第一章 天线增益测量
天线原理与设计—第一章天线参数
1.2 天线主要的特性参数
圆极化和椭圆极化
对于两个相互垂直的线极化波，当他们幅度相同 相位相差 90°是形成圆极化波，当他们幅度不同 的时候，则形成椭圆极化波。他们根据旋转方向 不同，又分为左旋和右旋。
1.2 天线主要的特性参数
天线的极化
• 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致 时，接收到的信号都会变小，也就是说，发生极 化损失。 • 当接收天线的极化方向与来波的极化方向完全正 交时，例如用水平极化的接收天线接收垂直极化 的来波，或用右旋圆极化的接收天线接收左旋圆 极化的来波时，天线就完全接收不到来波的能量， 这种情况下极化损失为最大，称极化完全隔离。
辐射近场区的场以辐射场为主，但场随空间角度的分 布会随 R 的变化而变化，场的径向分量也有可能较大。 这一区域的范围一般定义为 （D > ）。 当天线的尺寸与波长相比很小时，这一区域可能不存 在。对于聚焦于无穷处的天线，这一区域也称为菲涅 耳(Fresnel)区。 远场区则是我们最关心的区域，我们的测量几乎都必 须在这个区域内进行。
1.1 空间源产生的场
L=lambda/2
L=3*lambda/2
1.1 空间源产生的场
一般根据R的变化可以将空间分为感应近场区、辐射近 场 区 （ 菲 涅 耳 区 Fresnel ） 和 远 场 区 （ 夫 琅 和 费 Fraunhofer）三个区，如图所示。
1.1 空间源产生的场
感应近场区的场主要是感应场，其外边界一般定义 为 ，其中，D为天线的最大尺寸，为 工作波长。如果天线是非常短的偶极天线，其外边界 定义为 。。
1.2 天线主要的特性参数
主瓣宽度
场强从主瓣最大值下降到最大值的0.707倍或功率从 主瓣的功率最大值下降到主瓣功率最大值一半时两 点之间的角度 主瓣宽度通常指方向 图某个截面内的主瓣 宽度。如果天线方向 图不是旋转对称的 ， 则各个截面内的主瓣 宽度不等。一般情况 下主要考虑 E 面和 H 面 内的主瓣宽度。
天线增益的计算公式
天线增益的计算公式天线增益是描述天线辐射功率相对于理想点源天线的增加量。
它用于比较不同天线的辐射效果，通常以分贝(dB)为单位。
在计算天线增益时，我们需要知道以下几个参数：1.方向性：天线的方向性是指其辐射功率在不同方向上的分布情况。
受到制约的天线会使辐射功率在一些方向上得到增强，从而提高了天线的增益。
2.前向增益：前向增益是指天线在最大辐射方向上的辐射功率与相同功率的理想点源天线的辐射功率之比。
它是用来衡量天线在最大辐射方向上的辐射效果。
3.方向图：天线的辐射方向图描述了其辐射功率在空间中的分布情况。
通过方向图，我们可以确定天线在不同方向上的辐射功率，从而计算出其增益。
根据这些参数，天线增益可以通过以下两种方法计算：1.粗略估算方法：1.1.单源公式：对于天线的偶极子辐射，可以使用以下公式来计算增益(G)：G=4π(辐射功率)/(总辐射功率)其中，辐射功率是指天线在一些方向上的辐射功率，总辐射功率是指天线在全球范围内的辐射功率。
1.2.估算方法：对于天线的指向性辐射，我们可以使用以下公式来计算增益(G)：G = 10log(辐射功率/平均辐射功率)其中，辐射功率是指天线在一些方向上的辐射功率，平均辐射功率是指天线在全方向上的平均辐射功率。
2.精确计算方法：在精确计算天线增益时，我们需要考虑天线的方向图以及其工作频率。
具体的计算方法如下：2.1.先测量天线的方向图：使用天线测试仪器，测量天线在不同方向上的辐射功率。
2.2.计算辐射效果：使用以下公式来计算天线在一些方向上的增益(G)：G(θ) = 10log(辐射功率(θ)/比较功率)其中，辐射功率(θ)是指天线在方位角θ处的辐射功率，比较功率是参考天线的辐射功率。
通过测量和计算，我们可以得到天线在不同方向上的增益值。
总的天线增益可以通过取所有方向上的增益的最大值来确定。
