天线基本知识与测量技术

天线基本知识与测量技术秦顺友E-mail:[e-mail]研究员硕士研究生导师电话：[phone]主要内容天线基本知识天线测量常用微波仪器天线测量技术天线基本知识1.天线基本概念2.天线分类3.天线电参数1、天线基本概念Blahblahblahblah把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间...收集无线电波并产生电信号天线基本知识定义：用于发射和接收电磁波的部件，称为天线。天线为发射机或接收机与传播无线电波的媒质之间提供所需要的耦合。Theantennaisadevicewhichtransformsguidedelectromagneticsignalsintoelectromagneticwavespropagatinginfreespace.Itcanbeusedforreceptionandtransmission.天线基本知识2、天线分类结构形状分类：面天线：如抛物面天线、喇叭天线等。线天线：如对数周期天线、阵子天线等。天线基本知识面天线：如抛物面天线、喇叭天线等。天线基本知识前馈抛物面天线天线基本知识卡塞格伦天线天线基本知识线天线：如对数周期天线、阵子天线等。天线基本知识工作波长分类：超长波天线(3-30KHz)对潜艇通信长波天线(30-300KHz)导航中波天线(300KHz-3MHz)广播、导航、海通短波天线(3-30MHz)广播、军用电台、导航超短波天线(30-300MHz)广播、军用电台、导航天线基本知识雷达、卫星通信UHF波段（0.3-1GHz）L波段（1-2GHz）S波段（2-4GHz）C波段（4-8GHz）X波段（8-12GHz）Ku波段（12-18GHz）K波段（18-27GHz）Ka波段（27-40GHz）U波段（40-60GHz）V波段（60-80GHz）W波段（80-100GHz）天线基本知识电参数分类：1）方向图：定向天线和全向天线2）增益：高增益天线、中增益天线、低增益天线3）方向图副瓣电平：低副瓣天线（-25dB以下）超低副瓣天线（-30~-55dB）4）极化方式：圆极化天线、线极化天线5）工作频带宽度：宽频带天线（3倍频以内）超宽频带天线（3倍频以上）天线基本知识电流分布分类：驻波天线、行波天线功能分类：发射天线、接收天线、收发共用天线用途分类：射电天文天线、通信天线、电视天线、广播天线、导航天线、雷达天线、侧向天线等。载体分类：车载天线、船载天线、机载天线、星载天线、弹载天线等。天线基本知识3、天线电参数天线增益天线方向图天线极化天线电压驻波比天线噪声温度天线带宽天线是无线电设备系统实现能量转换的装置，其性能的好坏直接影响无线电设备系统性能的好坏。天线性能常用电参数有：天线基本知识天线增益天线增益是衡量天线辐射能量的集中程度，它定义为在天线输入功率相同时，天线的辐射强度与理想点源辐射强度之比。天线基本知识天线增益定义示意图各向同性天线增益天线增益常用G(，)表示，一般不说明情况下，天线通常指的是最大方向上的增益，用G表示。天线基本知识圆口径天线增益计算公式：2DGD天线口面直径工作波长天线效率，定义为天线辐射功率与输入功率之比天线基本知识增益与波束宽度的关系：332700010logAZELG波束宽度的估算：3dB70D天线基本知识角锥喇叭天线增益:24ABG2dBi8.0710logABGA喇叭宽边尺寸B喇叭窄边尺寸最佳标准增益喇叭增益:AB天线基本知识天线方向图天线辐射方向图（简称方向图）是指天线的辐射参量（场强振幅、相位和极化等）随空间方向变化的函数图。完整的方向图是一个三维的空间图形，称为立体方向图或空间方向图。天线基本知识天线基本知识立体方向图形象、直观，但画起来比较复杂。