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：dBlg10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E2max）与无方向天线（点源）辐射功率密度S0（或场强平方E20）之比，用D来表示：辐射功率相同EEmax＝辐射功率相同SSmax＝D2020（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E2max）与无方向天线（理想点源）的辐射功率密度S0（或场强平方E20）之比，用G来表示：输入功率相同EEmax＝输入功率相同SSmax＝G2020（5）比较（2）、（3）、（4）式可见：输入功率相同Smaxηa＝输入功率相同SSmax＝G00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：ηeλSπ4＝λSeπ4＝G22（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＝S4πλSe＝（9）增益系数一般用分贝表示：GdB＝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f0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。三、实验仪器1.矢量网络分析仪网络分析仪有标量网络分析仪和矢量网络分析仪之分。标量网络分析仪只能测量网络的幅频特性，而矢量网络分析仪可同时测量被测网络的幅度信息和相位信息。通过测量被测网络（被测件）对频率扫描和功率扫描测试信号的幅度与相位的影响，来表征被测网络的特性。因此，矢量网络分析仪是功能强大的一种网络分析仪，是微波电路设计和测试工程师必不可少的测量仪器。主要用于测量放大器、天线、微波元器件(电缆、滤波器、分路器、开关、接插件)参数的测试验证。图3网络分析仪的4个主要部分虽然不同的网络分析仪在设计细节方面有所差别，但所有的网络分析仪都包含4个基本部分，如上图3所示。提供入射信号的信号源。信号分离器分离入射、反射和传输信号。接收机把高频信号转换为较低频率(中频)的信号。处理和显示系统对较低频率的信号进行处理，并显示经检测和导出的信息。（1）信号源为激励被测器件，信号源必须在整个感兴趣的频率范围内提供入射波。被测器件通过传输和反射对激励波做出响应。被测器件的频率响应通过信号源扫频确定。测量结果受到多种信号源参数的影响，包括频率范围、功率范围、频率稳定度和信号纯度等。在矢量网络分析仪中广泛采用合成扫频信号源。（2）信号分离网络分析仪的下一项任务是分离入射、反射和传输信号，从而测量它们各自的幅度和相位。矢量网络分析仪均采用定向耦合器方法分离信号。用做信号分离功能的硬件通常称为“测试装置”。测试装置可能是单独的盒子，或者集成在网络分析仪内部。（3）接收机网络分析仪的接收机把RF或微波能量转换为较低的IF信号，从而简化了精确的检测任务。标量网络分析仪采用宽带的晶体检波技术，矢量网络分析仪采用窄带的锁相接收机技术。采用调谐接收机能提供最好的灵敏度和动态范围，还能抑制谐波和寄生信号。窄带中频滤波器产生相当低的本底噪声，结果显著地改善了灵敏度。矢量网络分析仪的接收机的最小等效带宽达10Hz。（4）处理和显示系统一旦检测到RF或微波能量，矢量网络分析仪必须处理和显示各种测量。矢量网络分析仪是一种多通道仪器，至少有一个通道作为基准通道，一个通道作为测试通道。矢量网络分析仪的显示功能强大灵活，如多种标记功能、极限线功能，为测试带来很大便利。2.角锥喇叭天线本实验测量系统采用的是天线是一对角锥喇叭天线。这是一种广泛使用的微波天线，它具有结构简单，馈电方便，频带较宽，增益高等整体优点，不仅在微波通信工程中大量用作反射面通信的馈源，且还用来作文对其它通信进行校正和测量的通用标准通信。喇叭天线是由逐渐张开的波导构成。如图4所示。逐渐张开的过渡段既可以保证波导与空间的良好匹配，又可以获得较大的口径尺寸，以加强辐射的方向性。喇叭天线根据口径的形状可分为矩形喇叭天线和圆形喇叭天线等。图4中图（a）保持了矩形波导窄边不变，逐渐展开宽边而得到H面扇形喇叭；图（b）保持矩形波导宽边不变逐渐展开窄边而得到E面扇形喇叭；图（c）就是我们实验所采用的，宽边和窄边同时展开而成的角锥喇叭天线；图（d）为圆波导逐渐展开形成的圆锥喇叭。(a)(b)(c)(d)图4四种不同的喇叭天线角锥喇叭天线的主要技术参数为：2ppλba4π0.51＝Gp0E0.5bλ53＝2θ（11）p0H0.5aλ08＝2θ式中ap,bp为角锥喇叭天线辐射端口的尺寸。我们实验选用的角锥喇叭天线的口径（E×H）尺寸为150×115mm2，输入端口为标准BJ-100波导，经上式计算得：工作频率范围：8.2～12.4GHz天线增益（9.37GHz）：约23dB（2θ0.50）E＝14.70；（2θ0.5）H＝170（9.37GHz）四、测量方法及测量步骤本实验的测量的方法有两种：1.固定天线法：被测天线不动以它为圆心在等圆周上测得场强的方式。2.旋转天线法：标准天线不动为发射天线，而待测天线为接收天线，而自身自旋一周所测的方向图。演示实验采用的是旋转天线的方法。测量步骤：旋转天线法:可动天线每改变一个角度（大约2°）记录下来一个数值（检波器或小功率计指示），改变一周即得到360度范围内的方向图。五、测量结果及分析1.基本信息测试日期：2013-05-1814:50测试标准：GB003测试内容：微波天线方向图测试旁瓣宽度：-3.0db:35.07-6.0db:52.04-10.0db:68.05-15.0db:222.022.实验数据表格实验中的方向测试数据记录如下表1所示。角度0.000.001.803.975.967.969.9811.9313.9215.93幅度-27.25-27.25-27.22-27.34-27.55-27.83-28.18-28.61-29.11-29.63角度17.9519.9021.9323.9425.9127.9129.9231.9133.9335.94幅度-30.37-31.12-32.00-32.92-33.96-35.11-36.29-37.63-38.94-40.14角度37.9339.9041.9043.9045.9247.9349.9351.8953.9155.93幅度-41.42-42.56-43.94-45.63-47.17-48.93-50.27-51.45-51.82-51.46角度57.9659.9461.9363.8865.9267.8869.8971.8573.8975.91幅度-51.21-50.92-51.27-51.89-53.28-55.07-56.36-56.18-54.94-52.65角度77.9779.9581.9083.9385.9087.9589.8991.8993.9195.90幅度-51.25-50.47-49.54-49.49-49.40-49.40-49.41-49.79-49.88-50.82角度97.9299.94101.91103.90105.91107.86109.90111.92113.88115.93幅度-51.87-53.94-56.08-58.65-58.52-56.53-55.66-54.47-54.45-55.01角度117.90119.90121.91123.92125.93127.93129.93131.89133.89135.89幅度-56.44-58.45-61.23-68.72-77.85-66.89-59.27-55.36-52.15-49.73角度137.91