二维综合孔径微波辐射计圆环结构天线阵及其稀疏方法
国家自然科学奖推荐书-上海科学技术奖
一、项目名称：海气界面多平台探测关键技术及装备 二、项目简介 海气界面层内海洋、气象要素变化极为复杂，海气界面的温度、盐度影响着海洋牧场渔业活动，恶劣海况、低能见度等危险天气严重影响着战略通道航行安全，海洋表面大气波导制约着岛礁安全预警平台的效能发挥，海气界面环境的探测直接关系到国家海洋经济发展、海洋战略利益拓展和国防安全。项目针对海气界面环境立体观测体系建设中面临的天基全域探测、船基走航探测、岸基定点探测技术难题，突破多项关键技术，研制系列装备，技术创新为： 1、星载直接相关型全极化微波辐射海面全域探测技术。针对国内星载海面盐度探测装备空白，L波段盐度探测天线尺寸大，难以星载工程化应用，发明了L波段综合孔径辐射测量技术。发明了星载高精度直接全极化微波辐射接收方法。实现了海面风场全极化弱亮温信息的高灵敏度接收，亮温接收灵敏度优于0.25K；发明了相关型全极化微波辐射定标技术，全极化微波辐射计相位定标精度优于0.5°，幅度定标精度优于0.5dB。 2、船基双极化全固态毫米波航线剖面探测技术。针对基于微波回波信号测波定标困难、波浪参数反演精度低的难题，发明了毫米波干涉模式下的浪高直接测量技术和浪向反演技术,发明了Ka频段双极化全固态毫米波云雾探测和能见度反演技术。实现了能见度单点静态探测向水平、垂直和斜视全方位动态监测的转变，信号检测能力提高10dB以上。 3、岸基连续波和亚毫米波定点廓线连续探测技术。针对常规探空气球获取海气界面温湿风廓线存在低空盲区大、时间不连续等问题，发明了调频连续波相控阵超低空风廓线探测技术，将低空风廓线最低有效探测高度由100m降低到10m；针对风廓线回波信号弱、不易提取、易受有源电磁干扰等问题，发明了风廓线弱回波信号提取和抗有源干扰方法，干扰抑制30dB以上，有用信号功率增加13dB以上，研制了岸基亚毫米波大气温湿廓线探测装备，海气界面温湿廓线连续探测时间分辨率达毫秒级。发明点居国内领先水平。 已授权国家（防）发明专利35项，公开或实审发明专利11项。近三年，新增销售额4.67亿元；为国庆阅兵、北京奥运、南海岛礁建设等重大活动提供了有力支撑，取得了重大社会经济效益。获2011 年上海市技术发明一等奖，2015 年上海市科技进步一等奖。
天线辐射的方向特性
实验题目：天线辐射的方向特性 实验目的：理解天线辐射的相关原理知识，对天线的方向图及其相关参数有一定的认识，测定右手螺旋天 线的方向特性。 实验原理：任何实用天线的辐射都具有方向性。通常将天线远区辐射场的振幅与方向间的关系用曲线表示 出来，称为天线的辐射方向图；而将离开天线一定距离R 处的天线远区的辐射场量与角度坐标间的关系式称为天线的方向图函数，记为|F （θ，φ）|。天线的立体方向图一般难以画出，通常只画出E 面和H 面的方向图。 天线的方向图及其相关参数： 将方向图函数F （θ，φ）进行归一化后所绘制的方向图称为归一化方向图。 1）主瓣宽度 当天线E 面和H 面具有多瓣形状时，通常将天线最 大辐射方向所在的波瓣称为主瓣。如图中2θ0.5称为主瓣宽度。 2）副瓣电平 估计天线副瓣的强弱，一般用副瓣电平表示 3）前后比 天线最大辐射方向电平与其反方向电平之比。 4）方向性系数 天线在远场区最大辐射方向上某点的平均辐射功率密度与平均辐射功率相同的无方向性天 线在同一点的平均辐射功率密度之比： ?? = ππ ? θθ?θπ 20 2 sin ),(4d d F D 如果方向图与θ无关，那么有 ? = π θ θθπ 2 sin )(4d F D 效率： 天线的辐射功率P r 与输入功率P in 之比。 增益系数： 天线在远场最大辐射方向上某点的平均功率密度与平均功率相同的无方向性天线在同一点的 平均功率密度之比，记为G 。 等效高度： 在保持实际天线最大辐射方向上场强值不变条件下，假设天线上电流为均匀分布时无线的等效 高度。 实验内容：1、检查仪器，确保程序和机器的正常工作，调整接收天线和被测天线，使两者在初始状态时 在同一直线上； 2、启动程序和工作仪器，计算机将自动绘制方向图（平面）； 3、进行归一化处理； 4、根据作出的图象读出相关读数，并计算天线的相关参数。
天线辐射的方向特性
天线辐射的方向特性 一实验目的 1、理解天线辐射的相关原理知识，对天线的方向图及其相关参数有 一定的认识。 2、测定右手螺旋天线的方向特性。 二实验仪器 ①旋转天线盘；②喇叭形天线；③微波吸收器；④右手螺旋天线；⑤波导式天线；⑥计算机及测试软件。 三实验原理 辐射方向图： 任何实用天线的辐射都具有方向性，通常将天线远区辐射场的振幅与方向间的关系用曲线表示出来，这种曲线图被称之为天线的辐射方向图； 方向图函数： 将离开天线一定距离R 处的天线远区的辐射场量与角度坐标间的关系式称为天线的方向图函数，记为|F(θ,φ)|。电流元的远区辐射场量在相同距离R的球面上不同方向的各点，场强是不同的，它与|sinθ|成正比，因此，电流元的方向图函数，记为|F(θ, φ)| =| F(θ)| = |sinθ|。 为了画出电流元的辐射方向图，将电流元中心置于坐标原点，向各个方向作射线，并取其长度与场强的大小成正比，即得到一个立体图形，也就是得到电流元的立体方向图，它的形状像
