天线方向图
天线方向图测量
发射天线接收天线传播电磁波近代物理实验实验报告成绩：班级姓名：同组者：教师：天线的方向图与极化特性测量【实验目的】一、了解天线的大体工作原理。
二、绘制并明白得天线方向图。
3、依照方向图研究天线的辐射特性。
【实验原理】一、天线的原理天线的作用第一在于辐射和接收无线电波，可是能辐射或接收电磁波的东西不必然都能用来作为天线。
要能够有效地辐射或接收电磁波，天线在结构和形式上必需知足必然的要求。
图1给出由高频开路平行双导线传输线演变成天线的进程。
如此的结构被称为开放式结构。
由结尾开路的平行双导线传输线张开而成的天线，确实是通常的对称振子天线，是最简单的一种天线。
天线辐射的是无线电波，接收的也是无线电波，但是发射机通过馈线送入天线的并非是无线电波，接收天线也不能把无线电波直接经馈线送入接收机，其中必需进行能量的转换。
图2是进行无线电通信时，从发射机到接收机信号通路的简单方框图。
天线除能有效地辐射或接收无线电波外，还能完成高频电流到同频率无线电波的转换，或完成无线电波到同频率的高频电流的转换。
因此，天线仍是一个能量转换器。
研究天线问题，实质上是研究天线所产生的空间电磁场散布，和由空间电磁场散布所决定的天线特性。
咱们明白电磁场知足麦克斯韦（Maxwell）方程组。
因此，求解天线问题实质上是求解知足必然边界条件的电磁场方程，它的理论基础是电磁场理论。
图1传输线演变成天线a.发射机c.b.图图2 无线电通信系统中的信号通道简单方框图二、 天线的分类天线的形式很多，为了便于研究，能够依照不同情形进行分类。
按用途分类，有发射天线，接收天线和收发公用天线。
按利用范围分类，有通信天线，雷达天线，导航天线，测向天线，广播天线电视天线等。
按馈电方式分类，有对称天线，不对称天线。
按利用波段分类，有长波、超长波天线，中波天线，短波天线，超短波天线和微波天线。
按天线外形分类，有T 形天线，V 形天线，菱形天线，鱼骨形天线，环形天线，螺旋天线，喇叭天线，反射面天线等等。
天线的方向图
介绍工程上采用的镜像法和反射系数法.
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元天线的镜像
三种情况的基本振子镜像
垂直基本振子的镜像电流与原电流等幅同相，即I’=I(称为正 像)；水平基本振子的镜像电流与原电流等幅反相，即I’=I(称为负像)；倾斜基本振子的镜像电流取向相反，镜像电流
的垂直和水平分量分别为原电流对应分量的正像和负像
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对于有限长度的对称振子天线，通常是以垂直和水平两种 方式架设在地面上。采用镜像法时，这两种架设方式的镜 像如下图所示。
对称振子的镜像
对称振子天线上的电流为正弦分布，但是可把天线分割成许多基 本振子，有基本振子的镜像的合成便是整个天线的镜像。镜像电 流满足如下规则： (1) 垂直对称振子，其镜像点电流与原电流等幅同相； (2) 水平对称振子，其镜像点电流与原电流等幅反相。 只要确定了天线上某点对应的镜像点，其镜像电流不难确定。
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则远区的总场为
E E0 E1 E0 1 me j
可见，二元阵总场方向图由两部分相乘而得，第一部分与 单元天线的方向图函数有关；第二部分称为阵因子，它与
单元间距d、电流幅度比值m、相位差和空间方向角有
关，与单元天线的型式无关。因此得方向图相乘原理：由 相同单元天线组成的天线阵的方向图函数等于单元方向图 函数与阵因子的乘积。
E
2 E0
sin d
cos
阵因子函数只与角有关，与角无关，说明阵因子方向图关于
阵轴旋转对称
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天线方向图的理论分析及测量原理分析
实验四、电波天线特性测试一、实验原理天线的概念无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。
电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。
可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。
天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。
对于众多品种的天线，进行适当的分类是必要的：按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等；等等分类。
选择合适的天线天线作为通信系统的重要组成部分，其性能的好坏直接影响通信系统的指标，用户在选择天线时必须首先注重其性能。
