天线方向图的理论分析及测量原理分析

实验四、电波天线特性测试

一、实验原理

天线的概念

无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。

天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。

对于众多品种的天线，进行适当的分类是必要的：

按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；

按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；

按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；

按外形分类，可分为线状天线、面状天线等；等等分类。

选择合适的天线

天线作为通信系统的重要组成部分，其性能的好坏直接影响通信系统的指标，用户在选择天线时必须首先注重其性能。具体说有两个方面，第一选择天线类型；第二选择天线的电气性能。选择天线类型的意义是：所选天线的方向图是否符合系统设计中电波覆盖的要求；选择天线电气性能的要求是：选择天线的频率带宽、增益、额定功率等电气指标是否符合系统设计要求。

天线的方向性

发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力，这就是天线的方向性。衡量天线方向性通常使用方向图，在水平面上，辐射与接收无最大方向的天线称为全向天线，有一个或多个最大方向的天

线称为定向天线。全向天线由于其无方向性，所以多用在点对多点通信的中心台。定向天线由于具有最大辐射或接收方向，因此能量集中，增益相对全向天线要高，适合于远距离点对点通信，同时由于具有方向性，抗干扰能力比较强。

垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图。立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。

天线的增益

增益是天线的主要指标之一，它是方向系数与效率的乘积，是天线辐射或接收电波大小的表现。增益大小的选择取决于系统设计对电波覆盖区域的要求，简单地说，在同等条件下，增益越高，电波传播的距离越远，一般基地台天线采用高增益天线，移动台天线采用低增益天线。

增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。可以这样来理解增益的物理含义------为在一定的距离上的某点处产生一定大小的信号，如果用理想的无方向性点源作为发射天线，需要100W的输入功率，而用增益为 G = 13 dB = 20 的某定向天线作为发射天线时，输入功率只需 100 / 20 = 5W 。换言之，某天线的增益，就其最大辐射方向上的辐射效果来说，与无方向性的理想点源相比，把输入功率放大的倍数。半波对称振子的增益为G = 2.15dBi；4个半波对称振子沿垂线上下排列，构成一个垂直四元阵，其增益约为G = 8.15dBi(dBi，这个单位表示比较对象是各向均匀辐射的理想点源)。如果以半波对称振子作比较对象，则增益的单位是dBd。

天线的波瓣宽度

方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣。在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低 3 dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称波束宽度或主瓣宽度或半功率角）。波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。还有一种波瓣宽度，即 10dB波瓣宽度，顾名思义它是方向图中辐射强度降低 10dB

（功率密度降至十分之一）的两个点间的夹角。

天线的极化

天线向周围空间辐射电磁波。电磁波由电场和磁场构成。人们规定：电场的方向就是天线极化方向。一般使用的天线为单极化的。其中两种基本的单极化的情况：垂直极化---是最常用的；水平极化---也是要被用到的。

天线的输入阻抗

定义：天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗具有电阻分量R in和电抗分量X in，即Z in =R in+jX in。电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取，因此，必须使电抗分量尽可能为零，也就是应尽可能使天线的输入阻抗为纯电阻。事实上，即使是设计、调试得很好的天线，其输入阻抗中总还含有一个小的电抗分量值。输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长有关，半波对称振子是最重要的基本天线，其输入阻抗为Z in=73.1＋ｊ42.5(欧)。当把其长度缩短（３～５）％时，就可以消除其中的电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，此时的输入阻抗为Z in = 73.1(欧),（标称75欧）。注意，严格的说，纯电阻性的天线输入阻抗只是对点频而言的。顺便指出，半波折合振子的输入阻抗为半波对称振子的四倍，即Z in=280(欧) ,（标称300欧）。有趣的是，对于任一天线，人们总可通过天线阻抗调试，在要求的工作频率范围内，使输入阻抗的虚部很小且实部相当接近50欧，从而使得天线的输入阻抗为Z in=R in=50欧------这是天线能与馈线处于良好的阻抗匹配所必须的。