汽车轮胎。如图1（a）所示。天线的立体方向图一般较难画出，通常只画出相互垂直的两个平面内的方向图，即E面和H面方向图。电流元E面的方向图处于子午面，即电场分量Eθ所处的平面内的方向图，故称为E面方向图，H面方向图处于赤道面内，即与磁场分量Hφ平行的平面内的方向图，故称为H面方向图。 (a) 立体方向图；(b) E面方向图；(c) H 面方向图 图1 电流元的方向图 二维平面方向图可以在极坐标系中绘制，也可以在直角坐标系中绘制，但在极坐标系中绘制的方向图较为直观，因此较为常用。在极坐标系中绘制的电流元的E面和H面方向图如图1(b)T和（c）所示。显然，E面方向图关于电流元的轴线呈轴对称分布，在θ=90?方向出现最大值“1”，其他方向上按矢径作出，而在轴线（θ=0?和θ=90?）上其值为零。在H面（θ=90?）上，各方向场强均相同，故其方向图是一个单位圆，这样，将E面方向图绕电流元的轴线旋转一周，即可得到电流元的立体方向图。 而天线设计是用来有效辐射电磁能的一种装置，实际中没
微波辐射计技术手册
地基多频段微波辐射计 技术手册 （HSMR） 长春市海思电子信息技术有限责任公司 2011年10月
目录 1 技术概况 (1) 2 接收机的原理与设计 (4) 3.1 技术要求和试验方法 (6) 3.2 接收机通道的测试 (7) 3.2.1噪声系数（A） (7) 3.2.2 接收机线性度测量（A） (7) 3.2.3 接收机灵敏度测量（A） (8) 3.2.4 接收机中频带宽测试（A） (9) 3.2.5 接收机工作频率测试 (9) 3.2.6系统抽样进行环境试验 (10) 3.3 设备检验 (10) 3.3.1 常规检验 (10) 3.3.2 交收检验 (10) 4 标志、保管和运输 (10) 5 软件技术条件 (11) 5.1 软件平台 (11) 5.2 软件功能 (11) 6 微波辐射计电缆连接标识 (12) 7 系统电磁兼容 (13) 8 系统的可靠性设计 (13)
9 系统接地要求 (14) 10 探测环境条件要求 (14) 10.1探测环境条件的要求 (14) 10.2探测场地的要求 (15) 10.3工作室要求及设备安置 (15)
1 技术概况 微波辐射计是宽频带、高增益、高灵敏度的被动微波遥感仪器，能够在很强的背景噪声中提取微弱的信号变化量。通过接收被测目标自身的微波辐射获取相应的物理特性，经过有效的数据反演进行定量分析。 本套产品的微波辐射计主要包括7个频率的仪器，在微波频率划分上分别是L、S、C、X、Ku、K和Ka，具体设计对应频率为1.4GHz，2.65GHz，6.6GHz，10.65GHz，13.9GHz，18.7GHz，37GHz。其中1.4GHz和2.65GHz为双极化天线，6.6GHz，10.65GHz，13.9GHz，18.7GHz，37GHz为喇叭天线，可以旋转机身转换极化测量，以求对岩石加载过程中微波多个频率点有深入细致的了解。 单极化接收各波段微波辐射计的原理框图如图1所示。 图1 微波辐射计接收通道原理框图 双极化微波辐射计利用双极化接收天线同时接收目标的微波辐射信息，由线性极化分离器分别获取水平极化和垂直极化信息，经两路接收通道进行处理。 数字控制单元完成射频开关的控制，并将测量得到的原始数据通过串行通讯送到主计算机。 L、S波段属于微波遥感应用频率的低端，极易受到其它电磁辐射源的影响，
Ka波段毫米波综合孔径辐射计成像研究
文章编号:1005-6122(2010)02-0085-05 Ka波段毫米波综合孔径辐射计成像研究* 陈柯朱耀庭郭伟李青侠桂良启靳荣 (华中科技大学电子与信息工程系,武汉430074) 摘要:华中科技大学电磁场与微波技术中心已经设计并研制出一套工作于K a波段的16阵元一维毫米波综合孔径辐射成像系统HU S T-A SR,样机采用了最小冗余稀疏直线阵列以及先进的数字相关技术。阵列幅相误差对综合孔径辐射计成像会产生严重影响,文中提出一种不增加系统硬件复杂度、易于实现的单外部辅助源校正方法,给出在辐射计低信噪比条件下的校正算法,并进行了成像试验验证。试验结果表明,该校正方法能够有效校正毫米波综合孔径辐射计的幅相误差,经过校正后的成像系统对自然场景实现了非常清晰的毫米波综合孔径亮温图像,空间分辨率达到0.64b,证明该系统具有良好的成像性能。 关键词:毫米波辐射成像,综合孔径辐射计,校正 Ka-BandM illi m eterW ave Aperture Synt hesis Radio m eter I magi ng Research CHEN K e,ZHU Y ao-ting,GUO W ei,LI Q ing-x i a,GUI L iang-q i,JIN R ong (E lectronics an d Information Eng i neering D epart m ent,H uazhon g Universit y of Science and T echnology,W uhan430074,Ch i na) Abstract:A n1-D(one-di m ensi onal)16-e l em ent K a-band m illi m eter w ave aperture synthesis radi om eter(A SR)i m a- g i ng sy stem,HU ST-A SR,w as deve l oped by C enter f o r E lectro m agne ti c F i e l d and M icro w ave T echno l ogy,Huazhong U n i ve r- sity of Science and T echno l ogy,w hich used m i ni m u m-redundancy thi nned li near array and advanced d i g ita l co rre lati on tech-no l ogy.Phase and a m plit ude errors of t