第三章 方向图测量

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1、第三章第三章 方向图测量方向图测量 第一节 引言 天线的方向图是表征天线辐射特性 场强振幅 相位 极化 与空间角度关系的图形 完 整的方向图是一个三维的空间图形 如图 3 1 所示 它是以天线相位中心为球心 坐标原点 在半径r足够大的球面上 逐点测定其辐射特性绘制而成 测量场强振幅 就得到场强方向 图 测量功率 就得到功率方向图 测量极化 就得到极化方向图 测量相位 就得到相位 方向图 若不另加说明 本书说述方向图均指场强振幅方向图 三维空间方向图的测绘十分 麻烦 实际工作中 一般只需测得水平面和垂直面 即 XY 平面和 XZ 平面 的方向图就行 了 图 3 1 测量方向图的坐标 天线方向图可

2、以用极坐标绘制 也可以用直角坐标绘制 极坐标方向图的特点是直观 简单 从方向图可以直接看出天线辐射场强的空间分布特性 但当天线方向图的主瓣窄而副 瓣电平低时 直角坐标绘制法显示出更大的优点 因为表示角度的横坐标和表示辐射强度的 纵坐标均可任意选取 例如即使不到的主瓣宽度也能清晰地表示出来 而极坐标却无法 绘制 图 3 2 所示为同一天线方向图的两种坐标表示法 o 1 图 3 2 方向图的表示法 a 极坐标 b 直角坐标 一般绘制方向图时都是经过归一化的 即径向长度 极坐标 或纵坐标值 直角坐标 是以 相对场强 max 表示 这里 是任一方向的场强值 max 是最大辐射方向 的场强值 因此 归一

3、化最大值是 1 对于极低副瓣电平天线的方向图 大多采用分贝值表 示 归一化最大值取为零分贝 图 3 3 所示为直角坐标中用归一化场强和分贝值表示的同一 天线方向图 图 3 3 归一化方向图 另外 还有一种用等值线绘制方向图的方法 它象地图上的经线和纬线一样 将直角坐 标或极坐标建立成平面网 在它上面绘制场强相等的闭合曲线 其数值用最大场强的百分数 或分贝数表示 这种方向图表示法的优点是可以在简单的纸平面上看出空间的方向特性 如 图 3 4 所示 等值线方向的主瓣象一个高山 而副瓣则象一个个小的山头 第二节 最小测试距离 第一章已经指出 天线辐射特性的测试必须在远场区内进行 才能保证足够的测试精

4、度 因此 辅助天线和待测天线之间应保持的最小距离为多少才恰当 便是本节讨论的主要内容 一般来说 最小测试距离与收 发天线的方向特性及我们对测试精度的要求等因素有关 下面分几种情况讨论 一 一 收 发天线一付为弱方向性 一付为强方向性天线收 发天线一付为弱方向性 一付为强方向性天线 如图 3 5 所示 电尺寸较小的弱方向性源天线 S 所辐射的电磁波可视为球面波 经距 离r到达孔径最大尺寸为 D 的待测接收天线时 到达中心 O 点与边缘 A 点射线之行程差为 r 由几何关系 有 图 3 5 最小测试距离的确定 4 2 2 2 222 2 22 D rrrrr D rrr 考虑到故 rDrr 2 r

5、 可以忽略 于是得 r D r 8 2 3 1 由式 3 1 可知 时 则0 r r 这意味着要达到平面波照射待测天线孔 径 所要求的测试距离为无穷大 这显然不现实 也无必要 因此 人们往往根据测试精度 的要求 规定一个允许的行程差r 例如 令16 r 这表明待测接收天线孔径中心 O 点与边缘 A 点之间的允许相位差为8 16 2 rk 这里 k是相位 常数 于是 由式 3 1 得到最小测试距离为 2 min 2D r 3 2 若允许行程差32 r 即16 则由式 3 1 得 2 min 4D r 3 3 实践表明 一般选取16 r时 所测得的天线方向图已有足够精度 这是因为一方 面它满足了远