因此在实际应用中，天线方向图通常是用两个相互垂直的主平面内方向图表示的，称为平面方向图。如常用的方位面和俯仰面方向图、或E面和H面方向图等。立体方向图垂直面方向图水平面方向图天线基本知识天线基本知识天线基本知识绘制天线平面方向图常采用极坐标和直角坐标形式。极坐标绘出的方向图形象直观，但对方向性很强的天线难以精确地表示；直角坐标恰与其相反，它虽不直观，但可以精确地表示强方向性天线的方向图。且一般绘制的方向图为归一化方向图，一般不说明情况下，方向图均指的天线功率方向图。天线基本知识极坐标方向图天线基本知识-8-4048-60-50-40-30-20-10029-25*log()f=3.611GHzRHCPF()(dB)AZoffsetbeamcenter(Deg.)直角坐标方向图天线基本知识半功率波束宽度：在归一化功率方向图的主瓣范围内，功率下降到主瓣最大值的一半(用分贝表示时，也就是功率下降3dB)的两个方向之间的夹角。-2-1012-40-30-20-1003dB波束宽度10dB波束宽度天线基本知识反射面天线半功率波束宽度的估算：3dB70D增益与波束宽度的关系：332700010logAZELG主瓣范围，波束宽度换算关系：21122dBdB天线基本知识旁瓣电平：天线方向图通常有许多波瓣，除了最大辐射强度的主瓣之外，其余均称为副瓣或旁瓣，与主瓣相反方向的旁瓣称为背瓣或后瓣。旁瓣电平定义为旁瓣信号强度的最大值与主瓣最大值之比。在实际工程应用中，常关心方向图第一旁瓣电平、宽角旁瓣包络和前后比。天线基本知识-8-6-4-202468-70-60-50-40-30-20-10001-7-410:30:3313mantennawidesidelobepatternFrequency:3750.74(MHz)Diameter:13(m)ELangle:37.7(o)Polarization:LHCPNormalgain:52.57(dBi)Envelope:29-25*Logθ(dB)AZangleoffsetbeamcenter(Deg.)主瓣第一旁瓣旁瓣包络天线基本知识旁瓣严格定义：偏离天线波束轴向角增大或减少时出现增益电平下降2dB的局部增益最大值，定义为旁瓣峰值。RecITU-RS732METHODFORSTATISTICALPROCESSINGOFEARTH-STATIONANTENNASIDE-LOBEPEAKS天线基本知识旁瓣设计目标：RECOMMENDATIONITU-RS.580-6Radiationdiagramsforuseasdesignobjectivesforantennasofearthstationsoperatingwithgeostationarysatellites天线基本知识50D的天线，其旁瓣峰值包络至少90%满足以下的包络线：()2925logG（1or100/D≤≤20）对于非圆口径天线，天线等效直径用下式计算：/4ADe天线基本知识对于50DITU组织尚在研究中，但是国际卫星提出了以下要求：的天线:(INTELSATIESS-601)天线基本知识天线极化所谓极化:是指在与传播方向垂直的平面内，电场矢量变化一周期矢量端点描出的轨迹。如果场矢量的矢量端点轨迹是直线，则称为线极化；矢量端点轨迹是圆，则称为圆极化；矢量端点轨迹是椭圆，则称为椭圆极化。描述极化特性的电参数有：轴比、极化效率和极化隔离度。天线基本知识线极化天线基本知识圆极化天线基本知识椭圆极化天线基本知识轴比：定义为椭圆极化波的长轴与短轴之比，用r表示用分贝表示的轴比AR与r关系为：20logARr例如：r=1.06对应的AR=0.506dB天线基本知识极化效率：天线实际接收的功率与在同方向、同强度且极化匹配条件下的接收功率之比。