he array have great i nfl uence on the A SR i m ag i ng.In t h is pape r,a si m p l e and effec-ti ve ca libration approach t hat m akes use o f si ng l e ex ternal source i n a known locati on and a cali brati on algor it h m for the low SNR conditi on of rad i o m e ter are proposed to ca li b rate the e rrors,wh i ch i s ver ifi ed by i m ag i ng exper i m ents.T he exper i m ent resu lts,som e good m illi m e ter w ave ape rt ure syn t hesis bri ghtness te mperature i m ages,show that phase and a m plitude ca libra-ti on are suffi c ientl y accura te to satisf y for the m illi m e ter w av e A S R requ ire m ents,and t he HU S T-A S R w i th0.64b sp ita l reso-luti on has good i m ag i ng pe rf o r m ance. K ey word s:M illi m e ter w ave rad i om etr i c i m ag i ng,A pe rt ure synthes i s rad i ome ter,C ali brati on 引言 毫米波辐射成像具有全天时全天候的工作能力,可以提供红外、光学探测器不能提供的特殊信息,因而在遥感和军事上获得了广泛的应用[1]。但是传统的单孔径、机械扫描成像方式在灵敏度和分辨率等方面已经不能满足日益增长的应用需求,近年来随着毫米波器件和计算机技术的飞速发展,综合孔径阵列成像技术从射电天文领域引入到辐射成像领域[2],发展成为一种新型的毫米波辐射成像方式。 综合孔径辐射计的基本思想是用稀疏排列的小孔径天线阵列合成大的实孔径天线,不同于传统辐射计,它应用了干涉测量的原理,利用不同基线的双通道相关辐射计对视场内场景亮温的空间频率域进行采样测量)))天文学上称之为可见度函数V,然后对其进行逆傅立叶变换得到场景亮温图像。综合孔径技术可以解决天线口径对空间分辨率的限制问题,而且无需扫描即可对视场瞬时成像,具有实时成像潜力。但是综合孔径辐射计这些技术上的优点是 第26卷第2期2010年4月 微波学报 J OURNA L O F M I CROW AV ES V o.l26N o.2 A pr.2010 *收稿日期:2009-07-14 基金项目:国家自然科学基金资助项目(40906089,60705018)
HY-2A卫星校正微波辐射计数据用户手册
HY-2A卫星校正微波辐射计数据 用户手册 国家卫星海洋应用中心 2011年5月
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目录 1 数据产品介绍 (1) 1.1 产品级别划分 (1) 1.2 产品文件命名 (1) 1.2.1 一级产品文件命名 (1) 1.2.2 二级产品文件命名 (1) 2 一级数据产品 (2) 2.1 数据处理流程 (2) 2.2 L 1A数据格式 (3) 2.2.1 产品数据结构 (3) 2.2.2 产品头文件 (4) 2.2.3 产品科学数据 (6) 2.2.4 科学数据各参数介绍 (9) 2.3 L 1B数据格式 (14) 2.3.1 产品数据结构 (14) 2.3.2 产品头文件 (14) 2.3.3 产品科学数据 (16) 2.3.4 科学数据各参数介绍 (19) 3 二级数据产品 (19) 3.1 数据产品制作流程 (19) 3.2 L 2A数据格式 (20) 3.2.1 产品数据结构 (20) 3.2.2 产品头文件 (20) 3.2.3 产品科学数据 (23) 3.2.4 科学数据各参数介绍 (25) 3.3 L 2B数据格式 (25) 3.3.1 产品数据结构 (25) 3.3.2 产品头文件 (26) 3.3.3 产品科学数据 (28) 3.3.4 科学数据各参数介绍 (31) 3.4 L 2C数据格式 (31) 3.4.1 产品数据结构 (31) 3.4.2 产品科学数据 (31)
1数据产品介绍 国家卫星海洋应用中心将载荷的HY-2卫星校正辐射计0级数据经过预处理、重采样和数据反演分别生成1级、2级产品。 1.1 产品级别划分 一级产品 1A：经过时间标识和地理定位后的数据。包括扫描时间，每扫描点地理定位；存储观测、定标计数的数据；天线温度校正系数，轨道运行状态、平台姿态等辅助信息；记录质量信息等。 1B：经过分pass，亮温计算，以及带有定位信息及描述信息的数据。 二级产品 2A：经过亮温重采样的数据，将1B中观测亮温平均成每秒一次。 2B：经过反演计算，将2A数据反演成海洋大气物理产品，并且包含2A的亮温产品。 2C：经过格式转换，将hdf格式转换为二进制格式的产品。 1.2 产品文件命名 1.2.1 一级产品文件命名 L 1A级：H2A_RC1ALnnnnn.yyyydddhhmm.h5 L 1B级：H2A_RC1Byyyymmdd_ccc_pppp.h5 其中： H2A：HY-2卫星 RC1：校正辐射计 L：拼站（含延时和实时数据拼接）数据 nnnnn：轨道号 yyyy：观测开始时间的年 mm：观测开始时间的月 dd：观测开始时间的日 ccc：CYCLE 号 pppp：PASS 号 1.2.2二级产品文件命名 L 2A级：H2A_RC1_000_2Av_ccc_pppp.h5 L 2B级：H2A_RC1_000_2Bv_ccc_pppp.h5 其中： H2A：HY-2卫星
