天線測量第三章

方向圖測量方向圖測量引言最小測試距離最小輔助天線孔徑天線測試場場強(qiáng)測量方向圖測量方向圖測量誤差討論天線相位中心的測定方向圖測量測量方向圖的坐標(biāo)場強(qiáng)方向圖測量場強(qiáng)振幅功率方向圖測量功率極化方向圖測量極化相位方向圖測量相位坐標(biāo)直角坐標(biāo)易于顯示天線方向圖的主瓣窄而副般電平低時(shí)的場分布不直觀，較難以直接看出天線輻射場強(qiáng)的空間分布特性極坐標(biāo)直觀、簡單，從方向圖可以直接看出天線輻射場強(qiáng)的空間分布特性當(dāng)天線方向圖的主瓣窄而副般電平低時(shí)，極坐標(biāo)標(biāo)繪制法顯示缺點(diǎn)坐標(biāo)系(a)極坐標(biāo)(b)直角坐標(biāo)方向圖的歸一化相對場強(qiáng)相對場強(qiáng)分貝等值線繪制方向圖直角坐標(biāo)直角-拋物線坐標(biāo)極坐標(biāo)等值線方向的主瓣象一個(gè)高山，而副瓣則象一個(gè)個(gè)小的山頭優(yōu)點(diǎn)是可以在簡單的紙平面上看出空間的方向特性最小測試距離最小測試距離與收、發(fā)天線的方向特性及我們對測試精度的要求等因素有關(guān)最小測試距離收、發(fā)天線一副為弱方向性，一副為強(qiáng)方向性天線收、發(fā)天線均勻強(qiáng)方向性天線收、發(fā)天線均勻弱方向性天線收、發(fā)天線一弱一強(qiáng)方向性天線球面波故可以忽略若令行程差則相位差收、發(fā)天線一弱一強(qiáng)方向性天線允許行程差

最小距離

接收天線功率比

0.940.99實(shí)踐表明，一般選取時(shí)，所測得的天線方向圖已有足夠精度，這是因?yàn)橐环矫嫠鼭M足了遠(yuǎn)場條件，另方面照射接收天線孔徑的場強(qiáng)已比較均勻。收、發(fā)天線均勻強(qiáng)方向性天線輔助源天線待測接收天線令最大允許的值為：

強(qiáng)方向天線：收、發(fā)天線均勻強(qiáng)方向性天線最小測試距離

接收天線功率比

20.92.50.9460.99N值所相對應(yīng)的最小測試距離和待測電線孔徑接收功率的最大變化關(guān)系收、發(fā)天線均勻弱方向性天線在天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射場中進(jìn)行測試，已滿足均勻平面波前照射待測天線孔徑的要求最小測試距離如果要求感應(yīng)場與輻射場之比比-16分貝還應(yīng)低，即要求感應(yīng)場對輻射場的影響更小些時(shí)，可將最小測試距離選得更大些。收、發(fā)天線均勻弱方向性天線最小測試距離