6、场条件 另方面照射接收天线孔径的场强已比较均匀 表 3 1 列出了不同r 要求情况下 接收天线孔径面功率的变化情况 表表 3 1 允许行程差r 最小距离 min r接收天线功率比 OA PP 8 2 D 0 94 16 2 2D 0 99 A P是接收天线孔径边缘 A 点 的功率 O P是接收天线孔径中心 O 点 的功率 二 二 收 发天线均匀强方向性天线收 发天线均匀强方向性天线 辅助源天线和待测接收天线均为强方向性天线时 除待测天线孔径上要满足平 面相位波前条件外 场强振幅分布的均匀性也显得重要 如图 3 6 所示 辅助源天线的 D DD D 图 3 6 收 发天线为强方向性时 最小测试距

7、离的确定 波瓣宽度假设为 5 0 2 而其相位中心对待测天线孔径所张的角为 其近似为 r D 3 4 通常 角度 远小于辅助源天线 D 的波瓣宽度 5 0 2 即 5 0 2 3 5 如果令最大允许的 值为 5 0 2 1 N 3 6 则由式 3 4 得最小允许测试距离 5 0 min 2 ND r 3 7 而对强方向天线而言 有 D 5 0 2 3 8 将式 3 8 代入式 3 7 得 DND r min 3 9 表 3 2 给出了不同 N 值所相对应的最小测试距离和待测电线孔径接收功率的最大变化 关系 表表 3 2 5 0 2 N 最小测试距离 min r接收天线功率比 OA PP 2 D

8、 D 2 0 9 2 5 D D 5 2 0 94 6 D D 6 0 99 三 三 收 发天线均匀弱方向性天线收 发天线均匀弱方向性天线 这种情况下 只要在天线的远区辐射场中进行测试就已满足均匀平面波前照射待测天线 孔径的要求了 由于小电流元天线的辐射场正比于r 2 而感应场正比于 2 2 r 因此 由 r时 感应场已比辐射场低 16 分贝 其影响已可忽略 故最小测试距离可视 天线孔径最大线尺寸 D 的大小用下式计算 当 2 D时 min r 3 10 当 D时 则应使用式 3 2 进行计算最小测试距离 如果要求感应场与辐射场之比比 16 分贝还应低 即要求感应场对辐射场的影响更小些 时 可

9、将最小测试距离选得更大些 表 3 3 给出了选取不同最小测试距离时 感应场与辐射 场比值的变化 表表 3 3 最小测试距离 min r 感应场 辐射场 dB 16 2 22 3 25 5 30 10 36 四 四 低副瓣天线对测试距离的要求低副瓣天线对测试距离的要求 若在普通测试距离上进行低副瓣天线测量时 其第一 二副瓣将会有较大的误差 增益 也会有所变化 对中等旁瓣电平 25dB 天线而言 在 2 2D距离上测试的方向图误差 是可忽略的 增益误差也在 0 1dB 以内 不同测试距离上测试的天线方向图所引起的副瓣升 高量不同 这种升高导致第一副瓣变成了主瓣的 肩膀 例如 若要求第一副瓣的测试误

10、 差 则对于 40dB 天线而言 要求的测试距离为dB1 2 6D 而对于 60dB 的天线而言 则要求的测试距离为 2 12D 因此 对不同副瓣电平的天线及对副瓣电平测试误差的要 求 所需的测试距离也不同 第三节 场强测量 如前所述 天线方向图是指天线辐射特性 场强振幅 相位 极化 与空间角度关系 的图形 因此 测取天线的方向图就是在半径大于最小测试距离的球面上不同角度位置处测 取场强振幅值 场强方向图 相位值 相位方向图 极化特性 极化方向图 故在讨论 天线方向图的具体测试方法之前 必须了解场强的测试方法 天线在自由空间辐射的电场和磁场振幅之间有如下关系 H 120 3 12 只要测得其中

11、的一个量 电场或磁场 另一个量 磁场或电场 就可以从式 3 12 计算得到 因此 我们通常所说的场强测量均指电场的测量 场强振幅测量的常用方法有标准天线法和标准场法两类 标准天线法是由标准天线的 尺寸 型式及测得的电压来计算场强振幅值 标准场法是由待测场强字天线中感应的电压与 标准场强在天线中感应的电压相比较而求得场强振幅值 其标准场由发射天线的尺寸 电流 分布 待测天线的距离 地面影响等计算得到 测试设备事先经过校准后 两类方法均可用 于测取绝对场强值 在空间任一点 场的相位随时间按正弦规律变化 但空间各点之间场的相对相位关系却 是固定的 不随时间而改变 因此 可以用比较的方法测取各点之间的