在实际应用中，天线增益是一个非常重要的参数，可以用于引导电信系统的设计和优化，以便提高系统的性能和覆盖范围。
天线增益的简易测试
天线增益的简易测试BG1LQX 05-10-10 1、天线增益的定义：G=η*D 增益=方向性*效率半波振子方向性为1.64，由于结构简单没什么损耗，故效率很高，其增益为1.64，用dBi 表示，即2.15dBi(i即以各向同性的点源为参考)增益的测量一般用比较法：A.在相同条件下，某天线收到的功率与半波振子收到的功率之比即相对与半波振子的增益dBd，再加2dB即得dBi。
Gd=P0/Pd |发射功率相同B.在相同条件下，某天线在其最大辐射方向上某一点的功率密度与半波振子天线在同一点的功率密度之比，即：Gd=S0/Sd |发射功率相同C.在相同条件下，某天线在其最大辐射方向上某一点的场强的平方与半波振子天线在同一点的场强的平方之比，即：Gd=|E0|^2/|Ed|^2 |发射功率相同D.在相同条件下，半波振子天线与某天线在最大辐射方向上同一点处产生相同场强时发射，功率控制单元是自电源（参见：自制（参见：4，测试步分贝表示：Gg（dB）=10lg（Pg/Px）5实物照片如下：为使增益数值可以从微安表头直接读出，免去计算的麻烦，从新推导计算了，表头指针偏转角度和功率，增益分贝之间的对应关系，并对功率测量的非线性误差做了三段补偿，绘制了包含两条增益刻线、一条功率刻线和一条相对场强刻线的表盘，这样就可以直接读出测试功率和天线增益了，而且对于测量功率的精度要求也降低了，只要求相对功率比率，绝对功率数值并不重要了。
测试原理相同，操作方法略有不同。
第一步，接好参照天线，开关拨向功率/增益，调整发射功率使表头指针指到0dB处。
将开关拨向场强，适当调整场强旋扭，使场强为一确定读数。
第二步，替换参照天线为被测天线，开关保持在场强位置，不要再调整场强旋扭，调整功率旋扭，使场强读数与参照天线时读数相同。
将开关拨回功率增益位置，此时读出的分贝数，即是该天线的增益。
改变给定频率，重复以上步骤，可测出增益-频率曲线，如果场地条件允许，改变被测天线和场强接收天的水平角度可测水平方向图，改变仰角可测垂直方向图。
第一章 天线增益测量
天线与电波教学实验指导书实验三 天线增益测量3．1实验内容和目的：用绝对测量法（即测传播损耗的方法）和相对测量法（即比较法）测量喇叭天线的增益，掌握天线增益的一般测量方法。
3．2测量原理1．天线增益的绝对测量根据福里斯公式，当发射功率为P t ，发射天线增益为G t ，接收天线增益为G r ，收发天线相距 R ，则位于远场区的接收天线的最大接收功率为2244⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⋅=R G G P A RG P P r t t r er tt r πληπ当收发天线完全相同即G t =G r =G 时，接收功率为2244⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛=⋅=R G P A R G P P t r er tt r πληπ由此可求出每个天线的增益为G P P R r t =⋅4πλ如用dB 表示，则为⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+⎪⎭⎫ ⎝⎛=t r P P R dB G lg 10214lg 10)(λπ因此,如果测出收发电平差、工作频率和收发距离，即可通过上式求出被测天线的增益。
2．天线增益的相对测量被测天线增益G 和参考天线增益G 0间存在简单的关系：G=gG 0式中，g 是被测天线相对于参考天线的增益。
因此如果参考天线的增益已知，只要测出g ，即可按上式求出被测天线的增益。
用比较法测天线增益，常用半波对称振子(或折合振子)作线天线的标准增益天线（其增益约为1.64或2.15dB ）；常用按最佳方向性系数设计的标准增益喇叭作面天线的增益标准天线，其增益理论设计值和实际值相当吻合，可按下式估算：)(4lg 102dB Ak D G λπ≈≈式中，A 是喇叭口面面积，k 是口面利用率。
