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。

1.2.2.3 低于0.1Ghz的频率

当频率低于0.1GHz时，地面对天线特性的影响变得十分明显，使功率增益的测量更加困难。在这一频率范围内，定向天线的尺寸是相当大的，必须在现场进行测量。通常可满意地计算天线的增益并估算地面的影响。再之，也可采用比例模型，然而，由于地面对天线特性的严重影响，地面的电器特性也应该按比例模拟。

1.2.2.4 低于1MHz的频率

对低于1MHz的频率，通常不测量天线的功率增益，而测量天线所辐射的地波的场强。

第二章增益标准天线

2.1增益标准天线应具有的特性

1. 天线的增益应是准确地已知的；

2. 天线具有高度的尺寸稳定性；

3. 天线必须有高极化纯度。

2.2增益标准天线的类型

虽然符合要求的任何天线都可以用作增益标准天线，但是普遍采用的两类天线是偶极子和角锥喇叭。这两类天线的增益可以算得十分精确，而且其机械结构简单，故制作的重复性很高。这两类天线均是标称线极化的。另有一种是专门设计的增益标准天线。应该强调，如果要求高准确度，增益标准天线应由专门做增益标准天线定标的标准实验室定标。

2.2.1 偶极子天线

一根适当激励的细偶极子天线，当其长度被调节到半波长谐振时，其增益近似为2.15dB 。偶极子天线本身具有很高的极化纯度。然而，由于他的方向图宽，其特性会受周围环境，尤其是其传输线的影响。为此很难确定其极化纯度的界限。

2.2.2 喇叭天线

2.2.2.1 角喇叭天线

在微波频段，广泛采用角锥喇叭天线作增益标准天线。作增益标准天线的喇叭天线应附有计算的定标曲线。定标曲线具有平滑的特性，若需要更高的精确度时，则应由合适的标准实验室对角锥喇叭天线进行定标。这种天线增益较高，故作为增益测量时受其皱纹环境的影响较小。在轴向其极化椭圆的轴比在40dB 以上。

2.2.2.2 波纹圆锥喇叭

波纹圆锥喇叭天线具有极低的旁瓣，因此是理想的增益标准天线。无论用理论计算或实验定标，其增益均可达到0.1dB 的精度。波纹圆锥喇叭特别适用于精密的增益测量。

2.2.3 专门设计的增益标准天线

有时需要设计一个具有特殊性质的增益标准天线。例如，偶极子天线在其H 平面是全向的方向图，故其方向图会受周围环境影响而发生很大的变化。为此，需要设计一种定向天线，例如，带反射器的偶极子阵、角形反射器天线或对数周期天线，并对其增益进行定标。

2.3 在自由空间测试场上增益标准天线的定标

2.3.1弗里斯传输公式

绝对增益测量以弗里斯传输公式为基础。对于如图1所示的两天线系统，弗里斯传输公式为：

2

4r O A B P P G G R λπ??= ???（1）

式中：r P ---与接收天线相连的匹配负载所接收到的功率； O P ---发射天线的输入功率；

A G ---发射天线的功率增益；

B G ---接收天线的功率增益。

该公式隐含着下列假设：即天线是阻抗匹配的并在它们的规定指向上是极化匹配

的，天线间的距离满足远场条件。

图1 说明弗里斯传输公式的两天线系统

2.3.2 两天线法

以分贝表示的弗里斯传输公式可写为：

()()420lg 10lg o A B dB dB r P R G G P πλ????+=- ? ?????

（2） 若两个天线相同，则可推断它们的增益相等，于是可得天线的功率增益为：

()()1420lg 10lg 2o A B dB dB r P R G G P πλ??????==-?? ? ???????