微波辐射计应用场合与任务
目录 1微波辐射计应用场合与任务 (2) 2微波辐射计组成与关键技术 (3) 3微波辐射计研究热点与趋势（星载微波辐射计） (7) 4关于微波辐射计发展的思考建议 (9) 参考文献 (10)
微波辐射计（英语：microwave radiometer，缩写为“MWR”）也称为“微波辐射仪”，是一种用于测量亚毫米级到厘米级波长（频率约为1-1000GHz）的电磁波（微波）的辐射计。微波辐射仪能接收大气中的某些成分在一定频率上强烈辐射的微波，经过一定的转换方法，得到大气在垂直和水平方向上的气象要素分布，并且还可以探测到云状、云高以及目力无法观测到的晴空湍流。此仪器携带方便，可增加探空网在时间和空间上的密度，能观测到大气的连续变化，不致漏掉范围较小但变化剧烈的天气系统。微波辐射计是一款被动式微波遥感设备，微波遥感起步晚于可见光和红外遥感。但相对于可见光和红外遥感器而言，微波辐射计能全天候、全天时工作。可见光遥感只能在白天工作，红外遥感虽可在夜晚工作，但不能穿透云雾。 微波辐射计主要用于中小尺度天气现象，如暴风雨、闪电、强降雨、雾、冰冻及边界层紊流。对于短时间内生成或消散的中小尺度天气灾害，虽然只是地区性的，但部分事件危害性较大。在目前中尺度天气现象监测过程中，探空气球和天气雷达是常用的手段。探空气球会受到使用时间和空间的限制；天气雷达资料基本局限于降雨过程无降水时的欠缺；在离地面5公里范围内卫星遥感数据存在较大的误差。被动式地基微波辐射计的出现，填补上述研究方法监测方面的空白，是其有效的补充手段。微波辐射具有独立工作能力，能在几乎各种环境条件工作，非常适合于自动天气站。用于反演完整的大气廓线，反演数据和原始数据全部保存。提供完备的顾客定制或全球标准算法。主要应用如下：对流层剖面的温度、湿度和液态水，天气和气候模型研究，卫星追踪（GPS，伽利略）湿/干延迟和湿度廓线，临近预报大气稳定性（灾害性天气检测），温度反演检测、雾、空气污染，绝对校准云雷达，湿/干延迟改正VLBI技术。 微波辐射计是用微波进行遥感，从而对地物进行探测的微波接收机，在探测大气、海洋、植被和土壤等方面有广泛应用，而数据处理与控制单元作为微波辐射计的重要组成部分，承担了所有的驱动及控制功能，对时序及精度要求十分严格。由于系统对可靠性要求较高，故采用单片机作为220 GHz微波辐射计数控单元的核心，通过精确的时序控制，实现了数据采集、天线控制、状态提取、串口通信等功能。同时，该数控单元具有功耗低，采样精度高，接口简便等特点。微波辐射计，是利用被动的接收，各个高度传来的温度辐射的微波信号来判断温度、温度曲线，是一款被动式地基微波遥感设备，微波遥感起步晚于可见光和红外遥感。但相对于可见光和红外遥感而言，微波辐射计能全天候、全天时工作。可见光遥感只能在白天工作，红外遥感虽可在夜晚工作，但不能穿透云雾。微波辐射计是一种用于测量物体微波热辐射的高灵敏度接收机。通过测量天线接收到的辐射功率反演被观测目标的亮度温度;测量的物理量为亮度温度(K)。工作原理：辐射计天线接收的辐射能量来自地面物体的发射辐射和反射辐射，根据瑞利-金斯公式，物体发射的功率与温度成正比。物体的发射特性用辐射测量亮度温度表征。表征微波辐射计性能的主要参数是温度分辨率(灵敏度)和空间分辨率(角分辨率)。
11天线辐射的方向特性
实验报告：天线辐射的方向特性 一、实验题目： 天线辐射的方向特性 二、实验目的： 1 理解天线辐射的相关原理知识，对天线的方向图及其相关参数有一定的认识。 2 测定右手螺旋天线的方向特性。 三、实验仪器: 旋转天线盘、喇叭形天线、微波吸收器、右手螺旋天线、波导式天线、计算机及测试软件。 四、实验原理： 任何实用天线的辐射都具有方向性，通常将天线远区辐射场的振幅和方向间的关系用曲线表示出来，这种曲线图被称之为天线的辐射方向图；而将离开天线一定距离R 处的天线远区的辐射场量和角度坐标间的关系式称为天线的方向图函数，记为|F(θ,φ)|。电流元的远区辐射场量在相同距离R的球面上不同方向的各点，场强是不同的，它和|sinθ|成正比，因此，电流元的方向图函数，记为|F(θ, φ)| =| F(θ)| = |sinθ|。为了画出电流元的辐射方向图，将电流元中心置于坐标原点，向各个方向作射线，并取其长度和场强的大小成正比，即得到一个立体图形，也就是得到电流元的立体方向图，它的形状像汽车轮胎。如图1（a）所示。天线的立体方向图一般较难画出，通常只画出相互垂直的两个平面内的方向图，即E面和H 面方向图。电流元E面的方向图处于子午面，即电场分量Eθ所处的平面内的方向图，故称为E面方向图，H面方向图处于赤道面内，即和磁场分量Hφ平行的平面内的方向图，故称为H面方向图。