对角锥喇叭天线k 取0.51。
3. 天线增益的综合测量设三个不同天线的增益分别为G G G 010203、、,先用比较法测得1和2对3的相对增益0302203011G G G G G G ==，当G 03已知时，则0320203101G G G G G G ==，，用dB 表示,即)()()()()()(0320203101dB G dB G dB G dB G dB G dB G +=+=， 当G dB 03()未知时，可用上述1项（天线增益的绝对测量）的方法测出G dB G dB 0102()()+，与上两式联立求出G dB 03()。
天线增益测试方法
天线增益测试方法引言：天线增益是天线在特定方向上辐射或接收无线信号的能力。
在无线通信系统中，天线增益的测试是非常重要的，因为它直接影响到信号的传输和接收质量。
本文将介绍几种常用的天线增益测试方法。
一、理论计算法理论计算法是一种基于数学模型的天线增益测试方法。
它通过天线的物理特性参数以及信号传输的理论模型，计算出天线在特定方向上的增益值。
这种方法通常需要天线的几何参数、频率、天线材料等信息，并结合天线辐射方向图和功率密度图进行计算。
理论计算法具有较高的精度和准确性，但需要掌握天线理论知识和专业计算工具。
二、场强测试法场强测试法是一种实测天线增益的方法。
它通过在特定位置上设置场强测试仪器，测量天线接收到的信号强度，然后与参考天线进行对比，计算出天线的增益值。
场强测试法可以直接测量天线的实际性能，适用于各种类型的天线。
但需要在实际测试中考虑到环境因素对测试结果的影响。
三、标称增益测试法标称增益测试法是一种基于天线制造商提供的标称增益值进行测试的方法。
它通过查阅天线的规格书或制造商提供的技术资料，找到天线的标称增益值，并在实际使用中进行验证。
这种方法简单直接，适用于无法进行准确测量的情况。
但需要注意，标称增益值是制造商提供的理论值，实际性能可能会有一定差异。
四、比较测试法比较测试法是一种通过对比不同天线的性能进行测试的方法。
它通过选择一组具有不同增益的天线，在相同条件下进行测试，然后比较它们的信号强度，计算出增益值。
这种方法简单易行，适用于快速测试和筛选天线。
但需要注意选择合适的参考天线和测试环境，以保证测试结果的准确性。
五、模拟仿真法模拟仿真法是一种使用电磁场仿真软件进行天线增益测试的方法。
它通过在仿真软件中建立天线模型、设定工作频率和辐射方向，进行电磁场仿真计算，得出天线的增益值。
这种方法可以模拟不同工作条件下的天线性能，提前评估天线的性能。
但需要具备电磁场仿真软件的使用技能和较高的计算资源。
六、实测法实测法是一种直接在实际应用环境中进行天线增益测试的方法。
天线测量-时域应用
天线测量-时域应用第一篇：天线测量-时域应用三．天线的增益和方向图测量在天线外场测试中，地面或周围环境的反射要对增益和方向图的测量结果带来或大或小的误差。
1．测量误差分析图3 天线测试示意图如图3，两相距D米，高度为H米的收发天线架设在反射系数为r的地面上。
因天线的方向性，假设发射天线辐射到O点的场强是最大值的倍，接收天线接收到O点反射波场强是其最大值的倍。
接收天线的接收场强由直射波场强E1和反射波场强E2构成。
两波的路程差为:(7)假设直射波的场强E1归一化为1，则(8)合成波的场强E为:(9)A．增益的测试误差分析天线的增益测量一般采用比较法，因为被测天线往往与标准天线的形状不一样，即使这两种天线架设在同一位置，相位中心也不一定重合，假设被测天线比标准天线距发射天线近L米，则两波的路程差变为:(10)合成波的场强为:(11)引起的增益误差为：(12)B．方向图测试误差分析同样的道理，天线在旋转过程中，有时相位中心没在转轴上，假设相位中心距转轴的距离为L，转动的起始角在收发天线的连线上。