感應(yīng)場/輻射場(dB)-16-22-25-30-36討論輔助源天線與待測接收天線之間的測試距離重要是根據(jù)待測天線孔徑功率分布均勻、相位分布接近平面波條件而定。因此，應(yīng)由收、發(fā)天線孔徑最大線尺寸及方向特性來正確選定最小測試距離。當(dāng)待測天線為強(qiáng)方向性天線時(shí)，為了在相同測試精度條件下選取較小的最小測試距離，輔助天線宜選用弱方向性天線。自然，如果測試場地允許，為了減小地面影響，輔助天線也可以采用強(qiáng)方向性天線。最小輔助天線孔徑最小輔助天線孔徑據(jù)已知工作頻率和待測天線孔徑尺寸，選定最小測試距離據(jù)最小測試距離選定找出輔助天線的波瓣寬度最小輔助天線孔徑找出與所要求功率漸變值相對應(yīng)的最小輔助源天線的孔徑尺寸天線測試場真實(shí)地模擬自由空間天線測試場自由空間測試場架高測試場傾斜測試場無反射室矩形無反射室錐形無反射室反射測試場架高測試場強(qiáng)方向性天線第一個(gè)零值點(diǎn)天線最低架設(shè)高度地面反射影響消除方法二次反射法輔助天線和待測天線均不放在高建筑物的邊緣處，而是離開邊緣一定的距離，使反射波予以減弱。這種方法可以使反射波強(qiáng)度減至—22dB以下。地面反射影響消除方法在收、發(fā)天線之間的地面上的適當(dāng)位置處放置一個(gè)或多個(gè)金屬反射柵，以使反射波場強(qiáng)不到達(dá)待測天線處。為了進(jìn)一步減小反射柵邊緣散射的影響，可以在柵頂上涂以電磁波吸收材料反射柵法地面反射影響消除方法垂直測試法將待測天線裴于絕緣材料（如木材）做成的高塔上，輔助天線放于地面，其最大輻射方向朝上，這樣也可以減小地面影響，但要注意塔架的影響，最好在它靠近天線的一面涂以電磁波吸收材料。地面反射影響消除方法頻率調(diào)制法將輔助天線作發(fā)射天線,將發(fā)射信號用鋸齒波進(jìn)行頻率調(diào)制，然后將其一部分通過傳輸直接送到接收天線端的混頻器，讓它與待測天線所接收到的直射波和反射波信號在混頻器中相混傾斜測試場優(yōu)點(diǎn)是比高架法所需測試場地面積小些，而且根據(jù)待測天線和源天線輻射特性，可以改變待測天線在塔上放置的高度及源天線與待測天線之間的距離。無反射室無反射室：墻壁、天花板、地板均鋪上高頻吸收高頻材料的室內(nèi)測試場優(yōu)點(diǎn)：全天候工作，便于保密和避免外來電磁干擾，工作可靠，易于接近（a）矩形無反射室（b）錐形無反射室矩形無反射室?guī)缀纬叽绲脑O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為：錐形無反射室?guī)缀纬叽绲脑O(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)為：無反射室的寬度和高度源天線和待測天線之間的距離源天線到側(cè)壁的垂直距離待測天線到側(cè)壁的垂直距離4米X4米X8米微波暗室4米X4米X8米微波暗室大型微波暗室大型微波暗室平面近場測量系統(tǒng)平面近場測量系統(tǒng)球面近場測量系統(tǒng)緊縮場測量系統(tǒng)反射測試場1.地面的不平度應(yīng)滿足公認(rèn)的瑞利準(zhǔn)則2.入射射線與地平面之間的夾角應(yīng)小

