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1、天线测量,chenboUESTC Tel: (028) 6183-0171 ROOM:C201,天线测量第一章,第1章 天线测量概论,天线测量是专门研究天线系统特性参数测量理论和测试方法的一门学科分支 主要特性参数可以分为两大类： 电路特性参数（输入阻抗、效率频带宽度驻波比等） 辐射特性参数（方向图增益极化相位等） 天线测量的任务就是用实验方法测定和检验天线的这些特性参数。 其他特性参数，如最大承受功率、抗风强度、工作温度、寿命等。,重要性：验证理论分析计算或仿真模拟是否正确；已定型天线批量生产中，需要抽样检测天线参数是否合格；已在现场使用日久的天线，需要定期检查其性能是否下降；特别是研制一种
2、新天线时，天线参数的实验测量更是必不可少。,天线测量定义,天线系统的主要特性参数,天线输入端信号电压与信号电流之比，称为天线的输入阻抗。输入阻抗具有电阻分量 Rin 和电抗分量 Xin ，即 Zin = Rin + j Xin 。电抗分量的存在会减少天线从馈线对信号功率的提取，因此，必须使电抗分量尽可能为零，也就是应尽可能使天线的输入阻抗为纯电阻。事实上，即使是设计、调试得很好的天线，其输入阻抗中总还含有一个小的电抗分量值。 输入阻抗与天线的结构、尺寸以及工作波长有关，半波对称振子是最重要的基本天线 ，其输入阻抗为 Zin = 73.142.5 (欧) 。当把其长度缩短（）时，就可以消除其中的
3、电抗分量，使天线的输入阻抗为纯电阻，此时的输入阻抗为 Zin = 73.1 (欧) ,（标称 75 欧） 。注意，严格的说，纯电阻性的天线输入阻抗只是对点频而言的。,天线效率 它是指天线辐射出去的功率（即有效地转换电磁波部分的功率）和输入到天线的有功功率之比。是恒小于1的数值。,1998年6月3日，德国发生了战后最惨重的一起铁路交通事故。一列高速列车脱轨，造成100多人遇难。,2007年11月2日，一架美军 F-15C鹰式战斗机在做空中缠斗飞行训练时，飞机突然凌空解体，一份调查结果表明，飞机的关键支撑构件桁梁出现了金属疲劳问题。,1998年6月3日，德国艾舍德高速列车脱轨事故中的车轮轮缘疲劳断
4、口,测试对象,环境实验,天线周围的场区分布,感应场区是指非常靠近天线的区域。 感应场区里，占优势的是感应场，其电场和磁场的时间相位相差90度，波印亭矢量为纯虚数，因此不辐射功率，电场能量和磁场能量相互交替地贮存于天线附近的空间内。 图所示电尺寸小的偶极天线，其感应场区的外边界是/2。这里，是工作波长。感应场随离开天线的距离的增加而极快衰减，超过感应场区后，就是辐射场占优势的辐射场区了.,天线周围的场区分布,孔径天线的辐射场区又分为近场区和远场区,孔径天线的辐射场,辐射近场区的外边界按通用标准规定为：,r：观察点到天线的距离 D：天线孔径的最大线尺寸,辐射远场区,辐射近场区的外边界以外就是辐射远
5、场区，范围直到无穷远处。这个区域里的特点是： 场的大小与离开天线的距离成反比； 场的相对角分布与离开天线的距离无关； 方向图主瓣副瓣和零点已全部形成。 辐射远场区是进行天线测试的重要场区，天线辐射特性所包括的各特性参数的测量一般均需在辐射远场区内进行。,孔径天线产生的场,计算孔径天线外场的坐标系,孔径天线所产生场的表达式：,式中 Ep：观察点P处的场 Es：天线孔径面上的场 rsp ：源点ps到场点p的距离 S：天线孔径面积 k：自由空间波数 ds：单元面积 cos(n,rsp)：是孔径面法线与矢径rsp之间夹角的余弦,原则上，无论何种场区内的场，均应由上式计算求得。特别是感应场区内，上式难以