12、相对相位差 或者令 某一点的相位为零 相对该点测取空间各不同点的相位值 极化的测量将在第五章中专门讲述 本节不作介绍 一 场强振幅的测量一 场强振幅的测量 1 标准天线法 原理 标准天线法是用感应电压易于计算的一些天线型式作标准天线 待测场强E与其在标 准天线中所感应的电压U之间有如下关系 e l U mV 3 13 式中 是天线的有效长度 e l m 若已知标准天线的有效长度 并测得在标准天线中感应的电压U 就可以由式 3 13 计算得到待测场强值 e l E 实际上 测试电压表所指示的电压V往往并非直接就是感应电压U 而是根据标准天 线与测试仪表的耦合方式不同而差一个称为电压转换比的因子

13、A 即 AVU 3 14 式中 U是待测场在标准天线感应的电压 V是电压表测取的电压 A 是电压转换比 电压转换比 A 可以用可变的标准电压源 通常是场强测试仪和组成部份之一 对U和 进行比较测量来确定 V 天线型式 常用的标准天线型式有环天线 垂直或水平极化半波天线 垂直极化单极天线 喇叭 天线等 如图 3 10 所示 在它们的输出端接入高频电压表 用以测取电压值V 环天线一般用于 30MHz 以下的频率上 半波天线及单极天线多在高于 30MHz 的频率 上使用 喇叭天线则用于微波波段 如果需要采用更复杂型式的天线或天线阵作标准天线时 可将它与上述标准天线相比 较 事先进行校准就行了 校准方

14、法 测量相对场强时 上述标准天线及其指示设备可以直接使用 但若需要测量场强绝对 振幅值时 必须对天线事先进行校准 下面介绍环天线和半波偶极天线的校准方法 环天线的校准 直接代替法 屏蔽非平衡环天线的一种校准方法如图 3 11 所示 这种方法是将待测场 在环天线中感应的射频电压直接与从标准信号发生得到的已知射频电压相比较来校准 故称 为直接代替法 具体步骤如下 o 1 调整环天线的方向及调谐电容 C 使接收的载频有最大输出 o 2 调整接收机的衰减器 使输出电压表上有适当的读数 V 一般以刻度的 80 左右为 宜 o 3 将环天线转动 使输出指示最小 即仅有微弱的残余待测场 o 90 o 4 打

15、开标准信号发生器并调整它 使得与残余待测场零拍 o 5 调整信号发生器输出的标准电压 使输出电压表仍保持先前的读数 V 于是 标准信 号发生器输出的电压就等于等效的感应电压 环天线的场强值为 eL l U 3 15 式中 U是标准信号发生器输出在 R 两端的电压 是环天线的有效长度 eL l 环天线的有效长度可由下式确定 SN leL 2 3 16 或者 3 17 fSNleL 8 10096 2 式中 S 是环面积 它小于 N 是匝数 2 01 0 这种方法一般要求信号发生器的输出阻抗低 以便有环天线相串后 不显著降低 Q 值 有时 标准信号发生器输出的校准电压电平较高或是固定的值 为了便于

16、与感应电压 直接比较 可以在接收机混频起与第一中放级之间插入校准衰减器来进行调整 由于调谐环天线上的感应电压具有分布特性 而校准电压是在环的中心或某一端馈入 的集中电压 因此 必然存在测量误差 此误差是由环天线分布电容所产生 它是待测场频 率与环天线自然谐振频率之比的函数 若校准电压在环的中心馈入时 误差修正因子可以用 下式近似计算 2 27 01 o f f F 3 18 式中 是待测场频率 是环天线的自然谐振频率 F 是误差修正因子 f o f Q 值法 Q 值法是直接代替法的一种变态 它是使加到接收机 或真空管电压表 的校准电 压与待测场在环天线输出端测得的电压相等效的条件下 再测量环天线的 Q 值 进而求得 环天线中所感应的电压 据此电压和环天线的有效长度来计算场强 Q 值测量法是用一个低容量精密可变电容器与调谐电容器并联 环天线调谐时 此精密 可变电容器放于中间位置 然后左右调节它 使横跨电容器两端的电压降到谐振值的 0 707 倍 记下精密可变电容器的相应读数和 得到差值 1 C 2 C 21 CCC 环天线的 Q 值可 以用下式近似计算 C C Q 2 3 19 式中 C