3.為了使地面的反射較理想和穩(wěn)定，必要時(shí)可以鋪設(shè)地網(wǎng)。為了避免地面波效應(yīng)，天線的建設(shè)高度以大于2個(gè)波長為宜。4.待測天線最好架設(shè)于垂直面駐波干涉圖的第一個(gè)峰值處。5.由于待測天線所接收的場強(qiáng)是源天線直射波和源天線鏡像直射波（即地面反射波）相干涉的結(jié)果，因此，待測天線方向圖最大值應(yīng)指向源天線及其鏡像的等效相位中心場強(qiáng)測量天線在自由空間輻射的電場和磁場振幅之間關(guān)系通常所說的場強(qiáng)測量均指電場的測量標(biāo)準(zhǔn)天線法由標(biāo)準(zhǔn)天線的尺寸、型式及測得的電壓來計(jì)算場強(qiáng)振幅值標(biāo)準(zhǔn)場法由待測場強(qiáng)在天線中感應(yīng)的電壓與標(biāo)準(zhǔn)場強(qiáng)在天線中感應(yīng)的電壓相比較而求得場強(qiáng)振幅值場強(qiáng)測量標(biāo)準(zhǔn)天線法標(biāo)準(zhǔn)天線法是用感應(yīng)電壓易于計(jì)算的一些天線型式作標(biāo)準(zhǔn)天線。待測場強(qiáng)E與其在標(biāo)準(zhǔn)天線中所感應(yīng)的電壓U之間有如下關(guān)系：天線的有效長度（m）標(biāo)準(zhǔn)天線法環(huán)天線半波天線單極天線標(biāo)準(zhǔn)天線喇叭天線標(biāo)準(zhǔn)天線標(biāo)準(zhǔn)天線法天線的有效長度（m）待測場在標(biāo)準(zhǔn)天線感應(yīng)的電壓電壓表測取的電壓電壓轉(zhuǎn)換比校準(zhǔn)方法直接代替法①調(diào)整環(huán)天線的方向及調(diào)諧電容C，使接收的載頻有最大輸出；②調(diào)整接收機(jī)的衰減器，使輸出電壓表上有適當(dāng)?shù)淖x數(shù)V(一般以刻度的80%左右為宜)；③將環(huán)天線轉(zhuǎn)動(dòng)90°使輸出指示最小(即僅有微弱的殘余待測場)；④打開標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器并調(diào)整它，使得與殘余待測場零拍；⑤調(diào)整信號發(fā)生器輸出的標(biāo)準(zhǔn)電壓，使輸出電壓表仍保持先前的讀數(shù)V。于是，標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器輸出的電壓就等于等效的感應(yīng)電壓。環(huán)天線的場強(qiáng)值為標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器輸出在R兩端的電壓環(huán)天線的有效長度環(huán)面積匝數(shù)要求信號發(fā)生器的輸出阻抗低，以便有環(huán)天線相串后，不顯著降低Q值。直接代替法誤差調(diào)諧環(huán)天線上的感應(yīng)電壓具有分布特性，而校準(zhǔn)電壓是在環(huán)的中心或某一端饋入的集中電壓，因此，必然存在測量誤差。此誤差是由環(huán)天線分布電容所產(chǎn)生，它是待測場頻率與環(huán)天線自然諧振頻率之比的函數(shù)。若校準(zhǔn)電壓在環(huán)的中心饋入時(shí)，誤差修正因子可以用下式近似計(jì)算待測場頻率環(huán)天線的自然諧振頻率誤差修正因子標(biāo)準(zhǔn)天線法Q值法使加到接收機(jī)(或真空管電壓表)的校準(zhǔn)電壓與待測場在環(huán)天線輸出端測得的電壓相等效的條件下，再測量環(huán)天線的Q值，進(jìn)而求得環(huán)天線中所感應(yīng)的電壓。據(jù)此電壓和環(huán)天線的有效長度來計(jì)算場強(qiáng)。半波偶極天線的校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器輸出端的開路電壓半波偶極天線的有效長度半波偶極天線上的電流為正弦分布，則其有效長度可寫為標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器的阻抗應(yīng)等于半波偶極天線的阻抗標(biāo)準(zhǔn)場法接收天線處的已知場可以由發(fā)射天線尺寸、天線上的電流及分布情況、離接收天線的距離、地面影響等參數(shù)計(jì)算得到，也可以用直接代替法中的標(biāo)準(zhǔn)接收天線測得。本地發(fā)射機(jī)在接收天線處建立一個(gè)已知場，把由它在接收天線中感應(yīng)的電壓與待測感應(yīng)的電壓相比較而求得未知待測場強(qiáng)。感應(yīng)場法

