哈工大天线原理实验报告

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：

指导教师：

实验时间：

实验成绩：

哈尔滨工业大学

一、实验目的

1.掌握喇叭天线的原理。

2.掌握天线方向图等电参数的意义。

3.掌握天线测试方法。

二、实验原理

1.天线电参数

(1).发射天线电参数:

a.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。

b.方向性系数：在相同辐射功率，相同距离情况下，天线在该方向上的辐射功率密度Smax与无方向性天线在该方向上的辐射功率密度S0之比值。

c.有效长度：在保持该天线最大辐射场强不变的条件下，假设天线上的电流均匀分布时的等效长度。

d.天线效率：表征天线将高频电流或导波能量转换为无线电波能量的有效程度。

e.天线增益：在相同输入功率、相同距离条件下，天线在最大辐射方向上的功率密度Smax与无方向性天线在该方向上的功率密度S0之比值。

f.输入阻抗：天线输入端呈现的阻抗值。

g.极化：天线的极化是指该天线在给定空间方向上远区无线电波的极化。 h.频带宽度：天线电参数保持在规定的技术要求范围内的工作频率范围。

(2).接收天线电参数:

除了上述参数以外，接收天线还有一些特有的电参数：等效面积和等效噪声温度。

a.等效面积：天线的极化与来波极化匹配，且负载与天线阻抗共轭匹配的最佳状态下，天线在该方向上所接收的功率与入射电波功率密度之比。

b.等效噪声温度：描述天线向接收机输送噪声功率的参数。

2.喇叭天线

由逐渐张开的波导构成，是一种应用广泛的微波天线。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。

(1).H面扇形喇叭：若保持矩形波导窄边尺寸不变，逐渐张开宽边可得H面扇形喇叭。

(2).E面扇形喇叭：若保持矩形波导宽边尺寸不变，逐渐张开窄边可得H面扇形喇叭。

(3).角锥喇叭：矩形波导宽边和窄边同时张开所形成的。

(4).圆锥喇叭：圆波导半径逐渐张开形成。

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，测量过程中由于各种反射折射及其他无线电波的干扰，对实验结果有一定干扰。

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、主瓣宽度等概念

(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).天线的极坐标方向图呈波瓣形。最大的波瓣叫做主瓣，其余的叫副瓣或旁瓣,与主瓣相反方向上的副瓣叫后瓣。

a.零功率点波瓣宽度：是指主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角。

b.半功率点波瓣宽度：是指主瓣最大值两边场强等于最大场强的倍的两辐射方向之间的夹角。

波瓣参数是辐射能量在空间分布的一种表征。

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，使其在同一高度，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，读到电流变不再有示数显示为止。

(4).刻度盘归零，向右旋转转盘步骤同上一步。 (5).接收喇叭天线换成其他类型，测出数据，步骤同上。

(6).用matlab将所得数据换算成dB值并进行归一化处理。在OriginPro上输入数据，画出极坐标图。

五、实验数据

六、实验结果

各图如下

七、实验总结

通过本次实验，对天线的原理有了更深刻的理解。试验中我们小组对四种不同的喇叭天线进行了功率测量，并且通过将实验数据导入软件来观测了天线的方向图。通过对实验原理的学习和测量的结果的分析，可以看出E面和H面的辐射场分别与天线开口口径存在线性关系，所以可以通过调整天线口径大小从来调整天线的辐射方向图的主瓣的宽度，从而满足不同的需求。

虽然实验中由于实验设备互相干扰等实验环境因素导致实验结果与理论间确实存在一定的差距，但仍在误差允许的范围内，可以认为实验是成功的。希望自己在今后可以通过实验得到更多的提升。

演示实验

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).微波暗室构成：

屏蔽室：由屏蔽壳体、屏蔽门、通风波导窗及各类电源滤波器等组成，其中门的造价最高。

吸波材料：锥形含碳海绵吸波材料，锥形含碳海绵吸波材料是由聚氨脂泡沫塑料在碳胶溶液中渗透而成。具有较好的阻燃特性。

其它：主要有信号传输板、转台、天线、监控系统等。

(2).功能：提供人为空旷的“自由空间”条件，用吸波材料来制造一个封闭空间，这样就可在暗室内制造出一个纯净的电磁环境。在暗室内做天线、雷达等无线通讯产品和电子产品测试可以免受杂波干扰,提高被测设备的测试精度和效率。

(3).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，利用高磁导率吸波材料引导电磁波，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。

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功能来实现的。

(2).为何矢量网络分析仪这么贵？

矢量网络分析仪除信号捕获分析外还提供了一个操作系统，上面安装了一些软件。矢量网络分析仪功能很多，被称为“仪器之王”，是射频微波领域的万用表，对使用者的专业技术要求还是比较高的；矢网主要是根据频率来划分的，频率越高，价格自然就越高。但我觉得可以把很多功能放到外接PC机上，比如处理分析这类，完全可以依靠外界操作系统及其它软件来处理。

(3).工作原理：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．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，所有的时间和距离数据都以这个点为参考点。这样时间和幅度数据都因经过了校准而非常精确。

5．如何通过矢量网络分析仪测试得到S

参数计算待测天线的输入阻抗？

(1).原理框图：

(2).测试方法：

先将被测天线安装符合测量环境要求的空间，将矢量网络分析仪开机，预热15~30分钟，对矢量网络分析仪端口1进行校准，较准时按照仪器提示分别用短路器、开路器和匹配器进行校准，再将网络分析仪测试端口与被测天线相接，选择阻抗测试功能，在显示屏上利用标志（Maker）独处被测天线的输入阻抗值并记录。