(a) 立体方向图； (b) E面方向图； (c) H面方向图 图1 电流元的方向图 二维平面方向图可以在极坐标系中绘制，也可以在直角坐标系中绘制，但在极坐标系中绘制的方向图较为直观，因此较为常用。在极坐标系中绘制的电流元的E 面和H面方向图如图1(b)T和（c）所示。显然，E面方向图关于电流元的轴线呈轴对称分布，在θ=90?方向出现最大值“1”，其他方向上按矢径作出，而在轴线（θ=0?和θ=90?）上其值为零。在H面（θ=90?）上，各方向场强均相同，故其方向图是一个单位圆，这样，将E面方向图绕电流元的轴线旋转一周，即可得到电流元的立体方向图。而天线设计是用来有效辐射电磁能的一种装置，实际中没有一种天线能在空间中任何方向辐射，故研究其辐射的方向性可以更好的了解天线特性。 天线的方向图及其有关参数 任何实用天线的远区辐射场都是随空间的位置而变化的，因此在球坐标系中（见图2所示）天线至场点距离r处的远区辐射场量只是角度θ，φ的函数，这个函数就是方向图函数F (θ, φ ) ，通常将方向图函数关于最大值Fmax(θ,φ)进行归一化的函数称为归一化方向图函数，记为F(θ, φ) /Fmax(θ, φ)。按归一化方向图函数绘制的方向图称为天线的归一化方向图。显然，图3中示出的电流元E面和H面方向图也是归一化的方向图（因为其最大辐射方向上的最大值为1）。
天线辐射
天线特性测量实验 一、偶极子天线特性实验 【实验目的】 1、理解半波偶极子天线的基本功能 2、测量半波偶极子天线E面的辐射模式 3、测量半波偶极子天线H面的辐射模式 【实验原理】 图1所示的是半波偶极子天线的结构模型和电流分布图。在图a中，总长度是半个波长，b中，电流的分布为在馈点值为最大，在两端点值为0。半波偶极子天线是一种谐振天线，它的输入阻抗为70+j0Ω。半波偶极子天线的辐射电阻为70Ω与输入阻抗中的电抗大小一样。通过调整天线的长度可以使输入阻抗变成纯电阻。下面的公式将解释长度为λ/2的一个半波偶极子天线的电流。电流流过Z轴，电流的分布由下面的公式（1）进行计算。在方程（1）中，馈点的电流大小为10，端点的大小为0。 电流引起的辐射电场由以下公式进行计算
波函数从公式2到下面的公式3中 功率的计算公式如下 根据公式4可绘出下面的2辐射图。电流从南边流向北，沿着着Z轴的正方向。在这个图中，最大辐射发生在θ=±90°的方向上，而在θ=0°,180°的方向上没有辐射。 在试验中使用的半波偶极子天线为914.5125MHz和2.45GHz，其波长大小如下 频率：914.5125GHz 波长:λ=c/f=3×108/9.15×109=328.04mm 半波长:λ/2=164.02mm 频率：2.45GHz
波长:λ=c/f=3×108/2.45×109=122.45mm 半波长:λ/2=61.22mm 为了将天线的输入阻抗中电抗部分去掉，根据公式，我们只需使天线的长度稍短于半个波长即可。这个比率称为天线的缩短比例，根据相对绝缘比例，波长的缩减比例大小如下所示： 在这个公式中，λ0代表在开阔场地的波长大小，λeff 代表有效波长。这个实验中使用的半波偶极子天线就是印刷在一个绝缘板上的。 图3所示的是对测量的辐射面的定义。这里方便地命名为E面和H面是为了更好的理解，实际的辐射面则在笛卡尔坐标系中定义。 图a在笛卡尔坐标系中的定义，粗的黑线画出的偶极子天线。图b所示的是当φ=00、θ从00到1800旋转时，在xz面测得的正面辐射图。测量结果显示在θ=900时辐射最大，在θ=00或θ=1800时辐射最小。图C显示在xz面上当角固定在θ=900、φ角从00旋转到3600时辐射模式的测量结果。测量结果显示当φ角为任意角时的全方向性特性。 【实验仪器】 微波天线实验系统：主机分别连接发射天线、接收天线和电脑。主机采用微控制器通过电脑采用步进电机控制接收天线的转动，同时采集接收天线的数据，从而绘制和分析天线辐射图、测量各种天线的特性、研究和设计天线、研究移动通信传输特性、移动通信传输环境影响研究等内容。 【实验步骤】 一、E面辐射的测量 1、分别在发射天线支架的一边和接收天线支架的顶端放置天线，保持发射天线和接收天线
天线基础知识介绍
天线基础知识介绍 2014-12-28DSRC专用短程通信技术 1.1 什么是天线？ 空间的无线电波信号通过天线传送到电路；电路里的交流电流信号最终通过天线传送到空间中去。因此，天线是空间无线电波信号和电路里的交流电流信号的一种转换装置，如图1所示。 图1 空间电波与电路电流通过天线转换的示意图 1.2 天线有哪些基本参数？ 天线既然是空间无线电波信号和电路中的交流电流信号的转换装置，必然一端和电路中的交流电流信号接触，一端和自由空间中的无线电波信号接触。因此，天线的基本参数可分两部分，一部分描述天线在电路中的特性（即阻抗特性）；一部分描述天线与自由空间中电波的关系（即辐射特性）；另外从实际应用方面出发引入了带宽这一参数。 描述天线阻抗特性的主要参数：输入阻抗。 描述天线辐射特性的主要参数：方向图、增益、极化、效率。 除了带宽之外，后文将对每个参数进行介绍。 图2 天线的一些基本参数
1.3 输入阻抗 天线输入阻抗的意义在于天线和电路的匹配方面。 当天线和电路完全匹配时，电路里的电流全部送到天线部分，没有电流在连接处被反射回去。完全匹配状态是一种理想状态，现实中，不太可能做到理想的完全匹配，只有使反射回电路的电流尽可能小，当反射电流小到我们要求的程度的时候，就认为天线和电路匹配了。 通常，电路的输出阻抗都设计成50Ω或者75Ω，要使天线和电路连接时匹配，那么天线的输入阻抗应设计成和电路的输出阻抗相等。但通常天线的输入阻抗很难准确设计成等于电路的输出阻抗，因此在实际的天线和电路的连接处始终存在或多或少的反射电流，即一部分功率被反射回去，不能向前传输，如图3所示。 描述匹配的参数如表1所示。电压驻波比和回波损耗都是描述匹配的参数，只是表达的形式不同而已。 图3 电流在传输线不连续处产生反射的示意图 表1 描述匹配的一些参数 参数 对参数的一些描述 电压驻波比（VS WR ） 设输入电流大小为1，被反射回去的电流为Γ，那么电压驻 波比为： （1＋Γ）／（1－Γ） 电压驻波比只是个数值，没有单位。 Γ＝1/3，电压驻波比则为2；当电流被全部反射时，Γ＝1，电压驻波比为＋∞；当没有反射电流时，Γ＝0，电压驻波 比为1。 反射功率按Γ2计算，如反射电流是Γ＝1/3，那么反射功率 是Γ2＝1／9。
