天线原理实验报告

Harbin Institute of Technology天线原理实验报告课程名称： 天线原理 院系： 电信学院 班级： 姓名： 学号： 同组人： 指导教师： 刘北佳 实验时间： 2015/5/13 实验成绩： 哈尔滨工业大学一、 实验目的1. 掌握喇叭天线的结构、分类和特性参数。2. 掌握天线方向图的意义和测量方法。3. 对比分析几种天线的辐射特性和性能。二、 实验原理1. 天线电参数 天线电参数主要包括：方向图、方向性系数、有效长度、增益、效率、输入阻抗、极化、频带宽度。 1）方向图：天线的辐射电磁场在固定距离上随空间角坐标分布的图形，称为辐射方向图或辐射波瓣图。 2）方向性系数：在相同辐射功率，相同距离情况下，天线在某方向上的辐射功率密度与无方向性天线在该方向上的辐射功率密度之比。 3）有效长度：在保持天线最大辐射场强不变的情况下，假设天线上的电流为均匀分布时的等效长度。 4）增益：在相同输入功率，相同距离情况下，天线在某方向上的辐射功率密度与无方向性天线在该方向上的辐射功率密度之比。 5）效率：天线将导波能量转换成电波能量的有效程度。 6）输入阻抗：天线输入端呈现的阻抗值。 7）极化：天线在给定空间方向上远区无线电波的极化，即时变电场矢量端点运动轨迹的形状、取向和旋转方向。 8）频带宽度：天线电参数保持在要求范围内的工作频率范围。2. 喇叭天线 喇叭天线由逐渐张开的波导构成。按口径形状可分为矩形喇叭天线与圆形喇叭天线等。波导终端开口原则上可构成波导辐射器，由于口径尺寸小，产生的波束过宽；另外，波导终端尺寸的突变除产生高次模外，反射较大，与波导匹配不良。为改善这种情况，可使波导尺寸加大，以便减少反射，又可在较大口径上使波束变窄。3. 方向图测量（测试环境、最小测试距离、极化） 测试环境：最理想的场地是自由空间，可以通过微波暗室来模拟，本次实验在实验室进行测量，测量过程中存在一定干扰； 最小测试距离：实际测量中，发射天线到接收天线距离有限，为保证测量精度需规定被测天线入射波的幅度、相位条件来确定最小测试距离； 极化：天线在给定空间方向上远区无线电波的极化，通常指天线在其最大辐射方向上的极化。天线不能接收与其正交的极化分量，只有天线极化与来波极化一致时为极化匹配，接收机才可获得最大功率，极化失配时需乘以失配因子。4. E面、H面、主瓣宽度 1）E面：通过最大辐射方向并与电场矢量平行的平面； 2）H面：通过最大辐射方向并与磁场矢量平行的平面； 3）主瓣宽度：方向图呈波瓣形，最大的波瓣即主瓣，主瓣宽度包括零功率点波瓣宽度（FNBW）及半功率点波瓣宽度（HPBW）。 FNBW：主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角； HPBW：主瓣最大值两边功率为最大功率一半的两辐射方向之间的夹角。三、 实验仪器发射喇叭天线：楔形角锥喇叭；接收喇叭天线：H面扇形喇叭、E面扇形喇叭、 楔形角锥喇叭、圆锥喇叭；功率显示器；电源；工作盘四、 实验步骤 （1）将发射角锥喇叭天线与接收喇叭天线（E面扇形喇叭）垂直固定于工作盘并对准开口测E面方向图； （2）左右旋转接收喇叭天线同时观察功率表找到最大值点，将该点对准刻度盘0； （3）向左旋转转盘，每转1读一次示数并记录，读到不再有示数显示为止； （4）刻度盘归零，向右旋转转盘步骤同（3）； （5）接收喇叭天线换成其他类型，测出数据，步骤同上； （6）用EXCEL统计数据并作出各天线雷达图；5、 实验数据 （1）E面喇叭的 E、H面方向图值相位/E值E归一化H值H归一化1600.731256.10.720.3520.700.444.80.700.5390.69.20.1910.440.200.50.420.210.20.38.40.220.10.350.230.1.50602E-0833.20.3030.1.50602E-080.1.36986E-083040.1.50602E-080.10.3050.1.50602E-080.10.3060.1.50602E-080.20.3310.1.50602E-08180.3320.20.200.35562.10.70.20.35665.80.710.35766.41720.358660.71.80.359640.720.（2） H面喇叭的E、H面方向图值相位/E值E归一化H值H归一化0780.7611760.720.2750.680.3740.700.4720.640.14680.40.15720.40.16780.20.17760.0.1.31579E-0818720.0.1.31579E-08.4860.0.1.31579E-084920.0.1.31579E-085020.0.1.31579E-08510.1.08696E-080.1.31579E-08.2960.1.08696E-080.1.31579E-082970.1.08696E-080.1.31579E-0829810.0.1.31579E-0829910.0.1.31579E-08.3459210.1.31579E-08346900.0.1.31579E-08347880.10.348880.10.356800.400.357780.500.358740.580.359780.680.