辐射能量越集中，相反则能量分散。若天线将电磁能量

均匀地向四周辐射，方向性图就变成一球面，称作无方向性，这就是一理想点源在空中辐射场。天线方向性图可通过测试来绘制，如测得的是功率，即可绘出功率方向性图，如测得的是场强，则绘出场强方向性图，但两者图形形状是完全一样的。通常图形方向性图有多个叶瓣，其中最大辐射方向的是叶瓣，称主瓣，其余称副瓣（或旁瓣）。在方向性图中主瓣信息是我们最关心的。

●方向性图主瓣宽度

方向性图主瓣宽度是指半功率点（功率下降为最大辐射方向功率一半之点）之间宽度，它是由主瓣最大值“1”下降到“0.5”处两点与零点连接形成的夹角，用2θ0.5来表示，如图2所示。

图2 方向性图主瓣副瓣示意

●方向性图主瓣零点角

如图2所示，方向性图零点角是指主瓣两侧零辐射方向之间夹角，用2θ0来表示。

●方向性图副瓣电平

方向性图副瓣功率电平表示副瓣功率电平相对于主瓣功率电平的比值，一般用分贝（dB）来表示，即：

dB lg 10 值

功率方向性图主瓣最大值功率方向性图副瓣最大＝副瓣电平 （1） 一般希望副瓣电平越低（即负值越大）越好。

（2）方向性系数

上述方向性图虽然一定程度上反映了天线辐射状态，但它是一个相对值，为了定量描述天线集中辐射程度，引进了方向性系数这一概念。方向性系数定义是：在同一距离及相同辐射条件下，某一天线最大辐射方向性上辐射功率密度Smax （或场强平方E 2max ）与无方向天线（点源）辐射功率密度S 0（或场强平方E 20）之比，用D 来表示：

辐射功率相同 E Emax ＝ 辐射功率相同 S Smax ＝ D 2020 （2）

可见，方向性越尖锐的天线D 越大，相反则D 越小，若D ＝1，则表示为无方向性天线，是一个理想点源辐射场。

2.天线效率

一般来说构成天线的导体和绝缘介质都有一定的能量损耗，输入天线的功率不可能全部转化为自由空间电磁波的辐射功率，我们把天线辐射功率Pr 与天线输入功率之比称作天线效率，即：

ηa ＝Pr/Pi （3） 通常微波天线的效率都很高，ηa 接近于1。另外需要值得提出的是这里定义的天线效率并没有包含因天线与馈线传输系统失配引起的损耗，如考虑到天线输入端的反射系数Γ，则天线总效率为：

ηA ＝（1－｜Γ2｜）•ηa （4）

3.增益系数（增益）

增益系数简称增益，它的定义是：在同一距离及相同输入功率的条件下，某一天线在最大辐射方向上的辐射功率密度Smax （或场强平方E 2max ）与无方向天线（理想点源）的辐射功率密度S 0（或场强平方E 20）之比，用G 来表示：

输入功率相同 E Emax ＝ 输入功率相同 S Smax ＝G 202

0 （5） 比较（2）、（3）、（4）式可见：

输入功率相同 S max ηa ＝ 输入功率相同 S Smax ＝G 0

0⋅ 即 G ＝ηa •D （6） 可见，增益系数是综合衡量天线能量转换效率和方向性的参数，它是方向性系数与天线效率的乘积。在实际应用中，天线增益系数与方向系数为重要的参量，尽管它们之间密切相关。

对于微波面式天线，它们的转换效率都很高，ηa ＝1，因此G ＝D 。分析证明，对于微波面式天线，它的增益系数与天线口径大小有如下关系：

ηe λS π4 ＝ λSe π4 ＝G 2

2⋅ （7） 式中：S 为天线辐射口面的实际面积；ηe 为口面利用系数，或称口径效率，它主要是由口面上电磁场振幅分布和相位分布决定的。当口面分布均匀且同相时，ηe ＝1，可获得最大增益，由（7）式可见：

Se ＝S •ηe （8） Se 称为天线口径有效面积。

对于无方向天线（理想点源）来说，G ＝D ＝1，它的有效面积为：

02

＝S 4π

λSe ＝ （9） 增益系数一般用分贝表示：

G dB ＝10lgG （dB ） （10）

4.天线阻抗

天线阻抗是指天线输入端口向天线辐射口方向看过去的输入阻抗，它取决于天线结构和工作频率。只有天线的输入阻抗与馈线阻抗良好匹配时，天线的转换效率才最高（参见4式），否则将在天线输入端口上产生反射，在馈线上形成驻波，从而增加了传输损耗。大多数天线输入阻抗的匹配是在工程设计中采用近似计算，然后通过实验测量，修正来确定的。

5.天线极化

天线极化是指天线最大辐射方向上的电场强度（E ）矢量的取向。由于电场与磁场有恒定的关系，故一般都以电场矢量的空间指向作为天线辐射电磁波的极化方向。线极化是一种比较常用的极化方式，线极化又可分为“垂直极化和水平极化”，前者电场矢量与地面垂直，后者则与地面平行。

6.频带宽度

天线所有的电参数都与工作频率有关，任何天线的工作频率都有一定服务。当工作频率偏离中心工作偏离f 0时，天线的电参数将变差。天线的频带宽度是指天线可以正常工作的频率范围，在这范围内天线的方向性图、增益、阻抗等技术参数都在指标允许的范围内变化。