天线的频带宽度

无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围（频带宽度）内工作的，天线的频带宽度有两种不同的定义------一种是指：在驻波比SWR ≤1.5条件下，天线的工作频带宽度；一种是指：天线增益下降 3 分贝范围内的频带宽度。在移动通信系统中，通常是按前一种定义的，具体的说，天线的频带宽度就是天线的驻波比SWR不超过1.5时，天线的工作频率范围。一般说来，在

工作频带宽度内的各个频率点上, 天线性能是有差异的，但这种差异造成的性能下降是可以接受的。

智能天线

智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。

智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向DOA(Direction of Arrinal)，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。同时，智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异，通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰，使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。在不增加系统复杂度的情况下，使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。

二、实验内容

实验3-1：天线方向图的理论分析及测量原理分析

实验目的：

1.复习天线理论，掌握天线方向图的概念。

2.学习天线方向图的测量方法。

实验内容：

1.说明喇叭天线，螺旋天线，阵子天线的理论方向图的意义。

2.说明天线测量的方法，测量时那些因素对测量有什么影响？

实验3-2：喇叭天线X，Y坐标的方向图及天线相对增益测量

实验目的：

1.掌握喇叭天线方向图。

2.学习天线方向图的测量方法。

实验内容：

1.测量喇叭天线x方向图。

2.测量喇叭天线y方向图。

实验3-3：螺旋天线X，Y坐标的方向图及天线相对增益测量实验目的：

1.掌握螺旋天线方向图。

2.学习天线方向图的测量方法。

实验内容：

1.测量螺旋天线x方向图。

2.测量螺旋天线y方向图。

实验3-4：阵子天线X，Y坐标的方向图及天线相对增益测量实验目的：

1.掌握阵子天线方向图。

2.学习天线方向图的测量方法。

实验内容：

1.测量阵子天线x方向图。

2.测量阵子天线y方向图。

实验步骤：

1, 测量x方向

2, 旋转天线90度,测量y方向

3，测量三种天线的方向图

4，以喇叭天线为基准，测量天线的相对增益

5，将测量结果与理论结果对比分析

三、实验结果

结合以上分析的天线的相关技术原理和实验内容要求，并且在结合实验室仪器设备的具体情况做出一下实验结果。

因为实验室在测量天线方向图的实验里面只有螺旋天线和八木天线，本人在测试天线方向图的过程中因为考虑到测量天线方向图的y方向的方向图比较困难，所以只是针对了天线x方向上的天线方向图进行了简单的测量。

另外，选择八木天线作为接受天线，螺旋天线作为被测天线。

螺旋天线方向图的分析测量

当两个天线在同一水平面的时候，发射端调谐馈送电压调节到15.460的示数上，接收端接受信号的能量示数为1微安，此时因为天线是方向正对着的，所以接受的能量最大，两个天线的主瓣是在同一方向上的。

馈送电压不变的情况下，旋转螺旋天线的接受方向，即使调节螺旋天线的主瓣方向，此时接受示数逐渐减小，当减小到0.71的时候，此时由上面的理论分析可知，这时候螺旋天线主瓣所对应的方向就是主瓣的半波瓣宽度。最后记录两侧总的主瓣方向可知，螺旋天线的主瓣宽度约为12°*2=24°。

天线远场特性分析

因为考虑到实验设备的不够充足和精确，本人为了能够更加深入的研究一下天线的辐射特性，特利用电磁仿真软件HFSS对一天线辐射特性进行了模拟测试。测试结果如下，作为本次实验内容的一个补充。

建立、求解、分析一个矩形波导腔体天线，工作频率为10GHz，测量其远场、近场特性。

远区场的三维极化图

远场的辐射图近场三维极化图

近场的辐射图

四、实验中的思考问题

天线的方向图是什么？

答：天线方向图表示了天线辐射的方向性。

●如何测量天线的方向图？

答：侧量天线的方向图就是测量天线在x和y两个方向上的辐射能量减半的主瓣宽度，最后通过所测的信息得出天线的方向图。

●为什么测量中通常是转动发射天线而不转动接收天线？

答：转动发射天线，也就是需要被测方向图的天线，进行测试可以减小测试误差。

●测量的结果与理论方向的方向图是否一致？为什么？

答：不一致，原因有二，一是测试仪器和设备存在系统误差，二是在实际空间中还存在很多电磁干扰。