（3） 确定天线功率增益的步骤是测量R ，λ，10lg o

r

P P ?? ???，然后计算()A dB G 。因为需要两个相同的天线，故把这一方法称为两天线法。

2.3.3 三天线法

在三天线法中，要用三个天线的所有组合完成三组测量，其结果为如下所示的联立方程：

()()420lg 10lg o A B dB dB r AB

P R G G P πλ????+=- ? ????? ()()420lg 10lg o A C dB dB r AC

P R G G P πλ????+=- ? ?????（4） ()()420lg 10lg o B C dB dB r BC

P R G G P πλ????+=- ? ????? 由这一联立方程可确定所有三个天线的增益。

2.3.4 测试设备典型方框图

2.3.4.1 点频测试设备典型方框图

图2 用于功率增益测量的两天线法和三天线法的典型测试设备

对于点频测量，两天线法或三天线测试设备的框图如图2所示。测试设备应是高度稳定的，信号源产生单一频率的正弦波。参照图2，其测量步骤为：

a ．使两个天线精确地对准和取向；

b ．对信号源和发射天线A 间的耦合网络定标，以精确地找到在发射测试点测得的功率与进入A 天线的功率之间的关系；

c ．用调配器使系统的所有元件都达到阻抗匹配；

d ．调节耦合网络的衰减器是发射测试点的功率电平与接收测试点的功率电平相同；

e ．根据耦合网络的定标值确定相对功率电平o r

P P 。

2.3.4.2 扫频测试设备方框图

通常用扫频技术测量宽带天线的增益，测量方法可用两天线法或三天线法。典型的扫频测试设备方框图如图3所示。注意，要在整个频带内使所有元件都达到匹配是不可能的，所以必须用扫频法测出所有元件的阻抗或反射系数。

图3 关于功率增益测量的扫频两天线和三天线法的典型测试设备

2.4 在地面反射测试场上增益标准天线的定标

对低于1GHz 的频率，某些用作增益标准天线的天线必然有中等宽度的波束。对于这些天线，若需准确测定其增益，通常采用地面反射测试场。只要作某些限制和修正，在地面反射测试场上也可以用两天线或三天线法增益测量方法。

2.4.1 测量精度

所用的测试设备基本上与自由空间测试场测量的测试设备相同。用这种方法可达到+_0.3dB 的精度。

2.5 在外推法测试场上增益标准天线的定标

2.5.1 外推法基本原理

在常规远场测试法中，天线参数是在被测天线与源天线之间的距离为优先情况下测得的，测得的参数是无限距离上测得的远场参数的一种近似。事实上，这种常规的近似是外推法的一种最简单的形式。外推法中，天线参数是在天线间的距离在一定范围内变化时测得的，然后把天线参数随距离的变化外推至无限远处。

2.5.2 多径效应的消除方法

在天线测试场进行测试时，多径效应和邻近效应是始终存在的。当改变收、发天线间的距离测量接收信号时，多径效应表现为接收信号与距离的函数关系曲线上的周期性起伏现象。外推法包括严格计算和校正这些效应所引起的误差。 在数学上可用求平均值的方法（作图法、数值法）消除由多径效应引起的接收

信号的周期性变化，或者调节测试设备的时间常数，使其不能跟踪周期性变化但能记录平均值。用曲线吻合平均数据可推知远场测量应测得的信号电平。用这种方法邻近干扰效应和多径效应都可消除。从这结果可算出功率增益。

2.5.3 与广义三天线法结合的外推法

若将外推法与广义三天线法结合起来，则不仅能得到三个天线的功率增益，而且能得到它们的极化状态。注意，此时三个天线中任一天线都不应是标称圆极化的。若其中某个天线是圆极化的，则只有这一天线的特性可以完全确定。如果两个或三个天线是标称圆极化的，那么这一方法就无效了。

2.5.4 外推法测试场

外推法测试场备有可精密移动的塔，塔在测试场长度范围内移动时应保持使发射天线轴线和接收天线轴线对准。测量可在20.2D λ到22D λ

距离上进行，D 是被测天线的最大尺寸。塔高至少应为天线间最大距离的15%。

2.5.5 测量精度

利用外推法，增益标准天线的定标精度可达0.05dB ±，而采用较为常规的测量，定标精度为0.08dB ±。

2.6 增益标准天线最大增益的实际限制

用于精确定标的现有技术对增益标准天线的最大增益有一个实际限制，例如在外推法测试场中，要求塔高为天线间最大距离的15%，这一要求实际上限制了被定标天线的最大增益。原因是很明显的，因为要定标的天线的增益增大，最大测试距离就增大，塔高也就增高了，这样不仅使轴线对准十分困难，而且塔的造价也十分昂贵。在微波频率，增益标准天线的最大增益均为40dB 。