6、做任何简化。但是，在辐射场区内，从实际工程和测试工作角度看，可以对该式做一定的简化处理，以利计算和分析，而又不损其精度。,孔径天线产生的场辐射近场区,做如下近似,k1/rsp，就是说这个区域辐射场已远大于感应场，因而式中圆括号内的1/rsp项可以忽略 振幅项中1/rsp 1/r cos(n,rsp) cos 相位项中的rsp不能用r近似,随距离r的增加，场的振幅按1/r的关系非单调衰减，而是先震荡地变化，然后单调地下降 场振幅的相对角分布与离天线的距离有关，亦即在不同的距离处天线的方向图是不同的,孔径天线产生的场辐射近场区,可以看到，离天线很近时，方向图只有一个具有起伏包络的波瓣。随着离天线距
7、离的增加，方向图才逐渐接近于无穷远处的情况，形成较明显的主瓣和副瓣，但副瓣电平和零值电平均较高。,辐射近场区方向图的变化,孔径天线产生的场辐射远场区,由于这个区域离开天线的孔径更远， 将 进一步简化为,这一近似实际上就是把孔径上任意点到观察点p的射线都看成是平行的，得,可以看出，式中积分内没有与r有关的因子，因此，远区辐射场随距离的变化有以下的特点： 场的振幅按1/r的关系单调地衰减； 方向图与距离无关，且方向图主副瓣已明显形成，零值点也很深。,辐射近场区测量天线的误差分析,孔径轴线（z轴）方向上测量的误差,轴线方向,（辐射近场区）,（辐射远场区）,在辐射近场区内测量相对误差为,辐射近场区测量
8、天线的误差分析,在辐射近场区内测量相对误差为,设孔径场 常数,辐射近场区测量天线的误差分析,矩形孔径相对误差,矩形孔径沿x方向的边长,矩形孔径沿y方向的边长,式中：,圆形孔径相对误差,圆孔径的直径,辐射近场区测量天线的误差分析,增益系数G矩形孔径相对误差,矩形孔径沿x方向的边长,矩形孔径沿y方向的边长,式中：,增益系数G圆形孔径相对误差,圆孔径的直径,辐射近场区测量天线的误差分析,场强相对误差 与 的关系,孔径窄边的长度,孔径窄边的长度,孔径宽边的长度,增益相对误差 与 的关系,发射和接收天线的互易性,一副天线的方向特性与它作接收或作发射的工作方式是无关的,缩尺模型技术,缩尺模型技术是指在满足
9、一定前提条件下，将真实天线按一定的缩尺比例缩小（或放大）成便于测试的模型天线，通过对模型天线的测量，便可得到真实天线的各参数特性，然后，再据此制作出实际使用的真实全尺寸天线。,缩尺模型技术是指在满足一定前提条件下，将真实天线按一定的缩尺比例缩小（或放大）成便于测试的模型天线，通过对模型天线的测量，便可得到真实天线的各参数特性，然后，再据此制作出实际使用的真实全尺寸天线。,优点,缩尺模型 技术是指在满足一定前提条件下，将真实天线按一定的缩尺比例缩小（或放大）成便于测试的模型天线，通过对模型天线的测量，便可得到真实天线的各参数特性，然后，再据此制作出实际使用的真实全尺寸天线。,模型天线用料少，制作
10、简便； 研制新天线时，在模型上易于修改天线几何参数和结构，且用费省； 便于在不太大的测试场地上进行天线多种性能的测试； 有些真实天线特性现场测试困难（如机载星载天线，船舶天线等）通过缩尺模型技术有利于了解天线特性； 可以根据手边现有材料和仪器设备情况，选择合适的缩尺比例开展测试工作，不会因缺乏测试真实天线的仪器及所用材料而影响工作的进行。,定义,缩尺模型技术,缩尺模型技术,模型天线和真实天线 都放于自由空间中,模型天线与真实天线 电磁场应相同,，,真实天线的几何尺寸缩小(或放大)m倍而做成的模型天线，其相应的导电率和测试频率均应增加（或减小）m ，这样才能保持模型天线与真实天线有相同的电磁场。
11、 真实天线和模型天线所处媒质中的介电常数和导磁率相同 （ ）且天线系统中不能包含铁氧体等非线性材料。,缩尺模型技术,线尺寸,工作频率,导电率,导磁率,介电常数,M:模型天线 F:真实天线 m:缩尺因子,m大于1，则将真实天线缩小；m小于1，则将真实天线放大。,一般天线所用材料导电率已较大，故导电率增加m倍的条件实际上不可能满足。但因导电率仅决定损耗电阻，当模型天线和真实天线的辐射电阻比损耗电阻大很多时，导电率按缩尺比变化的条件是不是至关重要的。不过，一般还是尽量考虑用导电率高的铜或镀银材料来制作缩小的模型天线为宜。考虑到趋表效应，线天线的直径以按 倍缩小为宜。,地面影响考虑,接收点场强随高度和地面反射大小的变化,直射波和地面反射波的合成,