（3） 角锥喇叭的E、H面方向图值相位/E值E归一化H值H归一化09819911970.970.2930.940.3870.900.4790.840.2610.10.2710.0.00010.2810.0.00010.2910.0.00010.3010.0.00010.310.00011.02041E-060.00011.0101E-06.3290.00011.02041E-060.00011.0101E-0633010.0.00010.33110.0.00010.33210.0.00010.33310.10.355680.760.356790.840.357870.900.358930.940.359970.970.（4） 圆锥喇叭的方向图值相位/方向图值方向图值归一化00.1.21951E-0810.1.21951E-08.710.1.21951E-08720.1.21951E-087310.7420.7540.89800.908219182192810.10720.10810.1090.1.21951E-081100.1.21951E-08.1790.1.21951E-081800.1.21951E-08六、实验结果 将上述实验数据各天线的方向图值归一化后取对数，结合相位角度绘制方向图： （1）E面喇叭： （2）H面喇叭： （3）角锥喇叭： （4）圆锥喇叭：七、实验总结本次实验利用角锥喇叭天线向四种接收天线发射电波，通过读取与接收天线相连的电流表的示数来确定每个相位角的方向图值，这里要注意读取的电流值是功率量级而非电流。由E面喇叭和H面喇叭两种天线可以看出E面和H面的辐射场分别与天线开口口径有线性关系，因此可以通过调整天线口径大小从而调整天线的辐射方向图的主瓣的宽度，适应不同的需求。八、演示实验问题 1.通过观看“微波暗室测试天线”视频教学内容你了解了几个问题？将这些问题概括出来并作简要回答。1 什么是微波暗室？ 微波暗室是一个电磁屏蔽、室内每面均覆盖吸波材料的房间。由于造价等原因，电波暗室方案通常适用于微波波段，故取名为微波暗室。2 微波暗室怎么工作？ 微波暗室的工作原理：根据电磁波在介质中从低磁导向高磁导方向传播的规律，利用高磁导率铁氧体引导电磁波，通过共振，大量吸收电磁波的辐射能量，再通过耦合把电磁波的能量转变成热能。3 微波暗室适用于哪些情况？ 微波暗室主要用于辐射无线电骚扰(EMI)和辐射敏感度（EMS）测量，微波暗室的尺寸和射频吸波材料的选用主要由受试设备（EUT）的外形尺寸和测试要求决定。4 微波暗室的组成？ 微波暗室由屏蔽室、吸波材料、信号传输板、转台、天线、监控系统等组成。 2.通过观看“矢量网络分析仪的使用”视频教学内容你了解了几个问题？将这些问题概括出来并作简要回答。1 什么是矢量网络分析仪？ 矢量网络分析仪器是一种电磁波能量的测试设备。矢量网络分析仪的原理与使用力直接决于系统的动态范围指标。相位波动参数的测试是利用矢量网络分析仪的电子延迟(ElectricalDelay)功能来实现的。2 矢量网络分析仪怎么工作？ 矢量网络分析仪本身自带了一个信号发生器，可以对一个频段进行频率扫描.如果是单端口测量的话，将激励信号加在端口上，通过测量反射回来信号的幅度和相位，以判断出阻抗或者反射情况。而对于双端口测量，则还可以测量传输参数。由于受分布参数等影响明显，所以网络分析仪使用之前必须进行校准。3 矢量网络分析仪用于什么情形？矢量网络分析仪可用于测量微波器件的电压驻波比（或回波损耗）、幅度、相位、时延等，还可以作为近场测量和远场测量的主要核心部件。 3.我们使用的矢量网络分析仪可以测试二端口网络的S参数，试采用矢量网络分析仪设计一个天线方向图测试系统，并说明测试方法。 1）测试系统：2） 测试方法：在室外远距离测试时，通常采用分体式矢量网络分析仪的方案进行测试，如图2所示。其原理为：在进行传输参数测试时，主控计算机通过总线接口控制转台和分体式矢网协调工作，根据天线在不同转动角度时测得的传输参数最终计算出天线的方向性特性参数，外部锁相，收发分置的方式来进行测试。发射端的合成信号源输出的微波信号经微波放大器送至发射天线发射出去，测试天线和参考天线所接收信号分别送到测试混频组件和参考混频组建与本振信号进行混频，产生中频信号，参考中频信号通过电缆回送到天线测试装置中的中频放大电路进行放大后，送到AV3630型四通道幅相接收机。测试中频信号通过使用一对双工器经测试混频组件的本振馈送电缆回送到天线测试装置中的中频放大电路进行放大，然后才送到AV3630型四通道幅相接收机中。 4.试采用矢量网络分析仪和标准增益天线及其他辅助天线设计一个天线增益测试系统，并说明测试方法。用比较法来测量天线增益，用一个增益已知的天线作标准天线，通过与标准天线的比较来测量天线的增益。然后再通过矢量网络分析仪来对增益测量进行误差分析，通常情况下，大多数的矢量网络分析仪通过S11比值测量来进行时域变换测量。S11反射测量不是简单的显示A或B接收机接收到的反射信号的大小，它显示测量接收机与参考接收机之间的比值测量结果。此外S11比值测量能通过校准去除系统误差，这对时域测量特别重要，因为通过校准建立了测量参考平面，校准点变成了时间轴的零点，所有的时间