4天线测量第四章

增益测量增益测量引言比较法标准增益天线弗利斯（Friis）传输公式两相同天线法测绝对增益镜像法测绝对增益两不同天线法测绝对增益三天线法测绝对值增益测量的误差和修正反射测试场测绝对增益近距修正方向性系数的测量引言天线的方向性系数是表征天线所辐射的能量在空间分布情况的量方向增益定义：在相同辐射功率情况下，该天线辐射强度与平均辐射强度之比0),(),(ppD辐射强度平均辐射强度辐射强度正比于电场强度的平方202),(),(EED),(),(0TTPPD点源天线的总辐射功率被测天线的总辐射功率之一般情况均指最大辐射方向的方向性系数mToTmmmPPEEppD2020引言以天线输入功率为基点，将该天线与点源天线作比较，于是，仿照方向性系数所定义的量就叫做天线的功率增益（通常称为增益系数）增益系数202),(),(EEG),(),(0ininPPG点源天线输入功率被测天线输入功率最大辐射方向的增益inminmmPPEEG0202AminmmTmToToTininmoinmDPPPPPPPPG00点源天线效率被测天线的效率10DGA方向性系数或增益系数一般均指最大发射方向可见天线的功率增益更加完整地给出了天线的辐射特性，它不仅表征了天线辐射能量的集中程度，而且考虑到了天线本身由于损耗引起辐射能量的减小。讨论测定方向图即知增益？NO，只是方向性系数，而效率可以很低，必须考虑天线能量的转换。如何提高增益？从无用方向挖掘潜力，增大有用方向的能量辐射。高增益就是好？信噪比不一定提高高增益带来窄波瓣，使对准困难如同高增益带来窄带宽，容易失谐增益测量方法测量方法取决于工作频率①对工作在1GHz以上频段上的天线常用自由空间测试场地，把喇叭作为标准增益天线，用比较法测量天线增益。②对工作在（0.1~1）GHz频段上的天线，由于很难或者无法模拟自由空间测试条件，故此时常用地面反射测试场确定天线的增益。③对飞行器(飞机、导弹、卫星、火箭等)天线，由于飞行器往住是天线辐射体的—部分，在此情况下多采用模型天线理论。按照天线模型理论，除要求按比例选择天线的电尺寸、几何形状及它的工作环境外，还必须按比例改变天线和飞行器导体的电导率，而后者在实际中却无法实现。故一般只用模型天线模拟实际天线的方向图，再由实测方向图用方向图积分法确定实际天线的方向增益。如果能用其他方法确定天线的效率，把方向增益与效率相乘就得到了实际天线的功率增益。④对工作频率低于0.1GHz的天线，由于地面对天线的电性能有明显地影响，加之工作在该频段之定向天线的尺寸又很大，所以只能在原地测量它的增益。⑤对工作频率低于1MHz的天线，一般不测量天线增益，只测量天线辐射地波的场强。天线增益测量方法方法相对增益测量绝对增益测量测量方法比较法两相同天线法三天线法镜象法外推法辐射计法间接测量法以弗利斯公式为基础比较法的实质就是把待测天线的增益与已知标准天线的增益进行比较而得到待测天线的增益。根据互易原理，可以把待测天线作发射使用，也可以作接收使用比较法测天线增益定义增益时，以点源天线作比较标准，但辐射球状方向图的标准点源天线实际上没有，通常用有方向性天线（如半波天线、喇叭天线等）作为比较标准。（增益容易计算和测量）PPGGss标准天线增益待测天线增益22ssEEGG相对功率法1.标准天线接入发射端，并调整匹配，是输出功率最大2.辅助天线接入接收端，并使其最大辐射方向与发射天线的最大辐射方向对准3.调节可变衰减器，使接收端指示器指示适当的值A，记下功率计读数PS4.将标准天线取下，换接待测天线，再次调整匹配，使输出功率最大5.改变可变衰减器，使接收端指示器仍保持原先读数A，记下功率计读数P6.将测得结果和已知的标准天线增益代入公式就求得了待测天线的增益PPGGss待测天线作发射测量增益相对场强法1.标准天线接入发射端，并调整匹配，是输出功率最大2.辅助天线接入接收端，并使其最大辐射方向与发射天线的最大辐射方向对准3.调节可变衰减器，使功率计为适当读数P，记下此时接收端指示器读数ES4.取下标准天线，换接待测天线，调整匹配，使功率输出最大5.改变可变衰减器，使功率计读数仍保持先前的P，记下接收端指示器读数E6.将测试结果及已知标准天线增益GS代入公式，求得了待测天线的增益22ssEEGG待测天线作发射测量增益相对功率法待测天线作接收测量增益1.将辅助天线接入发射端，调整匹配，使输出功率最大；2.将标准天线接入接收端，让收、发天线最大辐射方向对准，并调整匹配，使指示器读数最大；3.调节可变衰减器，使指示器指示某一适当值A，记下可变衰减器读数N14.取下标准天线，换接待测天线，调整匹配，使指示器指示最大；5.再调节可变衰减器，使指示器读数仍保持先前的A，记下可变衰减器读数N26.将测试结果及标准增益值GS代入公式求得待测天线的增益PPGGss相对场强法待测天线作接收测量增益1.将辅助天线接入发射端，调整匹配，使输出功率最大；2.将标准天线接入接收端，让收、发天线最大辐射方向对准，并调整匹配，使指示器读数最大；3.调节可变衰减器，使指示器读数为某一些适当值ES4.取下标准天线，换接待测天线，调整匹配，使指示器读数最大且为E5.将测试结果及标准增益值GS代入公式求得待测天线的增益22ssEEGG天线增益测量的注意事项1.远场条件；2.环境影响；3.阻抗匹配，极化匹配；4.相位中心在同一位置上；5.