天线的方向图测量(设计性)试验

理学院材料物理专业近代物理实验（设计性）试验报告

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：

设计性实验不同材质天线的方向图测量

（measurement of antenna parameters）

【中国石油大学（华东）理学院材料物理专业10-2 】

摘要：

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。

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。

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。

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。

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。

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。

关键词：天线、无线电波、能量转换、电磁场、辐射或接收

引言：

通信、雷达、导航、广播、电视等无线电技术设备，都是通过无线电波来传播信息，都需要有无

线电波的辐射和接收。在无线电技术设备中，用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。天线和发射机、接收机一样，是无线电技术设备的一个重要组成部分。

图1是测量通过天线相位中心各平面内的方向图的方案

之一。图中天线1为被测天线，与信号发生器相连用作发射,

它装在旋转平台上能作360°转动；天线2为辅助天线，它

与电场强度计相连以便测得离被测天线一定距离处的场强。

两天线的极化特性要求相同，为了近似满足远场条件，两天

线间的距离应满足,式中&λ为测试工作波长；r和D

的意义见图1。当转动被测天线1时，可在天线2处测得以

转动角θ表示的函数的电场强度E(θ)，于是就可画出转动

平面内的天线1的方向图。若被测天线为半波天线，它的

子午面内的方向图如图2a，当把天线转动90°使之垂直于

转动平面时,可测得赤道面内的方向图(图2b)。若把天线任

意倾斜安装，则可测得任意面内的方向图。此外，也可固

定被测天线1，而把辅助天线2沿以被测天线为中心,距离

r 为半径的圆周运动，同样可以测得天线的方向图。若把收

发条件互换，即把被测天线用作接收，辅助天线用作发射，最终测得的天线方向图并无变化，这是符合天线互易定理的。

【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，探究其中的联系与规律。

【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。

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。 图B3-2 无线电通信系统中的信号通道简单方框图

发射机馈线

发射天线接收机

馈线接收天线

传播电磁波