北邮电磁场与微波技术实验天线部分实验一

北邮电磁场与微波技术实验天线部分实验一最新

————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：

信息与通信工程学院

电磁场与微波实验报告

实验题目：网络分析仪测量振子天线输入阻抗

班级：2011211106

姓名：吴淳

学号：2011210180

日期：2014年3月

实验一网络分析仪测量阵子天线

输入阻抗

一、实验目的

1. 掌握网络分析仪校正方法；

2. 学习网络分析仪测量振子天线输入阻抗的方法；

3. 研究振子天线输入阻抗随阵子电径变化的情况。

注：重点观察谐振点与天线电径的关系。

二、实验原理

当双振子天线的一端变为一个无穷大导电平面后，就形成了单振子天线。实际上当导电平面的径向距离大到0.2~0.3λ，就可以近似认为是无穷大导电平面。这时可以采用镜像法来分析。天线臂与其镜像构成一对称振子，则它在上半平面辐射场与自由空间对称振子的辐射场射相同。

图1 实验原理图

由于使用坡印亭矢量法积分求其辐射功率只需对球面上半部分积分，故其辐射功率为等臂长等电流分布的对称振子的一半，其辐射电阻也为对称振子的一

半。当h<<λ时，可认为R≈40 。由于天线到地面的单位长度电容比到对称振子另一个臂的单位长度电容大一倍，则天线的平均特征阻抗也为等臂长对称振子天线的一半，为=60[ln(2h/a)-1]。

三、实验步骤：

1. 设置仪表为频域模式的回损连接模式后，校正网络分析仪；

2. 设置参数并加载被测天线，开始测量输入阻抗；

3. 调整测试频率寻找天线的两个谐振点并记录相应阻抗数据；

4. 更换不同的电径（对应1mm, 3mm, 9mm）的天线，分析两个谐振点的阻抗

变化情况；

5. 设置参数如下：

BF=600MHz，△F=25MHz，EF=2600MHz，n=81.

6. 记录数据：在smith圆图上的输入阻抗曲线上，曲线的左端输入阻抗虚部

为0的点为二分之一波长谐振点，曲线的右端输入阻抗虚部为0的点为四分之一波长谐振点。记录1mm，3mm，9mm天线的半波长和四分之一波长的谐振点。

四、实验数据：

1. 直径=1mm时：

第一谐振点处频率约为（取最接近点）F=1250MHz，电阻R=41.88ohm, SWR=1.193, RL=-20.0dB。

第二谐振点处频率约为（取最接近点）F=2450MHz，电阻R=626.8ohm, SWR=12.54,

RL=-1.38dB。

实验图示如下：

图2 Φ=1mm阻抗分布图

2. 直径=3mm时：

第一谐振点处频率约为（取最接近点）F=1100MHz，电阻R=31.96ohm, SWR=1.566, RL=-13.1dB。

第二谐振点处频率约为（取最接近点）F=1950MHz，电阻R=290.2ohm, SWR=5.809, RL=-3.02dB。

实验图示如下：

图3 Φ=1mm阻抗分布图

3. 直径=9mm时：

第一谐振点处频率约为（取最接近点）F=1025MHz，电阻R=26.24ohm, SWR=1.908, RL=-10.1dB。

第二谐振点处频率约为（取最接近点）F=1600MHz，电阻R=132.9ohm, SWR=2.658, RL=-6.87dB。

实验图示如下：

图4 Φ=1mm阻抗分布图

五、分析结果

（1）对于相同材质，振子天线的直径越粗，谐振点输入阻抗越小，网络反射系数越小，回波损耗越小，越容易和馈线匹配，频率的间隔越小，工作频率范围就越宽。

（2）天线直径越大，阻抗特性变化越大。实验结果发现9mm天线的史密斯圆图的阻抗特性非常不规则，随着频率的增高，其阻抗特性变化非线性，与理想状态的中心在正实轴某处的规则的圆有一定出入。因此三种天线在频率比较低的时候阻抗特性还可以，但随频率增大，直径越大的天线变化越剧烈。

（3）第一谐振点的阻抗远小于第二谐振点的阻抗。这与四分之一谐振点处Zin= Z0^2/ Z l 而半波长谐振点处Zin= Z l这两个公式有关，即Z l大于Z0。

