天线测量ppt课件.ppt

微波测量与天线测量 1 第三章方向图测量 3 1概述 天线方向图是表征天线辐射特性 场强振幅 相位 极化 与空间角度关系的图形 测量场强振幅 就得到场强方向图 测量功率 就得到功率方向图 测量极化 就得到极化方向图 测量相位 就得到相位方向图 天线方向图测量的目的是测定和检验天线的辐射特性 1 2 完整的方向图是一个三维的空间图形 微波测量与天线测量 2 3 在实际工作中 一般只需测绘经过主最大辐射方向分别与电场和磁场平行的两个正交平面方向图就行了 方向图表示法 微波测量与天线测量 3 4 归一化方向图 微波测量与天线测量 4 5 3 2方向图测量 一 现场测量 固定天线法 采用现场测量方法的待测天线通常都固定不动 而让辅助天线绕待测天线在感兴趣的平面内作圆周运动 以测取该平面的方向图 1 地面测试法 地面测试法通常只限于测绘天线的水平面方向图主瓣 待测天线作发射 且固定不动 在离开天线中心距离为R 满足远场辐射条件 的一个预定的扇形区域内 用经纬仪在R为半径的圆弧上选定一系列方位角测 微波测量与天线测量 5 6 试点 然后 在各点进行相对场强测量 从而得到地平面方向图的主瓣特性 其缺点是 1 准确性差 2 只能测得地平面方向图 3 测量工作复杂而费事 2 空中测试法 这种方法仍然是固定待测天线不动 一般作接收天线 辅助源天线由普通飞机 直升飞机 小型飞船 气球等运载工具携带 绕待测天线在所需测试的平面内作圆弧运动 据不同角位置时待测天线接收到的相对场强大小 就求得了该平面内的方向图特性 微波测量与天线测量 6 7 采用此方法应注意以下几点 1 当沿要求路线飞行的飞行器所运载的源天线姿态相对于待测天线改变时 待测天线接收到的信号也将显著改变 为了将这种改变减至最小 源天线的波瓣最大值应始终对准待测天线 且源天线方向图之有用部份应尽可能均匀 即弱方向性或全方向性天线 飞行器的航向选择应使其姿态改变最小 2 由于源天线的方向图会受到携带它的飞行器形状的影响 因此 设计和安装源天线时必须将环境因素考虑进去 微波测量与天线测量 7 8 3 根据天线电尺寸和飞行器尺寸的不同 应选择不同类型的源天线 二 测试场测量 旋转天线法 超高频或微波波段的真实天线或其它波段的缩尺模型天线 一般都在测试场进行天线方向图测量 简单而方便 此时 辅助天线固定不动 待测天线绕自身的通过相位中心的轴旋转 通常 辅助天线作发射 待测天线作接收 待测天线装在特制的有角坐标指示的转台上 微波测量与天线测量 8 测试水平面方向图时 可让待测天线在水平面内旋转 记下不同方位角时相应的场强响应 在适当的坐标纸上绘出方向图曲线 测试垂直面方向图时 可以将待测天线绕水平轴转动900后 仍按测水平面方向图的办法得到 也可以直接在垂直面内旋转待测天线 测取不同仰角时的场强响应而得到 场强响应的读取方法有两种 一是由接收机检波输出指示器直接读取 另一是改变接收机衰减器的衰减量 使检波器输出指示器读数保持不变 由衰减器衰减量的差值来读取 微波测量与天线测量 9 9 微波测量与天线测量 10 10 三 注意事项 无论用哪种方法进行天线方向图测量时 都必须注意以下几点 1 根据互易原理 待测天线可以作接收 也可作发射 视进行测量的方便程度而选定 但测试方法和结果是不变的 2 收 发天线之间的距离应大于在第一章中讨论的最小测试距离 3 测量主平面方向图时 收 发天线的最大辐射方向应对准 且都在旋转平面内 微波测量与天线测量 11 11 4 天线转动的轴线应通过天线的相位中心 5 若非连续记录而是逐点测试时 视天线方向图波瓣的多少和大小 应选取足够的测试点 一般说来 一个波瓣的测试点不应少于10 20个 且对波瓣最大值和最小值所在区域更应特别注意 6 