则两波的路程差为:(13)合成波的场强为:(14)图4 合成波随天线间距变化关系图5 合成波随被测天线旋转变化关系图4中取k1=0.4 k2=0.5 r=0.9 H=3 f=1GHz；图5中取k1=0.8 k2=0.9 r=0.9 H=3 D=10 L=0.2 f=1GHz。
如果只有直射波，归一化场强为1；可看出反射波带来±0.4倍（±2dB）左右的误差。
误差可以通过减小地面反射系数，增加天线架设高度和提高发射天线的增益来减小，但很多时候不容易做到，最彻底的方法是采用时域技术去掉反射。
2．时域应用方法反射给我们的方向图测试结果造成误差，我们现在用安立公司的矢量网络分析仪MS4623B加时域功能OPTION2把它滤掉，其具体的方法是：A．根据天线的架设情况计算出反射波与直射波的路程差和时延大小。
天线增益测量.
第一章概念1.1 定义1.1.1 功率增益天线在某方向上的辐射强度（每单位立体角内天线所辐射的功率）与天线从其信号源所得的净功率的比值称为天线在该方向的功率增益。
功率增益表征天线固有的性质，不包括因阻抗或极化失配所引起的系统损失。
在确定整个系统的功率传递时，要测量和考虑天线的输入阻抗与天线的极化。
1.1.2 峰值功率增益功率增益的最大值称为峰值功率增益。
本文所指的公路增益测量均为峰值功率增益测量，知道了辐射方向图就可确定任何其它方向的增益。
1.2 测量方法概述1.2.1功率增益测量方法分类功率增益测量方法可分为两大类：绝对法和比较法。
1.2.1.1 绝对法分类绝对增益测量不需要预先知道测量中所使用的任一天线的增益。
这种方法通常用于增益标准天线的定标。
除了专门从事标准定标的实验室外，其它实验室很少采用这种方法。
1.2.1.2 增益传递法增益传递发也称增益比较法，它是增益测量最常用的方法。
用这种方法进行测量时，需使被测天线的增益与增益标准的增益天线进行比较。
1.2.2 确定天线功率增益所采用的技术确定天线功率增益所采用的技术因天线的工作频率而异。
1.2.2.1 1GHz以上的频率在1GHz以上的频率，通常采用自由空间测试场进行功率增益测量。
对这些频率，可采用微波技术，例如可采用电磁喇叭等波导元件。
1.2.2.2 0.1‐‐1GHz之间的频率对于0.1‐‐1GHz之间的频率，通常用地面反射测试场进行测量。
在这一频率范围内工作的天线通常安装在诸如飞机之类的构件上，这些构件会影响天线的性能。
此时可采用比例模型技术。
然而，只要比例模型天线制作的合适，其方向性与原型天线的方向性是相同的，故可以测量比例模型天线的方向性，再用其它方法测出原型天线的效率，从而求得功率增益。
可使装有原型天线的飞机相对于一个适当的地面站按规定的路线飞行，以证实方向性测量结果。
可用原型被测天线测出系统性能，并与比例模型的测量结果进行比较。
天线增益测量的不确定度评定
!"# $%&’()* $%+,)-.-*/ ; . 天线之间互耦引入的相对不确定 度 由于收、发天线之间的距离有限，造 成天线之间的互耦，产生测量不确定度。 设天线的口面利用系数为 A，散射系数为 "， 则 天 线 互 耦 引 入 的 误 差 限 区 间 半 宽 为：
有限距离修正因子是经计算给出的， 修正误差的可信度取为 /56 ，则 "8 的自 由度为： !8 1 2 8 . 极化失配引入的标准不确定度 由于天线的轴比有限，产生极化失配 误差， 经测量， 天线 - 的轴比 9:- 1 ,,4 -、 天线 2 的轴比 9:2 1 ,84 ;。对于收发天线 旋向和倾角相同的情况，经计算极化效率 为 54 <<=/， 因极化失配引入的误差限区间 半宽为 != 1 54 2/6 。其概率为均匀分布， 相对标准不确定度 "= 为：
图$
天线增益测量原理图
设三个天线的增益分别为 %$、 %& 、 %’ ， 对于天线 $ 作发射，天线 & 作接收的情
发天线之间的距离。 ) 为收、 根据信号源和负载之间的功率传输 关系， 有：
式中：($ 为天线 $ 的输入功率； (& 为天线 & 的接收功率； ! 为发射信号的波长；
安全 与 电 磁 兼 容 "##!$ !