具体说有两个方面，第一选择天线类型；第二选择天线的电气性能。
选择天线类型的意义是：所选天线的方向图是否符合系统设计中电波覆盖的要求；选择天线电气性能的要求是：选择天线的频率带宽、增益、额定功率等电气指标是否符合系统设计要求。
天线的方向性发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。
天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力，这就是天线的方向性。
衡量天线方向性通常使用方向图，在水平面上，辐射与接收无最大方向的天线称为全向天线，有一个或多个最大方向的天线称为定向天线。
全向天线由于其无方向性，所以多用在点对多点通信的中心台。
定向天线由于具有最大辐射或接收方向，因此能量集中，增益相对全向天线要高，适合于远距离点对点通信，同时由于具有方向性，抗干扰能力比较强。
垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图。
立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。
天线的增益增益是天线的主要指标之一，它是方向系数与效率的乘积，是天线辐射或接收电波大小的表现。
天线方向图
因为天线方向图一般呈花瓣状，故又称为波瓣图，最大辐射方向两侧第一个零辐射方向线以内的波束称为主 瓣，与主瓣方向相反的波束称为背瓣，其余零辐射方向间的波束称为副瓣或旁瓣。
1.主瓣宽度：是衡量天线的最大辐射区域的尖锐程度的物理量。通常取天线方向图主瓣两个半功率点之间的 宽度。
2.旁瓣电平：是指离主瓣最近且电平最高的第一旁瓣的电平，一般以分贝表示。
3.前后比：是指最大辐射方向（前向）电平与其相反方向（后向）电平之比，通常以分贝为单位。
4.方向系数：在离天线某一距离处，天线在最大辐射方向上的辐射功率流密度与相同辐射功率的理想无方向 性天线在同一距离处的辐射功率流密度之比。
天线方向图
辐射方向图
01 定义
03 特性参数
目录
02 分类
基本信息
又叫辐射方向图（radiation pattern）、远场方向图（far-field pattern）。 所谓天线方向图，是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的图形，通常采 用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。 天线方向图可分为水平面方向图和铅垂面方向图。
定义
定义
天线立体方向图所谓天线方向图，是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化 的图形，通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。
天线方向图是衡量天线性能的重要图形，可以从天线方向图中观察到天线的各项参数。 天线方向图是用来表示天线的方向性的图，所谓的“天线方向性”，就是指在远区相同距离R的条件下，天 线辐射场的相对值与空间方向的关系。
天线方向图的测试(功率测试法)
天线方向图的测试
实验成绩指导老师签名
【实验目的】
(1)了解八木天线的基本原理
(2)了解天线方向图的基本原理。
(3)用功率测量法测试天线方向图以了解天线的辐射特性。
【实验使用仪器与材料】
(1)HD-CB-V 电磁场电磁波数字智能实训平台
(2)八木天线
(3)电磁波传输电缆
【实验原理】
八木天线的概念：由一个有源半波振子，一个或若干个无源反射器和一个或若干个无源引向器组成的线形端射天线。
八木天线有很好的方向性，较偶极天线有高的增益。
用它来测向、远距离通信效果特别好。
方向图是表征表示场强对方位角变化的极性图形，在本实验中，接收端用功率计来测量接收天线的辐射特性。
连接示意图：
【实验步骤】
首先将八木天线分别固定到支架上，平放至标尺上，距离保持在1米以上。
(一)发射端
1.将八木天线固定在发射支架上。
2.将“输出口2”连接至发射的八木天线。
3.电磁波经定向八木天线向空间发射。
(二)接收端
1.接收端天线连接至“功率频率检测”，测量接收功率。
2.调节发射与接收天线距离，使其满足远场条件。
3.将两根天线正对保持0度。
4.记录下天线的接收功率值。
5.转动接收天线，变换接收天线角度，记录下天线接收功率值。
八木天线的方向图及阻抗匹配和极化匹配
八木天线的方向图及阻抗匹配和极化匹配一、实验原理（1）八木天线是由一个有源振子(一般用折合振子)、两个无源振子：反射器（长的）和若干个无源引向器（短的）平行排列而成的端射式天线。
主瓣方向由有源振子指向引向器。