圆极化发射垂直极化接收极化损失3dB天线基本知识极化隔离度：定义为天线反极化时的接收功率与同极化接收功率之比。圆极化隔离度XPD与轴比r的关系为：120log1rXPDr天线基本知识两个常用的近似计算公式：轴比AR(dB)与交叉极化隔离度XPD(dB)之间的关系如下24.820logXPDAR2017.37310XPDAR天线基本知识在工程应用中，常以大地为参考面定义极化，电场矢量平行于地面的，称为水平极化；垂直于地面的，称为垂直极化。天线基本知识垂直极化水平极化大地参考面天线基本知识垂直极化水平极化大地参考面天线基本知识反射系数、回波损耗与电压驻波比天线的反射系数是衡量天线系统阻抗匹配好坏的一个重要指标。定义为在所测量的天线端口处的反射波电压与入射波电压之比，用公式表示为：反射系数定义示意图VinVre天线inreVV天线基本知识回波损耗定义为反射波功率与入射波功率之比，与反射系数的关系为：20logRL天线基本知识天线的电压驻波比（VSWR）定义为驻波曲线的最大电压值与最小电压值的比，它与反射系数的关系为：11VSWR11VSWRVSWR天线基本知识天线噪声温度天线从周围环境接收到噪声功率，通常用噪声温度来度量一个系统产生的噪声功率大小。天线噪声可以用给定频带内与噪声功率有关的等效噪声温度表示。即N=kBTa(k为玻尔兹曼常数；B为接收机带宽；Ta为天线等效噪声温度)。天线噪声可分为内部噪声和外部噪声。内部噪声主要包括天线传输损耗和欧姆损耗等；外部噪声是天线所处的环境中的噪声源产生的噪声，如大气衰减噪声、宇宙噪声和地面热辐射噪声等。天空噪声温度由大气衰减噪声和宇宙噪声组成。地面噪声由地面辐射引起的噪声温度。天线基本知识TfeedTgroundT天线噪声温度组成宇宙背景噪声大气衰减噪声地面噪声欧姆损耗噪声馈源网络插入损耗噪声天线基本知识天线噪声温度的计算：200200,,sin,sinaTPddTPdd式中：Ta天线噪声温度；T(,)天空亮温度分布；P(,)天线功率方向图函数。天线基本知识已知馈源网络的插入损耗Lf，则天馈系统的噪声温度为：011aAffTTTLL天线基本知识端口隔离度在匹配条件下，一端口入射波的功率与该入射波泄漏到另一端口的功率之比，用分贝表示。可细分为收发端口隔离度、同频端口隔离度和不同频端口隔离度。网络喇叭馈源网络端口1端口2天线基本知识天线带宽天线带宽定义为天线满足一定电性能指标的工作频率范围。天线带宽定义示意图flowfhigh带宽天线基本知识天线带宽的表示方法：绝对带宽、相对带宽和倍频带宽。绝对带宽表示天线实际工作频率范围，为高端频率与低端频率(或上限频率与下限频率）之差；相对带宽是绝对带宽与中心频率之比的百分数；倍频带宽定义为上限频率与下限频率之比。天线基本知识highlowff绝对带宽100%2highlowhighlowffff相对带宽highlowff倍频带宽=天线基本知识UHF波段：200MHz/400MHzL波段：1.5GHz/1.6GHzS波段：2GHz/4GHzC波段：4GHz/6GHzX波段：7GHz/8GHzKu波段：11、12GHz/14GHzKa波段：20GHz/30GHzEHF波段：20GHz/44GHz卫星通信常用波段天线基本知识天线测量常用微波仪器1.微波信号源2.网络分析仪3.频谱分析仪1.微波信号源信号源定义：所谓信号源就是用于产生电信号的仪器微波与天线测量中，信号源的作用：发射单载波信号发射扫频信号发射方波信号天线测量常用微波仪器下图为信号源用于室外远场天线测量的信标发射信号源发射喇叭天线测量常用微波仪器2、网络分析仪天线测量常用微波仪器网络分析仪是通过测定网络的反射参数和传输参数从而对网络中元器件特性的全部参数进行全面描述的测量仪器，用于实现对线性