一些天线基本知识
一些天线基本知识 一、电磁波产生的基本原理? 按照麦克斯韦电磁场理论，变化的电场在其周围空间要产生变化的磁场，而变化的磁场又要产生变化的电场。这样，变化的电场和变化的磁场之间相互依赖，相互激发，交替产生，并以一定速度由近及远地在空间传播出去。? 周期性变化的磁场激发周期性变化的电场，周期性变化的电场激发周期性变化的磁场。? 电磁波不同于机械波，它的传播不需要依赖任何弹性介质，它只靠“变化电场产生变化磁场，变化磁场产生变化电场”的机理来传播。? 当电磁波频率较低时，主要籍由有形的导电体才能传递；当频率逐渐提高时，电磁波就会外溢到导体之外，不需要介质也能向外传递能量，这就是一种辐射。在低频的电振荡中，磁电之间的相互变化比较缓慢，其能量几乎全部反回原电路而没有能量辐射出去。然而，在高频率的电振荡中，磁电互变甚快，能量不可能反回原振荡电路，于是电能、磁能随着电场与磁场的周期变化以电磁波的形式向空间传播出去。? 根据以上的理论，每一段流过高频电流的导线都会有电磁辐射。有的导线用作传输，就不希望有太多的电磁辐射损耗能量；有的导线用作天线，就希望能尽可能地将能量转化为电磁波发射出去。于是就有了传输线和天线。无论是天线还是传输线，都是电磁波理论或麦克斯韦方程在不同情况下的应用。? 对于传输线，这种导线的结构应该能传递电磁能量，而不会向外辐射；对于天线，这种导线的结构应该能尽可能将电磁能量传递出去。不同形状、尺寸的导线在发射和接收某一频率的无线电信号时，效率相差很多，因此要取得理想的通信效果，必须采用适当的天线才行！研究什么样结构的导线能够实现高效的发射和接收，也就形成了天线这门学问。? 高频电磁波在空中传播，如遇着导体，就会发生感应作用，在导体内产生高频电流，使我们可以用导线接收来自远处的无线电信号。? 二、天线? 在无线通信系统中，需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波，或者将无线电波转换为导波能量，用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。发射机所产生的已调制的高频电流能量（或导波能量）经馈线传输到发射天线，通过天线将转换为某种极化的电磁波能量，并向所需方向出去。到达接收点后，接收天线将来自空间特定方向的某种极化的电磁波能量又转换为已调制的高频电流能量，经馈线输送到接收机输入端。? 综上所述，天线应有以下功能：? １．天线应能将导波能量尽可能多地转变为电磁波能量。这首先要求天线是一个良好的电磁开放系统，其次要求天线与发射机或接收机匹配。? ２．天线应使电磁波尽可能集
微波辐射计定标
Comparison of Calibration Techniques for Ground-Based C-Band Radiometers Kai-Jen C.Tien,Student Member,IEEE,Roger D.De Roo,Member,IEEE,Jasmeet Judge,Senior Member,IEEE, and Hanh Pham,Student Member,IEEE Abstract—We quantify the performance of three commonly used techniques to calibrate ground-based microwave radiometers for soil moisture studies,external(EC),tipping-curve(TC),and internal(IC).We describe two ground-based C-band radiometer systems with similar design and the calibration experiments con-ducted in Florida and Alaska using these two systems.We compare the consistency of the calibration curves during the experiments among the three techniques and evaluate our calibration by com-paring the measured brightness temperatures(T B’s)to those estimated from a lake emission model(LEM).The mean absolute difference among the T B’s calibrated using the three techniques over the observed range of output voltages during the experiments was1.14K.Even though IC produced the most consistent calibra-tion curves,the differences among the three calibration techniques were not signi?cant.The mean absolute errors(MAE)between the observed and LEM