测试时必须注意信号源输出的稳定和接收设备的校准 微波测量与天线测量 12 12 3 3方向图测量误差讨论 一 周围物体反射引起的误差 微波测量与天线测量 13 13 设直射场为E1 反射场为E2 则相对电平的测量误差可近似表示为 L 20 lg 1 E2 E1 dB E1 E2 或者 L 20 lg E2 E1 1 dB E2 E1 注 E2与E1同相时取 反相时取 如果改变待测天线与辅助天线之间的距离 采用接收信号的最大值和最小值的算术平均值的方法 也可以减小或消除在测量副瓣电平时由于周围物体反射所造成的误差 微波测量与天线测量 14 14 二 方向图角度测量误差 引起方向图角度测量误差的主要因素有三种 1 由角度测量装置 即转台 产生的角度误差 用 1表示 2 由功率测量不精确而产生的角度误差 用 2表示 3 由于待测天线相位中心与转台转轴不重合而产生的角度误差 用 3表示 1和 2是随机的 且相互独立 3是系统误差 是固定的 所以总的角度误差为 微波测量与天线测量 15 15 1 2 2 2 1 2 3 1一般是已知的 故只讨论 2和 3的计算 1 角误差 2的计算 设功率方向图函数为 p pm 式中 p 和pm分别表示天线在任意方向和主瓣最大辐射方向上单位立体角的功率 由此得 式中 p pm 是功率比测量误差 微波测量与天线测量 16 16 如果已知功率方向图函数及其导数 并求出功率比测量误差 后 就可求出 2 功率比测量误差 的计算 如果采用平方律检波电表直接指示 则功率方向图函数可表示为 p pm Q Qm 式中 Qm和Q是主瓣最大辐射方向和给定电平方向上电表的指示 而在主瓣最大辐射方向和给定电平方向的功率测量误差是随机的 因此按平方律合成即 微波测量与天线测量 17 17 Q Qm 1 Qm2 1 Q2 1 2 Q 式中 Q是电表读数误差 如果用衰减器测量 则功率方向图函数由下式确定 p pm 10 Am A 10 式中Am和A分别为在功率方向图主瓣最大辐射方向和给定电平方向上衰减器的读数 微波测量与天线测量 18 18 故 式中 A为衰减器的读数误差的分贝数 2 角误差 3的计算 微波测量与天线测量 19 19 设安装在转台上的天线的实际相位中心位于o点 而天线转轴偏离相位中心的距离为d 3 式中 3是由于天线转轴偏离相位中心所产生的角度误差 当R d时 由图中几何关系可知 R sin 3 d sin sin 3 d R sin 当 3很小时 有 三 方向图测量的其它误差 微波测量与天线测量 20 20 微波测量与天线测量 21 第四章增益测量 4 1概述 天线的方向增益 通常称方向性系数 是表征天线所辐射的能量在空间分布情况的量 其定义为在相同辐射功率情况下 该天线的辐射强度p 与平均辐射强度p0之比 即 D p p0 相同辐射功率 1 21 微波测量与天线测量 22 式中E 是该天线在 方向某点产生的场强 E0是点源天线在同一点产生的场强 另外 方向性系数也可以定义为在 方向产生相同电场强度的条件下 点源天线的总辐射功率POT与该天线的总辐射功率PT 之比 即 一般情况均指最大辐射方向的方向性系数 因此以上三个定义式可写为 Dm pm p0 Em2 E02 相同辐射功率 POT PmT 相同电场强度 4 22 微波测量与天线测量 23 功率增益 通常称为增益系数 的定义式为 G E2 E02 相同输入功率 5 或G P0in Pin 相同电场强度 6 式中 P0in和Pin 分别是点源天线和该天线的输入功率 天线最大辐射方向的增益为 Gm Em2 E02 相同输入功率 P0in Pinm 相同电场强度 7 将上式变形则有 23 微波测量与天线测量 24 1 0 Dm A 8 式中 0和 