引向器略短于二分之一波长，主振子等于二分之一波长，反射器略长于二分之一波长，两振子间距四分之一波长。
此时，引向器对感应信号呈“容性”，电流超前电压90°;引向器感应的电磁波会向主振子辐射，辐射信号经过四分之一波长的路程使其滞后于从空中直接到达主振子的信号90，恰好抵消了前面引起的“超前”，两者相位相同，于是信号迭加，得到加强。
反射器略长于二分之一波长，呈感性，电流滞后90°，再加上辐射到主振子过程中又滞后90°，与从反射器方向直接加到主振子上的信号正好相差了180，起到了抵消作用。
一个方向加强，一个方向削弱，便有了强方向性。
发射状态作用过程亦然。
（2）阻抗匹配天线的一个重要特征，那就是“输入阻抗”。
在谐振状态，天线如同一只电阻接在馈线端。
常用馈线阻抗为50Ω，如果天线输入阻抗也是50Ω，那就达到了“匹配”，电台输出的信号就能全部从天线上发射出去；如果不“匹配”，一部分功率就会反射回电台的功放电路。
阻抗完全匹配才能达到最大功率传输。
不匹配时，发射机发射的电波将有一部分反射回来，在馈线中产生反射波，反射波到达发射机，最终产生为热量消耗掉。
接收时，也会因为不匹配，造成接收信号不好。
完全匹配，将不产生反射波，这样，在馈线里各点的电压振幅是恒定的。
阻抗完全匹配才能达到最大功率传输。
（3）极化匹配收、发信双方保持相同"姿势"为好。
振子水平时，发射的电波其电场与大地平行，称"水平极化波"，振子与地垂直时发射的电波属"垂直极化波"。
收发双方应该保持相同的极化方式。
二、实验目的1、学习测量八木天线方向图方法2、测量八木天线在阻抗匹配条件下的反射系数3、研究在不同极化方式下的八木天线的功率变化。
天线方向图波动及高增益天线影响
图5.6.两个基站天线接收功率曲线 两个基站天线接收功率曲线
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差异 可能 原因
1
两个接线的基站的天线方向图相互作用
1.本地振荡器不稳定性是否这种差异性的起因？ 本地振荡器不稳定性是否这种差异性的起因？ 本地振荡器不稳定性是否这种差异性的起因 1 将许多次在不同时间内进行的相同实验的实验数据 进行比较，发现在下一个时间间隔内这种差异性仍远存 在，考虑到此时这些数据结果的不重复性，这些不同实 验数据的分析结果证明了接收机振荡器的不稳定性并不 是起因。
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5.3天线方向图波动影响 天线方向图波动影响 5.4高增益天线影响 高增益天线影响
上海师范大学-肖龙 上海师范大学 肖龙-2012-3-27 肖龙
内容
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1. 天线方向图 2. 天线方向图波动影响 3. 高增益天线影响
1. 天线方向图
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图5.8b
第三步： 第三步：分析在测试的扇区内跨越一条特殊的辐射线路传播时，两 个基站接收天线间记录的功率差。例如，选择六根辐射线（θ1~θ 6 ），如图5.8a所示，两个天线的功率差都在基站记录下来，而移动 台每个时刻都跨越每一条特殊的辐射线。
可以观察到移动台在通过同一条辐射线时都会产生恒定信号差。 可以观察到移动台在通过同一条辐射线时都会产生恒定信号差。这证 明了 ，在任意一条辐射线上由于波动影响能造成仅在两个基站天线方向 图之间有恒定差异的结果。（如图5.8b 。（如图5.8b） 图之间有恒定差异的结果。（如图5.8b）
图5.8a
图5.8b
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结论
基站天线方向图的波动是由多元阵结构的天线间 交互作用造成的。因而，天线方向图的波动对基 站接收和发射信号具有显著影响。
天线方向图软件设计与实现
卫星导航信号模拟器是一种高精度的标准信号源，可以为导航接收机的研制开发、测试提供仿真环境。
其中一个重要仿真项是导航接收机的天线方向图仿真。
所谓天线方向图，是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的图形，天线方向图是衡量天线性能的重要图形，可以从天线方向图中观察到天线的各项参数。
设计并实现接收机天线方向图软件可以提供对天线方向图的简单建模，从而模拟真实的接收机天线，提高卫星导航信号模拟器的真实环境仿真能力。
本文结合业务需求，运用面向对象思想完成了软件开发，并在软件设计中引入设计模式，通过测试验证软件可行。
1 天线方向图软件概述天线方向图软件采用所见即所得的设计理念，分为命令区域、编辑区域、二维可视化区域、三维可视化区域。