T B’s were about2–4K.As expected,the utility of TC at C-band was signi?cantly reduced due to transparency of the atmosphere at these frequencies.Because IC was found to have a MAE of about2K that is suitable for soil moisture applications and was consistent during our experiments under different environmental conditions,it could augment less frequent calibrations obtained using the EC or TC techniques. Index Terms—Calibration,microwave radiometry,soil moisture. I.I NTRODUCTION G ROUND-BASED microwave radiometers have been used extensively to measure upwelling terrain emission in ?eld experiments for hydrology,agriculture,and meteorology [1]–[7].The total-power radiometer is of the simplest design compared to other designs such as Dicke and noise injection[8] and[9].The stability and consistency of the relation between the output voltage and the antenna temperature,i.e.,system gain and offset,are critical for radiometer operations.The system gain is highly sensitive to?uctuations in the physical tempera- Manuscript received June5,2006;revised September29,2006.This work was supported in part by the National Aeronautics and Space Administration’s ESS Graduate Student Fellowship(ESSF03-0000-0044)and in part by the University of Florida,Institute of Food and Agricultural Sciences. K.-J.C.Tien and J.Judge are with the Center for Remote Sensing,De-partment of Agricultural and Biological Engineering,University of Florida, Gainesville FL32611USA(e-mail:ktien@u?.edu;jasmeet@u?.edu). R. D.De Roo is with the Department of Atmospheric,Oceanic,and Space Sciences,University of Michigan,Ann Arbor,MI48109USA(e-mail: deroo@https://www.360docs.net/doc/c611452479.html,). H.Pham is with the Department of Electrical Engineering and Com-puter Science,University of Michigan,Ann Arbor,MI48109USA(e-mail: hpham@https://www.360docs.net/doc/c611452479.html,). Color versions of one or more of the?gures in this paper are available online at https://www.360docs.net/doc/c611452479.html,. Digital Object Identi?er10.1109/LGRS.2006.886420ture inside the radiometer requiring frequent calibration during radiometer operation for reliable and accurate observations. Many calibration techniques have been developed for mi-crowave radiometers for spaceborne and airborne[10]–[16] and ground-based radiometers[17]–[21].In general,calibration techniques include observations of radiometer output voltages for cold and