天线增益测量教案

主要内容-1-上一章，我们对天线方向图有关概念，以及天线测试场、方向图测试方法进行了介绍。今天，介绍天线的另一个重要参数：增益的测量方法。2.2天线增益天线的增益系数（简称天线增益）是天线的重要指标之一。上一课，我们对该指标的定义作了简要介绍（提示学员回顾）“天线增益是指在最大辐射方向上，定向天线的辐射强度与具有相同输人功率的无耗各向同性天线的辐射强度之比，通常以dB值表示。”测试天线增益应满足前面测试天线方向图所需的场地条件，以减小地面和其他地物反射波的影响。天线增益的测试方法总体上可分为远场增益测试、缩距场测试和近场扫描测试等。由于军用雷达的天线通常采用远场增益测试方法，因此，本节重点介绍天线的远场增益测试方法。天线远场增益测试方法通常又细分为比较法和绝对法两种。需要指出的是，由于相控阵雷达的天线系统中含有有源T／R组件，从而使得相控阵天线本身具有非互易性，对于此类禾线的增益测试则只能在特定的发射和接收状态下进行测量。关于有源相控阵天线的增益测试将在比较法和绝对法之后单独介绍。2.2.1比较法雷达天线绝对增益的测试通常采用比较法，这种方法是将被测天线和已知增益系数的标准天线进行比较而确定其增益。天线增益系数的测试框图如图2－11所示。图中将标准天线和被测天线当作接收天线，也可以将它们当作发射天线。发射天线与接收天线之间的距离R满足远场测试条件。测试的简要步骤如下：首先，选择一个中等增益的标准增益天线（该天线的增益已知）作为基准进行增益比较测试。然后，将相同的接收机和馈电线路分别接到待测天线和标准增益天线，并使它们与源天线对准，并分别读取并记录下接收机的读数。最后，通过比较接收机的读数便可求出待测天线的绝对增益。参考：雷达手册；GJB3310-1998雷达天线分系统性能测试方法—天线方向图《天线测量手册》主要内容-2-采用该测试方法来测试天线增益时，由于所选取的标准增益天线增益一般要比待测天线增益小20dB左右，而且前者波束宽度较宽，因此很难避开地面影响。实际应用中的三点法、S曲线法和最大值法等都属于比较法。需要指出的是，实际应用中不管使用上述三种方法的哪一种，进行测试之前都需要反复调整源天线和被测天线，以确保两者的指向、极化取向一致。1.三点法三点法测试远场增益的示意图如图2－12所示。将源天线（发射天线）架在塔顶，标准增益天线的位置离源天线较近，且对准源天线时仰角大，以避免主瓣接地。被测天线的增益计算公式如下：𝐺=𝐺标+20𝑙𝑔𝑅测𝑅标+𝛥𝐺（2－6）式中：G为待测天线增益（dB）；G标为标准天线增益（dB）；R测为待测天线与源天线之间的斜距（m）；R标为标准天线与源天线之间的斜距（m）；△G为待测天线和标准天线分别对准发射天线时信号分贝数的差值（dB）。采用三点法来测试天线增益时应注意以下几点：①必须精确测量尺测和尺标；②两套接收机和传输线的性能要相同；③测试过程中需要反复控制源天线分别对准待测天线和标准天线。由此可见，三点法的测试效率低、手续繁琐、精度差。2.S曲线法s曲线法是一种为减少地面反射影响，而将标准天线放在待测天线附近来进行测量的方法。当标准天线放在电动升降梯上，且通过标准天线上下滑动时，在待测天线垂直口径范围内，标准天线信号电平的变化近似为s曲线，取s曲线的平均值作为标准天线信号电平值来计算待测天线增益，可降低或消除地面反射对增益测试的影响。