图6
硅橡胶和丝网挤出条
第二种是定向蒙乃尔丝或铝丝垂直 嵌入硅 9 氟硅橡胶中的衬垫。可以板材条 材的形状提供。价格大大低于导电橡胶， 无复杂剖面形状。 应用实例 电磁屏蔽衬垫广泛地应用于无线通 信基站和手机。以下为两个实例： 无线通信基站中的铝铸件元件需要 进行电磁屏蔽和环境密封。但由于该类元
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天线与电波教学实验指导书
实验三 天线增益测量
3．1实验内容和目的：
用绝对测量法（即测传播损耗的方法）和相对测量法（即比较法）测量喇叭天线的增益，掌握天线增益的一般测量方法。
3．2测量原理
1．天线增益的绝对测量
根据福里斯公式，当发射功率为P t ，发射天线增益为G t ，接收天线增益为
G r ，收发天线相距 R ，则位于远场区的接收天线的最大接收功率为
2244⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=⋅=R G G P A R
G P P r t t r er t
t r πληπ
当收发天线完全相同即G t =G r =G 时，接收功率为
2244⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛=⋅=R G P A R G P P t r er t
t r πληπ
由此可求出每个天线的增益为
G P P R r t =⋅4πλ
如用dB 表示，则为
⎪⎪⎭
⎫ ⎝⎛⨯+⎪⎭⎫ ⎝⎛=t r P P R dB G lg 10214lg 10)(λπ
因此,如果测出收发电平差、工作频率和收发距离，即可通过上式求出被测天线的增益。
2．天线增益的相对测量
被测天线增益G 和参考天线增益G 0间存在简单的关系：
G=gG 0
式中，g 是被测天线相对于参考天线的增益。
因此如果参考天线的增益已知，只要测出g ，即可按上式求出被测天线的增益。
用比较法测天线增益，常用半波对称振子(或折合振子)作线天线的标准增益天线（其增益约为1.64或2.15dB ）；常用按最佳方向性系数设计的标准增益喇叭作面天线的增益标准天线，其增益理论设计值和实际值相当吻合，可按下式估算：
)(4lg 102dB Ak D G λ
π≈≈
式中，A 是喇叭口面面积，k 是口面利用率。
对角锥喇叭天线k 取0.51。
3. 天线增益的综合测量
设三个不同天线的增益分别为G G G 010203、、,先用比较法测得1和2对3的相对增益
03
02
203011G G G G G G ==，
当G 03已知时，则
03
20203101G G G G G G ==，，
用dB 表示,即
)
()()()()()(0320203101dB G dB G dB G dB G dB G dB G +=+=， 当G dB 03()未知时，可用上述1项（天线增益的绝对测量）的方法测出G dB G dB 0102()()+，与上两式联立求出G dB 03()。
3．3 测量方框图：
3．4主要测试设备：
发射源：厘米波分频锁相源（带隔离器，具连续波或1KHz 内方波调制输出，带数字频率指示和功率相对指示，工作频率11GHz ±250MHz ，输出功率连续可调，
最大350mW ）
收、发天线：三种不同增益的角锥喇叭天线四只
精密衰减器：TS7或TS5三厘米精密衰减器
测试接收机：连续波发射时,用晶体检波器加微安表；方波调制发射时，用晶体检波器加选频放大器。
或用微波变频器加DS 系列场强仪。