A分别是点源天线和某天线的效率 规定点源天线的效率 0 1 并且一般谈及天线方向性系数和增益系数均指最大辐射方向 为简化书写 将下标 m 去掉 于是上式就变形为 G A D 9 即天线的增益系数等于天线的效率与方向性系数之积 测增益的基本方法有两大类 比较法和绝对法 24 微波测量与天线测量 25 4 2弗利斯 Friis 传输公式 25 微波测量与天线测量 26 如上图示 令发射天线的输入功率为PinT 效率为 则辐射功率为 PT PinT 10 于是 辐射功率PT在接收天线处产生的功率密度为 p PT DT 4 r2 11 式中 DT 是发射天线在 方向的方向性系数 如果接收天线对入射场的极化是匹配的 则接收天线的输出功率为 26 微波测量与天线测量 27 式中 Se是接收天线的有效面积 它与接收天线增益有如下关系 Se Gr 2 4 13 注 Gr 是接收天线在 方向的增益系数 将式 11 和式 13 代入式 12 得 Pr PT DT Gr 4 r 2 PinT DT Gr 4 r 2 Pr p Se 12 27 微波测量与天线测量 28 Pr PinT GT Gr 4 r 2 14 上式就是弗利斯 Friis 能量传输公式 注 它是在两天线极化匹配 无电失配损耗 在自由空间传输条件下得出的 如果发射天线和接收天线均以最大增益方向对准 则上式可写为 Pr PinT GT Gr 4 r 2 15 又 G D 28 微波测量与天线测量 29 4 3比较法测天线增益 比较法是将待测天线与一已知增益的标准天线进行比较而测得其增益值的 G Gs Ps P 相同电场强度 16 Gs Poin PsG Poin P G Gs Ps P 式中 Ps和P分别是标准天线和待测天线的输入功率 相同电场强度 设标准天线增益为Gs 待测天线增益为G 则二者之间的关系为 29 微波测量与天线测量 30 或G Gs E2 Es2 相同输入功率 17 Gs Es2 Eo2G E2 Eo2 G Gs E2 Es2 式中 Es和E分别是标准天线和待测天线辐射的电场的强度 相同输入功率 注 在 16 和 17 式中均省掉了各量的下标 m 一 标准天线和待测天线作发射 1 相对功率法 相同电场强度 30 微波测量与天线测量 31 测试步骤如下 1 将标准天线接入发射端 并调整匹配 使输出功率最大 31 微波测量与天线测量 32 2 辅助天线接入接收端 并使其最大辐射方向与发射天线的最大辐射方向对准 3 调节可变衰减器 使接收端指示器指示适当的值A 计下功率计读数Ps 4 将标准天线取下 接待测天线 再次调整匹配 使输出功率最大 5 改变可变衰减器 使接收端指示器仍保持原先读数A 计下功率计读数P 6 将测得结果和已知的标准天线增益Gs代入式G Gs Ps P 就求得了待测天线的增益 32 微波测量与天线测量 33 2 相对场强法 相同输入功率 仍采用上图所示测试电路 测试步骤如下 1 2 同前 3 调节可变衰减器 使功率计为适当读数P 记下此时接收端指示器读数Es 4 取下标准天线 换接待测天线 调整匹配 使功率输出最大 5 改变可变衰减器 使功率计读数仍保持原先的读数P 记下接收端指示器读数E 33 微波测量与天线测量 34 6 将测试结果及已知标准天线增益Gs代入式G Gs E2 Es2 就求得了待测天线的增益 注 若指示器指示的是电压 则G Gs U2 Us2 若指示器指示的是电流 且检波器的检波律为平方律时 则G Gs I Is 二 标准天线和待测天线作接收 1 相对功率法 相同电场强度 34 微波测量与天线测量 35 测试步骤如下 1 将辅助天线接入发射端 调整匹配 使输出功率最大 35 微波测量与天线测量 36 2 将标准天线接入接收端 让收 