第三章增益比较法测量

把被测天线的未知功率增益与增益标准天线的功率增益进行比较的测量方法称为增益传递测量。增益传递测量又称为增益比较测量。测量可在自由空间或地面反射测试场进行。

3.1 线极化天线的测量

理想情况下，被测天线被与其极化匹配的平面波所照射，并在匹配负载上测量接收功率。在其它条件相同的情况下，用增益标准天线替换被测天线，并再次测量进入其匹配负载的接收功率。有弗里斯传输公式可得出分贝表示的被测天线的功率增益()T dB G ：

()()10lg T T S dB dB S

P G G P =+（5） 式中：()S dB G --增益标准天线的功率增益

T P --被测天线接收到的功率

S P --增益标准天线接收到的功率

3.1.1 被测天线与增益标准天线互换的一种方法

可在方位定位器轴线的每侧背对安装两个天线实现被测天线与增益标准天线的互换。采用这种配置，天线通过定位器的180。旋转来转接。应特别细心地安装

这两个天线，以使定位器旋转时他们处于同一位置上。通常应在挨着增益标准的背面安装吸收材料，以减少邻近结构的反射而引起的照射场的扰动。

3.1.2 扫频测量

其测量步骤基本上与扫频绝对增益测量相同，不过测量要用被测天线与增益标准天线反复进行。为修正测得的功率增益，必须测出所有元件的反射系数随频率变化的关系。

3.2 圆极化与椭圆极化天线的测量

3.2.1 用圆极化增益标准天线进行测量

对于圆极化被测天线这一特殊情况来说，可以设计定标正交圆极化天线。这种方法特别适用于流水线式的功率增益测量。

3.2.2 用线极化增益标准天线进行测量

由于天线所辐射的波的总功率可分解为两个正交线极化分量，所以一般来说圆极化与椭圆极化被测天线是用线极化增益标准天线来测量的。也就是说用两个正交线极化天线完成部分功率增益的测量，从而确定被测天线的总功率增益。例如，先用垂直极化的增益标准天线和源天线进行功率增益传递测量，然后用水平极化的增益标准天线和源天线重复这一测量。根据测得的部分功率增益，可按下式计算以分贝表示的总功率增益()T dB G

()()G 10lg T TV TH dB G G =+（6）

式中：TV G ---垂直极化情况的部分功率增益

TH G ---水平极化情况的部分功率增益

3.3 在高频段（3--30MHz ）的测量

在大约3--30MHz 的频率上，电磁波的中距离和远距离传播主要靠从电离层反射的天波。对于2000--4000km 的电路，最重要的是天线在地平线以上5。和30。之间仰角上的方向图和功率增益。

天线方向图和功率增益测量是在现场进行的。装有合适发射天线的飞机在固定高度沿着以被测天线为中心的圆形路线飞行。为了测量幅度方向图，接收信号的幅度以及飞机的方位角和抚养叫要同时记录下来。将被测天线所收到的功率与位于其近旁的增益标准天线所收到的功率进行比较，即可测得功率增益。

3.3.1 增益标准天线

采用水平极化偶极子作增益标准天线。注意，在这一频段上，偶极子天线的方向图和功率增益受地面影响很大。在测量增益时，要调节偶极子天线的高度，使其主瓣与被测天线主瓣指向同一方向。注意，不能用垂直极化偶极子作增益标准天线，因为这种天线在低仰角时的公路增益低，而且随地面的含水量而剧烈变化。

3.3.2 测量方法

3.3.2.1 水平极化天线的测量

如3.3.1所述，增益标准天线为水平极化偶极子天线，故只要测出被测天线和增益标准天线所收到的功率即可按公式（5）与公式（7）算得被测天线的功率增益。

3.3.2.2垂直极化天线的测量

对于垂直极化的被测天线，在进行增益传递测量时要将它的交叉极化的部分增益与水平极化的增益标准天线进行比较。根据这一结果即可确定待求的垂直极化的部分增益。

具体方法如下，旋转安装在飞机上的发射天线，使发射信号教徒地位垂直极化与水平极化，信号由被测天线与增益标准天线接收。比较增益标准天线接收到的最大功率与被测天线接收到最小功率，得到被测天线的水平极化的部分增益。然后比较被测天线所接收到最大与最小功率，即得待求的垂直极化的部分增益。由于源天线旋转时其增益时变化的，所以通常要对旋转的天线定标。