hot targets with known brightness temperatures [8],[9].For radiometers operating at low frequencies away from the water vapor and oxygen absorption bands,such as C-band(6.7GHz),commonly used cold targets are liquid nitrogen or the sky.Hot targets include microwave absorbers or matched loads inside the radiometers.For a C-band ground-based microwave radiometer,the conceptually simplest cal-ibration technique using a microwave absorber at ambient temperature as a hot target is called“external calibration”(EC). Another widely used calibration technique that utilizes the sky measurements at different angles to calculate the optical depth of the atmosphere and the brightness temperatures of the sky is called“tipping curve calibration”(TC)[18],[19],[21].Either EC or TC can be used exclusively,or TC could be used to provide a better estimate of the sky measurement for EC.Both techniques are inconvenient to perform frequently for long-term soil moisture studies using ground-based C-band radiometers. Moreover,the utility of TC at C-band might be hampered by the high atmospheric transparency at low microwave frequencies [8].Another technique,“internal calibration”(IC),uses an internal matched load as the hot target.This technique has been used for spaceborne microwave radiometers,e.g.,SMMR [10],TMR[13],[14],and JMR[15],airborne radiometers [16],and ground-based radiometers[17].Unlike EC and TC, IC can be performed faster than gain?uctuation.Also,IC is neither sensitive to operator technique,to weathering of the delicate microwave absorber,nor does it require any additional hardware exclusively for the purpose of calibration.However, IC does not account for the losses in the antenna and trans-mission lines before the internal switch used to observe the matched load. In this letter,we quantify the performance of IC and validate it using EC and TC for long-term observations of soil moisture using two ground-based C-band radiometers.Our analysis is re-stricted to horizontal polarization(H-pol)because of its higher sensitivity to soil moisture than vertical polarization(V-pol)[8]. We describe two ground-based total-power radiometers with similar design:the University of Florida C-band Microwave Radiometer(UFCMR)and the C-band unit on the Truck Mounted Radiometer System3(TMRS-3C),as well as the calibration experiments conducted under signi?cantly different 1545-598X/$25.00?2007IEEE