（4）谐振点的谐振角度并不严格虚部为零。可能是天线本身的实际特性与理论有偏差，也可能是测量过程的误差造成。

六、联想相关问题的思考

1、网络分析仪：

网络分析仪作为测量网络参数的一种新型仪器，其功能强大，可直接测量有源或无源、可逆或不可逆的双口和单口网络的复数散射参数，并以扫频方式给出各散射参数的幅度、相位频率特性。正确使用时，可以达到极高的精度。

自动网络分析仪能对测量结果逐点进行误差修正，并换算出其他几十种网络参数，如输入反射系数、输出反射系数、电压驻波比、阻抗（或导纳）、衰减（或增益）、相移和群延时等传输参数以及隔离度和定向度等。另外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。

所以网络分析仪的应用也十分广泛，在很多行业都不可或缺，尤其在测量无线射频（RF）元件和设备的线性特性方面非常有用。现代网络分析仪还可以应用于更具体的场合。

2、天线振子：

作为天线上的元器件，振子简单解释就是发射和接收高频振荡信号的一段金属导体。其具有导向和放大电磁波的作用，使天线接收到的电磁信号更强。振子是用导电性较好的金属制造的，有的是杆状的，也有的结构较复杂，一般是多个振子平行排列在天线上。

振子有半波振子和全波振子，振子尺寸要和接收或发射的频率波长尺寸对应才能达到最大效果，一般用二分之一或四分之一波长设计。本实验中用的是振子天线，天线一端接导电平面，形成单极天线，所以可以用镜像法等效分析。

另外，振子只有尽量放在空间才有最好效果，至于为了防锈，可用非金属材料覆盖，比如油漆，塑胶等。

3、天线：

天线作为一种变换器，把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。

此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。

基于特定三维（通常指水平或垂直）平面，可以把天线分为两大基本类型：全向天线（在平面中均匀辐射）和定向天线（又称指向天线，在某方向辐射较多）。

在自由空间内，任何天线都向各个方向辐射能量，但是特定的架构会使天线在某个方向上获得较大方向性，而其它方向的能量辐射则可以忽略。

通过增加附加导体棒或线圈（称之为单元）并改变其长度、间距和方位（或者改变天线波束方向），可以制造出拥有既定特性的天线，如本实验中使用的八木天线。“天线阵列”或“天线阵”是指相当数量的有源天线共用源或负载来产生定向的天线辐射方向图。天线的空间关系通常也会影响其方向性。

影响天线性能的临界参数有很多，通常可以在其设计过程中进行调整，如谐振频率、阻抗、增益、孔径或辐射方向图、极化、效率和带宽等。另外，发射天线还有最大额定功率，而接收天线则有噪声抑制参数。

七、回忆录

可以说，熬过了各类实验交杂，心力交瘁的大三上，以为终于暂时告别了报告，告别了实验室标准化的设备和常常重启的电脑。在这种情况下，天线实验倒像是于半路杀出，顺带着捎走了半天的休息时光。

其实，很多时候，我们总是与学校处在不同的高度上，学校安排各类各类的实验课，沦落至我们手中，大都只剩下了费力拼凑的数据和篇篇限定日期的实验报告。学校耗费百万买回的实验设备，也常常只能被我们雾里看花一般的戳戳碰碰然后告别。其实，这也算是一种无可奈何，毕竟经费总不能随心所欲，我们的时间也不能允许在每一类实验上耗费。于是经过长时间的妥协，实验课就到了现在这样或多或少有些尴尬的位置。

但是，回顾这两年多，被大大小小的实验洗礼后，不知不觉，已然成长了许多，大至学习态度，小到写报告。即便是抱怨，即便总是匆匆忙忙，我们还是“被迫”入门了许多软件，还是不得不学着耐心的调试，学着分析各类数据。

回到这次天线实验吧，本来怀着的对只有两台设备的听闻的失望，在听了老师的一番自我调侃后灰飞烟灭了。总体来讲，天线作为通信领域中重要而深刻的一门学科，它的难度的确将很多学子挡在了门外。而我们却可以拥有这样一次接触的机会，其实想起来会突然觉得很开心，尤其是看了老师细致的演示后。

由于人比较多，只是看着别人实验，自己只和同学共同完成了实验二。而之后，终于在周五的晚上，和室友又一次来到了实验室，在女生节的夜晚，终于有了时间独立完成了实验。终于了解了网络分析仪的基本功能，掌握了校正方法，还利用其测量振子天线的输入阻抗。总而言之，算是段美好的回忆吧，也为接下来的微波技术中史密斯圆图的学习奠定了一点基础吧。