3.3.3 测量精度

这种技术的精度与地面特性的了解程度及天线所在现场的地形有关。若现场地

±

形平坦、无障碍物，并且地面常熟是确定已知的。则测量的不确定度可达0.5dB

±。

或更好一些，但是在一般情况下，不准确度可望不超出1dB

第四章功率增益测量中的误差

4.1概述

测量天线功率增益时所遇到的不准确是指测试参数的总误差，即系统误差和随机误差的合成，它有别于各个分误差。

4.2 天线增益测量中随机误差的类型

天线增益测量中随机误差源依据误差源概率分布的不同，主要有均匀误差和正态分布误差。

4.2.1均匀分布误差

凡是误差值限定在一定范围内并且呈等概分布者称为均匀分布误差。均匀误差分布的均匀差为：

σ=（7）

式中：β---误差值上限和下限的绝对值

属于均匀分布的误差源有：增益标准天线的增益计算误差；喇叭壁损耗计算误差、源天线瞄准误差、增益标准天线瞄准误差及源天线对被测天线照射的校正误差等。

4.2.2 正态分布误差

正态分布误差的概率密度为：

2

1

()

2

()

X

P xσ

-

=（8）

属于正态分布的误差源有馈线损耗测量误差、被测天线瞄准误差。衰减器读数校正误差、信号失稳误差和衰减器读数误差等。

4.3 功率增益测量的理想条件与误差源

4.3.1 功率增益测量的理想条件

功率增益测量所需要的理想条件为：

a．天线测试场：自由空间条件，在接收天线出的均匀平面波场：b．天线：互易性、阻抗匹配、正确地瞄准、极化匹配；

c．设备工作状态：理想的和阻抗匹配的部件、单一频率的正弦波、单一波导模式、稳定的信号发生器和接收机、足够的灵敏度和动态范围。

正是由于偏离了这些理想条件。在功率增益测量中才产生了不精确性。

4.4 增益测量中总的不准确度的估计

例如，把当绝对增益测量作为插入损耗测量时，增益的公式可写为：

1

2

1

4n

i

i

Rf

G M K

c

π

α

-

=

??

=??

??

∏（9）

式中：f---频率

c--- 自由空间光速

R--- 天线间的间距

α---测得的功率比

M---阻抗失配修正因子

i

K---修正因子

4.4.1 误差源

为了确定G，必须测量R，f，α以及阻抗。在这些独立量的测量中每一个都伴随着随机误差和系统误差。除了这些在增益公式中明显地出现的量之外，还有其他的一些影响增益精度的因素，诸如极化失配、在接收天线口径上入射场的幅度锥削的影响、有测试场反射引起的多径效应、以及诸如天线瞄准情况、设备不稳定性等系统误差。可以用公式修正因子来计及这些情况。

4.4.2不准确度

有两种不确定度的估计方法，算术和与方根和。

4.4.2.1 算术和

若假定与每项有关的各个不准确度是独立的，则可用算术和法估计总的不准确度：

1112n i i K G R f M G R f M K αα=????????=++++ ???

∑（10） 4.4.2.2 方根和

由于单个不准确度得符号并不是已知的，故通常用方根和法估计总的不准确度：

1222222

11222n i i K G R f M G R f M K αα=????????????????????=++++ ? ? ? ? ???????????????∑（11） 4.4.3 置信区间

对于上述每个量的测量中，实际值A 的变化范围为：

i n i n X K A X K σσ-<<+（12）

式中：i X --- 任意一次测量的结果

σ----标准偏差

n K ---置信因数

(),i n i n X K X K σσ-+称为置信区间，

实际值落在此置信区间的概率称为置信概率。对于整体分布误差通常取3n K =，此时实际值落在此置信区间的概率为99.73%。当分布规律不知道时，通常先给出一个约定的概率。增益测量的标准偏差可从单个量的标准偏差求得。采用方根和法、各个单个量的测量就组成了增益测量。