防干扰信号，源可加调制，可用测试接收机标准增益天线UH以下频段多用半波偶极子、半波折合振子做标准天线。半波偶极子天线在自由空间相对无方向天线的增益为2.15dB。带反射板二元半波偶极子天线阵相对半波偶极子天线增益为7.7dB，三元八木天线也常用于做标准天线。标准增益天线标准增益天线H面扇形喇叭E面扇形喇叭角锥形喇叭圆锥形喇叭常用作增益标准的天线（如半波天线和喇叭天线）的理论分析已较成熟，且理论和实验值十分吻合，可以直接由理论计算求得这类标准天线的增益。E面张开扇形喇叭天线WdxxWC022cos)(WdxxWS022sin)(夫累涅尔积分ElW21)()(6022WSWCbalGEEE面张开扇形喇叭天线增益)()(6022WSWCbalGEEH面张开扇形喇叭天线22)()()()(4SuSCuCablGHHHHHHlaallaalu2121H面张开扇形喇叭天线增益22)()()()(4SuSCuCablGHH角锥形喇叭天线的增益EHGaGbG32弗利斯（Friis）传输公式发射天线的输入功率天线效率辐射功率inTTPP收天线处产生的功率密度：24),(rDPpTT发射天线方向性系数接收天线的输出功率：erpSP接收天线的有效面积4),(2reGS弗利斯（Friis）传输公式24),(),(rGDPPrTTr24),(),(rGDPPrTinTr接收天线的输出功率：),(),(DG24),(),(rGGPPrTinTr弗利斯传输公式发射天线和接收天线均以最大增益方向对准24rGGPPrTinTrinTTPP两相同天线法测绝对增益24rGGPPrTinTr发射和接收天线的增益相同inTrrTPPrGG4收发天线间距工作波长接收天线收到的功率与发射天线输入功率之比两相同天线法测绝对增益1.接好电路，并将收、发天线最大辐射方向对准；2.调整匹配，使收、发两端均很好匹配；3.测取并记录发射天线的输入功率PinT及接收天线接收的功率Pr4.计算求得天线增益镜像法测绝对增益inTrPPRG)2(4inTrPP11118RG工作波长天线到反射板之间的距离驻波系数是两相同天线法的一种变种镜像法测绝对增益1.不放置金属反射板，调节匹配器，使天馈系统匹配良好；2.放入金属反射板，测取驻波系数3.量取天线到金属反射板之间的距离4.根据测试数据，计算得到天线增益金属反射板的大小至少能挡回天线方向图的全部主瓣金属反射板到天线的距离R应大于远场最小测试距离的一半金属反射板采用高导电率材料（如铜或铝等），并要有一定的光洁度两不同天线法测绝对增益比较法测得两天线增益的比值AGG21G1天线作发射，G2天线作接收，测量出发射天线输入功率PinT和接收天线接收功率Pr24rGGPPrTinTrinTrPGGrP2122)4(2122)4(GGrPPBinTrABrG41ABrG42三天线法测绝对值122214inTrPPrGG232324inTrPPrGG312134inTrPPrGG足注12，23，31分别表示三种天线三次测量时的发、收天线组合情况24rGGPPrTinTr31231214inTrrinTinTrPPPPPPrG31231224rinTinTrinTrPPPPPPrG31231234inTrinTrrinTPPPPPPrG天线1作发射，天线2作接收天线2作发射，天线3作接收天线3作发射，天线1作接收增益测量的误差和修正增益测量误差主要来源阻抗失配极化失配仪器测量误差其他误差增益测量的误差和修正最大辐射方向是否对准阻抗失配和极化失配近场效应和多径干涉可以通过精确测量复反射系数和极化特性，然后对测得的增益值予以修正增加收、发天线间的距离和采用地面反射测试场来减小测量误差检测和对准技术阻抗失配弗利斯传输公式发射天线和接收天线均以最大增益方向对准24rGGPPrTinTr参考面AGinTP1MPPAinTmP功率计信号源AP22211)1)(1(AGAGM1MPPminT22111AGAM接收机参考面rL22221)1)(1(LrLrMrP'rPrPrrPMP2'信号源和传输线以及接收机和传输线通过调配器调到匹配后)1(21AM)1(22rM近场和多径效应误差和修正实际测量天线增益，不可能使两天线相距无限远，只能在有限测试距离上完成。为了同无穷远的增益相区别，常常把在有限距离上测得的增益称视在增益。有两方面的原因引起：•由于距离近，这种有限距离产生的误差使测得的增益比远区真实值要小些，要求高精度测量时，增大测试距离是减小误差的一个办法。•待测天线孔径照射不均匀，由于收、发天线的相对尺寸及其距离引起的针对两种影响，可以进行近距离修正。极化失配增益测量都是以收发天线间最大功率传输公式为基础，它不仅要求收发天线与馈线匹配，而且还必须满足收发天线极化匹配的条件。如果收发天线极化不匹配，不考虑极化效率，就必然造成增益测量误差。用比较法测量天线增益，特别是用线极化标准增益天线测量圆极化天线的增益，由于辅助发射天线的轴比有限而造成比较大的测量误差，但测量线极化天线增益由此引起的误差并不严重。常用的标准增益天线都具有比较大的轴比，例如典型的角锥喇叭天线的轴比就在40dB以上。仪器测量误差不论是绝对增益测量还是相对增益测量，都是间接测量（测功率或场强），各间接量的测量误差必然导致由各间接量所表示量的测量误差。通常用功率计测量发射功率和接收功率，接收功率远远小于发射功率，因而用不同量程功率计测量必然引入很大