在命令区域，可通过下拉菜单、工具栏也可以进行上镜像、下镜像、左镜像、右镜像操作；在编辑区域，用户可以对视窗内的数据进行编辑，可以进行单点改变、行改变、列该变、矩形改变；二维可视化区域用于显示天线方向图的平面效果；三维可视化区域显示天线在三维世界中的状态。
如图1所示：图 软件界面天线方向图软件涉及设计模式、OpenGL 、Qt 等技术，本文主要讨论该软件和设计模式相关的两个部分：多界面的显示同步和用户操作。
2 多界面的显示同步设计我们在对天线方向图的任何编辑操作，如点操作、行操作、镜像操作，同时要求在二维可视化区域、三维可视化区域、编辑区域同时得到显示。
这正是观察者模式能够解决的问题，这一模式中的关键对象是目标和观察者。
一个目标可以有任意数目的依赖它的观察者。
一旦目标的状态发生改变，所有的观察者都得到通知。
作为对这个通知的响应，每个观察者都将查询目标以使其状态与目标的状态同步。
天线方向图的UML 静态结构图，如图2所示。
图2 观察者模式在软件中应用和观察者模式有些差异的是，观察者接口有两个接口可以获取到当前状态更新，一个是数据本身发生改变，另一个是观察区域发生改变。
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1、仿真方向图基于如下定义天线与坐标的关系：天线安装在球坐标的原点上，天线法向（与安装平面垂直）或轴向为z轴，指向天顶，如下图所示。
Theta（θ）面方向图：指phi取恒定值的平面；theta从0到360°，其中0～180°对应球坐标中x>0的0～180°，180～360
对应球坐标中x<0的180～0°，方向图均为功率方向图。
对于喇叭、微带天线等定向辐射天线而言，通常所说的E、H面是theta面的两个特例。
Phi（φ）面方向图（水平面）：指Theta 取恒定值的锥面，phi从0到360°。
E-theata分量（垂直面）：Theta＝0°附近对应为水平极化分量的一部分（垂直极化振子天线的零点区域，即垂直振子无水平极化分量，常规微带天线水平极化分量大）；Theta＝90°附近时，对应垂直极化分量（垂直极化振子天线的最大辐射区域，即垂直振子为垂直极化天线，常规微带天线垂直极化分量较小，约－8dBi）。
E-phi 分量：电场矢量与z轴垂直，theta＝0°附近对应为水平极化分量的一部分；theta＝90°附近时，对应全部水平极化分量。
总场：Etheta与Ephi的之合成，或者垂直与水平分量之合成，相当于分集接收的效果。
天顶
2、方向图形状定义为了形象地描述某些具有一定特征的天线方向图，定义几个名词，仅限于本网站，与其它场合可能有所区别。
名词轴向增益θ＝0°低仰角θ＝80°旋转对称性典型形状典型天线桃子形方向图5 -4 Y 微带天线、振子天线半球形方向图 2 0 Y 四臂螺旋天线、特种微带天线南瓜形方向图-1 1 Y 四臂螺旋天线、特种微带天线全向方向图<-10 2 Y 振子天线、特种微带天线偏轴方向图0 3 N 特种微带天线葫芦形方向图-10 3 N 特种微带天线
实例：
l “葫芦形”方向图。
最大辐射方向：＋Y，－Y轴方向，适用于需要覆盖狭长空间的场合
l 体积小：相当于普通微带天线的尺寸
l 相对带宽：约5.5％（VSWR<1.5），13%（VSWR<2）
l 可以增加第二个频率的微带天线，半球形方向图，厚度增加约4mm。
l 天线形式：微带天线
l 极化：垂直线极化（E-syt）
l 3dB波束宽度：水平面（=90°）70°，垂直面（＝90°）110°
l 增益：>4dB（两个主瓣方向）
l 安装方式：微带天线面位于球坐标的XOY平面，可以直接安装在金属体上，也可以安装在非金属介质上，方向图稍微有变化。
仿真实例：1.9GHz通讯天线
仿真结果：
图1 仿真模型（从上到下：辐射片、介质、安装面、插座。
介质芯片尺寸：直径80mm×厚5mm；仿真的安装面尺寸：直径90mm）
图2 驻波比
图3 立体方向图
图4 Phi面方向图：Etheta分量，theta＝20,30,40,50,60,70,80,90°
图5 Theta面方向图：E-theata分量，phi=0，44，92°
球坐标系
球坐标是一种三维坐标。
设P（x，y，z）为空间内一点，则点P也可用这样三个有次序的数r，φ，θ来确定，其中r为原点O与点P间的距离，θ为有向线段与z轴正向所夹的角，φ为从正z轴来看自x轴按逆时针方向转到有向线段的角，这里M为点P在xOy面上的投影。
这样的三个数r，φ，θ叫做点P的球面坐标，这里r，φ，θ的变化范围为
0 ≤ r < +∞,
0 ≤φ≤ 2π,
0 ≤θ≤ π.
r =常数，即以原点为心的球面；
θ=常数，即以原点为顶点、z轴为轴的圆锥面；
φ=常数，即过z轴的半平面。
其中
x=rsinθcosφ
y=rsinθsinφ
z=rcos。