標(biāo)準(zhǔn)場法輻射場法

場強(qiáng)相位的測量測量天線孔徑面的相位圖，可以預(yù)算遠(yuǎn)場方向圖；測量近場相位圖，可以判定反射器天線初級饋源的相位中心以及它是否置于反射器的焦點(diǎn)上；研究天線罩、透鏡階梯以及他散射體所產(chǎn)生的場失真時(shí)，測量相位圖也是有用的基本測量方法近場場測量遠(yuǎn)場測量相位測量電路測量線相位測量電路兩振幅相節(jié)點(diǎn)移位量測量線中的波長所測相位值相位測量電路電橋相位測量電路從校準(zhǔn)移相器的刻度直接讀出待測信號的相位值所有聯(lián)接裝置的反射都應(yīng)盡可能小，且可變衰減器不應(yīng)引起相位畸變方向圖測量現(xiàn)場測量天線結(jié)構(gòu)龐大、笨重（如長、中、短波廣播發(fā)射天線、干線通信天線，電視發(fā)射天線等），不便搬動(dòng)、運(yùn)轉(zhuǎn)；某些天線方向圖特性受放置天線場地的影響很大，而實(shí)際使用又必須包括這些影響時(shí)（如一些機(jī)載、艦載、車載天線），測試工作均需在天線使用現(xiàn)場進(jìn)行。采用現(xiàn)場測量方法的待測天線通常都固定不動(dòng)，而讓輔助天線繞待測天線在感興趣的平面內(nèi)作圓周運(yùn)動(dòng)，以測取該平面的方向圖?，F(xiàn)場測量地面測試法空中測試法地面測試法只限于測繪天線的水平面方向圖主瓣測天線作發(fā)射，且固定不動(dòng)。離開天線中心距離為r（滿足遠(yuǎn)場輻射條件）的一個(gè)預(yù)定的扇形區(qū)域內(nèi)，用經(jīng)緯儀在為半徑的圓弧上選定一系列方位角試點(diǎn)，然后，在各點(diǎn)進(jìn)行相對場強(qiáng)測量，從而得到地平面方向圖的主瓣特性。缺點(diǎn)：準(zhǔn)確性差測量區(qū)域地面不平坦，很難保證所有各測量點(diǎn)均在同一水平面內(nèi)及等距離處地面附近的波前畸變而常引起場的極化和電平失真只能測水平面在現(xiàn)場進(jìn)行測試的天線主瓣往往不完全在水平面內(nèi)，它有一定的仰角，因此，難以獲得真實(shí)的主瓣特性測量工作復(fù)雜事先要進(jìn)行選擇環(huán)天線路線和測量點(diǎn)方位定標(biāo)等準(zhǔn)備工作，測量時(shí)耗費(fèi)的精力和時(shí)間也很多。空中測試法固定待測天線不動(dòng)，一般作接收天線輔助源天線由普通飛機(jī)、直升飛機(jī)、小型飛船、氣球等運(yùn)載工具攜帶，繞待測天線在所需測試的平面內(nèi)做圓弧運(yùn)動(dòng)，據(jù)不同角位置時(shí)待測天線接收到的相對場強(qiáng)大小，就求得了該平面內(nèi)的方向特圖特性。源天線方向圖之有用部份應(yīng)盡可能均勻（即弱方向性或全方向性天線）水平極化天線垂直極化天線較低頻率空中測試法較高頻率現(xiàn)場測試方向圖都十分麻煩且精度較差。除非特殊情況，一般以采用測試場測量為好。測試場測量輔助天線固定不動(dòng)，待測天線繞自身的通過相位中心的軸旋轉(zhuǎn)。通常，輔助天線作發(fā)射，待測天線作接收，待測天線裝在特制的有角標(biāo)指示的轉(zhuǎn)臺上。測試水平方向圖時(shí)，可讓待測天線在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，記下不同方位角時(shí)相應(yīng)的場強(qiáng)響應(yīng)，在適當(dāng)?shù)淖鴺?biāo)紙上繪出方向圖曲線。測試垂直面方向圖時(shí)，可以將待測天線繞水平軸轉(zhuǎn)動(dòng)90°后，仍按測水平面方向圖的辦法得到；也可以直接在垂直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)待測天線，測取不同仰角時(shí)的場強(qiáng)響應(yīng)而得到。場強(qiáng)響應(yīng)的讀取方法有兩種：一種是由接收機(jī)檢波輸出指示器直接讀取，另一種是改變接收機(jī)衰減器的衰減量，使檢波器輸出指示器讀數(shù)保持不變，由衰減量的衰減量差值來讀取。測試場測量方向圖的自動(dòng)繪制優(yōu)點(diǎn)：測量結(jié)果與信號源功率變化、接收機(jī)靈敏度的變化及整個(gè)接收系統(tǒng)的振幅特性無關(guān)。采用可變衰減器可以保證大的動(dòng)態(tài)范圍，從而能測量較低電平的副瓣特性。方向圖測量的注意事項(xiàng)根據(jù)互易原理，待測天線可以作接收，也可以作發(fā)射，視進(jìn)行測量的方便程度而選定，但測試方法和結(jié)果是不變的。收、發(fā)天線之間的距離應(yīng)大于第二節(jié)討論的最小測試距離。測量主平面方向圖時(shí)，收、發(fā)天線的最大輻射方向應(yīng)對準(zhǔn)，且都在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)。天線轉(zhuǎn)動(dòng)的軸線應(yīng)通過天線的相位中心。若非連續(xù)記錄而是逐點(diǎn)測試時(shí)，視天線方向圖波瓣的多少和大小、應(yīng)選取足夠的測試點(diǎn)。一般來說，一個(gè)波瓣的測試點(diǎn)應(yīng)不少于10~20個(gè)，且對波瓣最大值和最小值所在區(qū)域更應(yīng)特別注意。測試時(shí)必須注意信號源輸出的穩(wěn)定和接收機(jī)的校準(zhǔn)。向圖測量誤差討論測量誤差周圍物體發(fā)射引起的誤差方向圖角度測量誤差周圍物體發(fā)射引起的誤差線測試場周圍物體（如高大建筑物或山峰等）的反射也會給方向圖測量帶來誤差，特別是測量副瓣電平時(shí)可能導(dǎo)致的誤差最為嚴(yán)重周圍物體發(fā)射引起的誤差