发天线最大辐射方向对准 并调整匹配 使指示器读数最大 3 调节可变衰减器 使指示器指示某一适当值A 记下可变衰减器读数N1 4 取下标准天线 换接待测天线 调整匹配 使指示器指示最大 5 再调节可变衰减器 使指示器读数仍保持先前的A 记下可变衰减器读数N2 36 6 将测试结果及标准天线增益值Gs代入式G Gs Ps P 就求得待测天线的增益 如果N1 N2读数为分贝 则G dB Gs dB N2 dB N1 dB 或者G Gs10 N2 N1 10 倍 2 相对场强法 相同输入功率 仍采用上图所示测试电路 测试步骤如下 1 2 同前 3 调节可变衰减器 使指示器读数为某一适当值Es 微波测量与天线测量 37 37 4 取下标准天线 接待测天线 调整匹配 使指示器读数最大且记下其读数E 5 将测试结果及标准天线增益值Gs代入G Gs E2 Es2 便求得待测天线增益 三 注意事项 为了得到良好的测试精度 必须注意以下事项 1 收 发天线间距离必须满足远场条件 2 尽量避免周围物体 地面的影响 3 收 发设备与天线阻抗应良好匹配 且收 发天线间极化也应匹配 微波测量与天线测量 38 38 4 待测天线与标准天线增益相差较大 即孔径相差较大 时 一般应控制在20dB以内 换接天线时应使它们的相位中心在同一位置上 5 为了防止外来干扰信号 信号源可加调制 接收端可用测试接收设备 4 4标准增益天线 一 概述 标准增益天线应具备以下特性 1 天线的增益应当精确已知 微波测量与天线测量 39 39 2 天线的结构简单牢固 3 天线应当为线极化 在某些应用中 也可以是园极化 但必须同时具备两个园极化天线 一个左旋园极化 另一个右旋园极化 不管是线极化还是园极化 极化纯度都要尽可能的高 二 E面张开扇形喇叭天线 其增益值计算公式为 微波测量与天线测量 40 40 式中 C w 和S w 是菲涅尔积分 W b 2 LE 1 2 三 H面张开扇形喇叭天线 微波测量与天线测量 41 41 其增益值计算公式为 式中u 1 2 1 2 LH 1 2 a a LH 1 2 v 1 2 1 2 LH 1 2 a a LH 1 2 四 E面 H面同时张开的角锥形喇叭天线 其增益值计算公式为 G 32 GH b GE a 式中GH和GE分别是H面和E面扇形喇叭天线的增益计算公式 微波测量与天线测量 42 42 4 5两相同天线法测绝对增益 根据Friis传输公式Pr PinT GT Gr 4 r 2 如果发射和接收天线的增益相同 则有 GT Gr 4 r Pr PinT 1 2 18 r 微波测量与天线测量 43 43 用两付相同天线测增益的具体方法如下 1 按上图接好电路 并将收 发天线最大辐射方向对准 2 调整匹配 使收 发两端均很好匹配 3 测取并记录发射天线的输入功率PinT和接收天线接收到的功率Pr以及收 发天线间的距离r 工作波长 4 根据式GT Gr 4 r Pr PinT 1 2计算求得天线增益 微波测量与天线测量 44 44 4 6镜像法测绝对增益 镜像法是两相同天线法的一种变形 也是实现两相同天线法的具体措施 微波测量与天线测量 45 45 如果发射天线的输入功率为PinT 天线增益为G 则根据两相同天线法的增益计算公式有 G 4 2R Pr PinT 1 2 19 接收功率Pr与输入功率PinT之比可用反射系数的模来表示 即 而反射系数与驻波系数之间的关系为 微波测量与天线测量 46 46 具体测试步骤如下 1 不放金属反射板 调节匹配器 使天馈系统匹配良好 2 放入金属反射板 测取驻波系数 3 测量天线到金属反射板之间的距离R 4 根据测试数据 由式 20 计算得到天线的增益 G 8 R 1 1 20 从而得到待测天线的增益计算公式为 