由于是使用同一套接收系统和电缆分别与待测天线和标准增益天线交换连接，所以测量过程中所引入的误差较小。当s曲线起伏不主要内容-3-超过3dB时，地面反射引入的增益测试误差是较小的，其计算公式如下：𝐺=𝐺标+𝛥𝐺（2－7）式中：G为待测天线增益（dB）；G标为标准天线增益（dB）；△G为待测天线最大值信号大于标准天线信号s曲线平均值的分贝数（dB）。3.最大值法在反射场法测试中经常使用到最大值法。采用该方法时，待测天线（或标准天线）高度和源天线高度应严格满足以下表达式：ℎ𝑡≈𝜆𝑅4ℎ𝑟（2－8）式中：ℎ𝑡，为待测天线架设高度；ℎ𝑟为源天线架设高度；R为主反射区长度；𝜆为发射信号的波长。由于对待测天线和标准天线而言，地面反射均从主瓣峰值附近进入，因此，地面反射对两者的影响基本上是一样的。将标准天线架在待测天线口径中心附近，且分别对准源天线，记取待测天线和标准天线信号（均取最大值）的读数误差△G，然后由式（2－7）直接算出增益。也可仿照s曲线法把标准天线架在电动升降梯上，然后上下滑动，以此来验证在待测天线口径中心处接收到的信号为最大值。在实际工程应用中，由于待侧天线垂直口径大，源天线信号（考虑地面镜像影响后）在口面上辐射不均匀，因此可能造成增益测试值比真实值低0.1dB～0.3dB的情况，计算中可以加以修正。2.2.2绝对法在天线增益的实际测量中，当收、发天线完全相同时，通常采用绝对法（包括双天线法、三天线法、镜像法和外推法等）进行测量。最典型的绝对增益测量法是双天线法，它适用于具有两个完全相同的被测天线的场合，比如对标准增益喇叭进行定标时常用双天线法。双天线法的理论依据是弗里斯传递公式，具体公式如下：𝑃𝑟=𝑃𝑡𝐺𝑡𝐺𝑟(𝜆4𝜋𝑅)2（2－9）式中：P𝑟为接收天线接收到的功率（w）；P𝑡为发射天线辐射的功率（w）；G𝑡为发射天线增益；G𝑟为接收天线增益；𝜆为发射信号波长（m）；R为收发天线距离（m）。在此假定天线的极化是匹配的，主瓣峰值方向与待测天线已对准，并符合远场条件。双天线法要求收、发天线完全相同，即G𝑟=G𝑡。根据弗里斯传递公式，在收、发天线增益相同时，可推导得到以下表达式：主要内容-4-𝐺𝑡=𝐺𝑟=4𝜋𝑅𝜆√𝑃𝑟𝑃𝑡⁄（2－10）根据上式，当收发距离R和工作频率确定后，只需测量得到收、发天线功率比𝑃𝑟𝑃𝑡⁄，就可求得待测天线增益。当增益用dB表示时，可得𝐺=10𝑙𝑔(4𝜋𝑅𝜆)+5𝑙𝑔⁡(𝑃𝑟𝑃𝑡⁄)（2－11）式中，G为被测天线的绝对增益；R为收发天线几何中心之间的距离；𝜆为工作波长；P𝑟为接收端待测天线的接收功率电平；P𝑡为发射端辅助天线的输入功率电平。1.测试线路连接测量线路连接如图2－13所示。图2－13双天线法测量绝对增益系统连接框图2.测试方法步骤（1）连接好测试电路，使两个天线精确对准，并使极化取向一致。（2）调节各调配器使系统阻抗匹配。（3）测量并记录发射端的辅助天线输入功率电平与接收端的待测天线接收功率电平。（4）确定相对功率电平𝑃𝑟𝑃𝑡⁄。（5）根据发射信号的频率可计算得到工作波长𝜆。（6）精确测量出两个天线几何中心之间的距离R。（7）根据𝐺𝑡=𝐺𝑟=4𝜋𝑅𝜆√𝑃𝑟𝑃𝑡⁄，可计算得到被测天线的绝对增益。（8）需要进行精确测量时，通常重复测三次，然后取算术平均值。主要内容-5-2.2.3相控阵天线的增益测量（略）由于相控阵雷达的天线系统中通常含有有源T／R组件，使得相控阵天线本身具有非互易性，因此，相控阵天线的增益测试必须在特定的发射和接收状态下进行测量。