调配器
钢卷尺
3．5 实验步骤
先进行天线增益的绝对测量。
取两个相同的标准增益喇叭天线作收发天线:
1．将发射天线通过调配器与信号源相接，接收天线通过调配器与接收系统相接。
注意收发天线的极化匹配（即极化要一样）。
2．调整信号源输出功率至适当电平。
3．对收发系统调配，使接收指示最大。
4．将接收系统置于远区。
反复调整收发天线（对准它们的最大辐射方向），使接收指示最大。
5．将精密衰减器置于某一适当刻度。
记下这时的接收指示及精密衰减器的刻度读数a r 。
将精密衰减器放到较大衰减处。
6．拆下收发天线，将收发系统直接连接。
调配，使接收指示最大。
调节精密衰减器，使接收指示与5相同。
记下此时精密衰减器的刻度读数a t 。
7. 读出工作频率, 换算出工作波长λ。
量出收发天线之间的距离R 。
8. 由衰减器定标曲线，查出a r 、a t 所对应的衰减量（dB ） A r 、A t 。
9. 由下式算出G dB ()：
)(2
14lg 10lg 10214lg 10)(t r t r A A R P P R dB G -⨯+⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⨯+⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛=λπλπ
10. 将G dB ()换算成G(数值)。
11. 重复上述步骤测出三次以上数据, 算出G 的平均值。
再进行天线增益的相对测量。
取任一个天线作发射天线，用被测天线作接收天线。
1. 先将天线1(增益为)(1dB G )作为接收天线。
收发对准。
记住此时的最大接收指示，记下精密衰减器的刻度读数1a ，查出它所对应的衰减量)(1dB A 。
2. 再将天线2作为接收天线。
收发对准。
调整精密衰减器，使接收指示与1相同，记下此时精密衰减器的刻度读数2a ，查出它所对应的衰减量)(2dB A 。
算出1221)(A A dB G -=。
则天线2的增益
1212112)(A A G G G dB G -+=+=.
3. 再将天线3作为接收天线。
收发对准。
调整精密衰减器，使接收指示与1相同，记下此时精密衰减器的刻度读数3a ，查出它所对应的衰减量)(3dB A 。
算出3231)(A A dB G -=。
则天线3的增益
13131
13)(A A G G G dB G -+=+=
4. 若天线1增益不为已知, 可用上述绝对测量法，将天线1和2分别用作收发天线，测出A dB A dB r t ()()、, 按下式求出天线1和2的增益和(dB):
t r A A R dB G G -+⎪⎭
⎫ ⎝⎛=+λπ4lg 20)(21
5. 算出)()()(321dB G dB G dB G 、、。
6. 将)()()(321dB G dB G dB G 、、换算成数值表示的321G G G 、、。
7. 重复上述步骤测出三组以上数据，算出321G G G 、、的平均值。
3．5 测量误差及注意事项：
影响天线增益测量精度的原因主要有:
1.测试距离太近，不满足远区条件。
天线口面产生明显的平方率相差,导致天线增益测量值小于实际值。
2.测试场地地面不平，地面和周围环境的反射大。
3.测量系统阻抗失配。
4.收发天线极化失配。
5.收发天线方向未对准。
6.绝对测量工作频率、收发距离未测准；相对测量标准增益天线定标不准。
7.衰减器精度不够。
8.发射源输出功率不稳
为使测量准确，务请注意上述各点。