微波测量与天线测量 47 47 2 金属反射板到天线的距离R应大于远场最小测试距离的一半 1 金属反射板的大小至少能挡回天线方向图的全部主瓣 为了保证足够的测试精度 必须注意以下几点 3 金属反射板应采用高导电率材料 如铜和铝等 并要有一定的光洁度 微波测量与天线测量 48 48 4 7两不同天线法测绝对增益 该方法是比较法和两相同天线法的综合 其基本原理如下 若一付天线的增益为G1 另一付天线的增益为G2 G1 G2均是待测量 首先用比较法测得两天线增益的比值G1 G2 设 G1 G2 A 21 注 G1 G2 P2 P1 相同电场强度 然后用两相同天线法 将增益为G1的天线作发射 增益为G2的天线作接收 分别测出发射天线的输入 微波测量与天线测量 49 49 功率PinT以及接收天线所接收到的功率Pr 则根据Friis传输公式有 Pr PinT 4 r 2 G1 G2 令Pr PinT B 4 r 2 G1 G2 22 联立求解式 21 和式 22 得 G2 4 r B A 1 2 23 G1 4 r AB 1 2 24 由此可见 只要测得上面两式等号右端各量 两付天线的增益便可计算出来 微波测量与天线测量 50 50 4 8三天线法测绝对增益 设三付天线的增益分别为G1 G2和G3 只需进行三次测量 就可求得这三个天线的增益值 其原理如下 首先 增益为G1的天线1作发射 增益为G2的天线2作接收 则由Friis传输公式Pr PinT 4 r 2 G1 G2有 G1 G2 4 r 2 Pr PinT 12 25 其次 增益为G2的天线2作发射 增益为G3的天线3作接收 同理有 G2 G3 4 r 2 Pr PinT 23 26 微波测量与天线测量 51 51 最后 增益为G3的天线3作发射 增益为G1的天线1作接收 同理有 G3 G1 4 r 2 Pr PinT 31 27 如果在三次测量 Pr PinT 的值时保持收 发天线之间的距离r以及天线的工作波长 不变 那么联立求解上面三个方程 就可得到每个天线的增益值 即 G1 4 r Pr PinT 12 PinT Pr 23 Pr PinT 31 1 2 G2 4 r Pr PinT 12 Pr PinT 23 PinT Pr 31 1 2 G3 4 r PinT Pr 12 Pr PinT 23 Pr PinT 31 1 2 微波测量与天线测量 52 52 微波测量与天线测量 53 4 9增益测量的误差和修正 增益测量的主要误差来自两个方面 阻抗失配和极化失配 近场效应和多径干涉 一 阻抗失配误差及修正 收 发天线之间的能量传输如下图所示 设信号源的输出功率为PA 53 微波测量与天线测量 54 送入发射天线的功率 即发射天线的实际输入功率 为 PinT PA M1 28 式中 送到负载的功率为 Pr Pm M2 29 式中 Pm是接收天线和接收机均与传输线匹配时 接收天线的输出功率 54 微波测量与天线测量 55 如果 G L 0 则M1和M2的表达式可简化为 通过上面的讨论可知 将前面所介绍的增益计算公式中的发射天线输入功率PinT和接收天线接收功率Pr分别乘以M1和M2后 失配误差就得到了修正 而M1和M2可以通过测量复反射系数 G A r和 L而计算求得 55 微波测量与天线测量 56 增益测量都是以收 发天线之间最大功率传输为基础 收发天线极化的任意不匹配 都会使传输功率减小 二 极化失配误差及修正 在发射天线辐射功率一定的情况下 把极化匹配时接收天线接收之功率与极化失配时接收功率之比定义为极化损失 用LP表示 它与收 发天线的轴比 r t和旋向有如下关系 56 微波测量与天线测量 57 式中 收发天线椭园极化同旋向时取 号 收发天线椭园极化反旋向时取 号 收发天线椭园极化长轴间的夹角 当旋向相同 轴比为确定值时 最大极化失配损耗发生在 900时 此时 57 微波测量与天线测量 58 三 近场和多径效应的误差和修正 有限测试距离就使得照射到待测天线的电磁波不可能是一理想等幅同相的平面波 我们把在有限测试距离测得的增益叫视在增益 一般情况下 视在增益比真实增益值要小些 此负值误差随着收 发天线间距离的增加而逐渐减小 可以认为误差是由两个方面影响引起的 一种影响是由于待测天线的增益确实是随距离变化的 另一种影响是待测天线孔径照射不均匀 两天线相距越远 视在增益也就越接近实际增益 58 微波测量与天线测量 59 4 10反射测试场测绝对增益 一 增益耦合方程 59 微波测量与天线测量 60 反射测试场的地面不平度应满足瑞利准则 h min 16sin 式中 h是地面不平度 min是测试频段最小波长 是入射射线与地平面之间的夹角 直射波在接收天线处产生的电场强度为 E1 K PinT K1 GT K2 Gr 1 2 4 r 32 式中 K是常数 K1 K2是方向因子 K1 GT是发射天线在接收天线方向的增益 K2 Gr是接收天线在发射天线方向的增益 GT和Gr分别是发射天线和接收天线在最大辐射方向上的增益 60 微波测量与天线测量 61 而r r02 hr hT 2 1 2 33 反射波在接收天线处产生的电场强度为 E2 K PinT GT Gr 1 2 4 rR W 34 式中 W是增益转换因子 它取决于测试场地表面的电特性和几何特性 天线的方向图特性 发射天线的频率和极化等 对于水平极化波而言 当 很小时 地面反射系数绝对值接近于1 1 rR可按下式计算 rR r02 hr hT 2 1 2 35 61 微波测量与天线测量 62 如果将天线高度调节得使到达接收天线处的直射波和反射波场强相位同相时 则该处的总场强为 E E1 E2 K PinT GT Gr 1 2 4 r K1 K2 1 2 W r rR 36 因此 在同相情况下的总接收功率为 Pr PinT GT Gr 4 r 2 K1 K2 1 2 W r rR 2 37 用分贝表示则为 Pr dB PinT dB GT dB Gr dB 20 lg 4 r 20 lg K1 K2 1 2 W r rR 38 62 微波测量与天线测量 63 由式 37 得收 发天线增益的耦合方程为 GT Gr Pr PinT 4 r 2 K1 K2 1 2 W r rR 2 39 或者GT dB Gr dB Pr dB PinT dB 20 lg 4 r 20 lg K1 K2 1 2 W r rR 40 二 增益转换因子 首先规定一个接收天线高度 这个高度使接收天线孔径面上场的横向幅度不均匀性小于0 25dB 且接收天线与地面镜像天线之间的互耦低于 40dB 为此 接收天线的高度应满足条件 63 微波测量与天线测量 64 hr 4D 41 hr 4 42 式中D是接收天线孔径最大线尺寸 另外 为了使 很小 测试距离ro应满足 ro 2hr 43 而为了满足直射波与反射波同相的条件 必须有 hT 2n 1 ro 4hr n为整数 44 因此 满足同相条件的发射天线最低架设高度为 64 微波测量与天线测量 65 hT ro 4hr n 1 45 实际上 这个发射天线高度是使接收天线位于直射波和反射波干涉图离地的第一个同相波腹值处 n值的选择还应使发射天线架设在与其镜像耦合很小的最低位置上 即 hT 4 46 在满足上式的条件下 选取最小的n 由式 44 确定发射天线架设的最低高度 此时 接收天线的总功率就可由同相条件下导出的式 37 进行计算 65 微波测量与天线测量 66 把接收功率记录下来以后 再把发射天线高度移动到满足式 46