哈工大天線實驗報告

1、Harbin Institute of Technology天線原理實驗報告課程名稱： 天線原理 班級： 姓名： 學(xué)號： 同組人： 指導(dǎo)教師： 實驗時間： 實驗成績： 注：本報告僅供參考哈爾濱工業(yè)大學(xué)一、實驗?zāi)康?. 掌握喇叭天線的原理。2. 掌握天線方向圖等電參數(shù)的意義。3. 掌握天線測試方法。二、實驗原理1. 天線電參數(shù)(1).發(fā)射天線電參數(shù)a.方向圖：天線的輻射電磁場在固定距離上隨空間角坐標分布的圖形。b.方向性系數(shù)：在相同輻射功率，相同距離情況下，天線在該方向上的輻射功率密度Smax與無方向性天線在該方向上的輻射功率密度S0之比值。c.有效長度：在保持該天線最大輻射場強不變的條件下，假

2、設(shè)天線上的電流均勻分布時的等效長度。d.天線效率：表征天線將高頻電流或?qū)Р芰哭D(zhuǎn)換為無線電波能量的有效程度。e.天線增益：在相同輸入功率、相同距離條件下，天線在最大輻射方向上的功率密度Smax與無方向性天線在該方向上的功率密度S0之比值。f.輸入阻抗：天線輸入端呈現(xiàn)的阻抗值。g.極化：天線的極化是指該天線在給定空間方向上遠區(qū)無線電波的極化。h.頻帶寬度：天線電參數(shù)保持在規(guī)定的技術(shù)要求范圍內(nèi)的工作頻率范圍。(2).接收天線電參數(shù):除了上述參數(shù)以外，接收天線還有一些特有的電參數(shù)：等效面積和等效噪聲溫度。a.等效面積：天線的極化與來波極化匹配，且負載與天線阻抗共軛匹配的最佳狀態(tài)下，天線在該方向上所接

3、收的功率與入射電波功率密度之比。b.等效噪聲溫度：描述天線向接收機輸送噪聲功率的參數(shù)。2. 喇叭天線由逐漸張開的波導(dǎo)構(gòu)成，是一種應(yīng)用廣泛的微波天線。按口徑形狀可分為矩形喇叭天線與圓形喇叭天線等。波導(dǎo)終端開口原則上可構(gòu)成波導(dǎo)輻射器，由于口徑尺寸小，產(chǎn)生的波束過寬；另外，波導(dǎo)終端尺寸的突變除產(chǎn)生高次模外，反射較大，與波導(dǎo)匹配不良。為改善這種情況，可使波導(dǎo)尺寸加大，以便減少反射，又可在較大口徑上使波束變窄。(1).H面扇形喇叭：若保持矩形波導(dǎo)窄邊尺寸不變，逐漸張開寬邊可得H面扇形喇叭。(2).E面扇形喇叭：若保持矩形波導(dǎo)寬邊尺寸不變，逐漸張開窄邊可得H面扇形喇叭。(3).角錐喇叭：矩形波導(dǎo)寬邊和窄邊

4、同時張開所形成的。(4).圓錐喇叭：圓波導(dǎo)半徑逐漸張開形成。3. 方向圖測量（測試環(huán)境、最小測試距離、極化）測試環(huán)境：最理想的場地是自由空間，可以通過微波暗室來模擬，本次實驗在實驗室進行測量，測量過程中由于各種反射折射及其他無線電波的干擾，對實驗結(jié)果有一定干擾。最小測試距離：實際測量中，發(fā)射天線到接收天線距離有限，為保證測量精度需規(guī)定被測天線入射波的幅度、相位條件來確定最小測試距離。極化：天線在給定空間方向上遠區(qū)無線電波的極化，通常指天線在其最大輻射方向上的極化。天線不能接收與其正交的極化分量，只有天線極化與來波極化一致時為極化匹配，接收機才可獲得最大功率，極化失配時需乘以失配因子。4. E面

5、、H面、主瓣寬度等概念(1).E面：通過最大輻射方向并與電場矢量平行的平面。(2).H面：通過最大輻射方向并與磁場矢量平行的平面。(3).天線的極坐標方向圖呈波瓣形。最大的波瓣叫做主瓣，其余的叫副瓣或旁瓣,與主瓣相反方向上的副瓣叫后瓣。a.零功率點波瓣寬度：是指主瓣最大值兩邊兩個零輻射方向之間的夾角。b.半功率點波瓣寬度：是指主瓣最大值兩邊場強等于最大場強的0.707倍的兩輻射方向之間的夾角。波瓣參數(shù)是輻射能量在空間分布的一種表征。三、實驗儀器發(fā)射喇叭天線：楔形角錐喇叭接收喇叭天線：H面扇形喇叭、E面扇形喇叭、楔形角錐喇叭、圓錐喇叭功率顯示器：電源、工作盤四、實驗步驟(1).將發(fā)射角錐喇叭天線

6、與接收喇叭天線（E面扇形喇叭）垂直固定于工作盤，使其在同一高度，并對準開口測E面方向圖。(2).左右旋轉(zhuǎn)接收喇叭天線同時觀察功率表找到最大值點，將該點對準刻度盤0°。(3).向左旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤，每轉(zhuǎn)1°讀一次示數(shù)并記錄，讀到電流變不再有示數(shù)顯示為止。(4).刻度盤歸零，向右旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤步驟同上一步。(5).接收喇叭天線換成其他類型，測出數(shù)據(jù)，步驟同上。(6).用matlab將所得數(shù)據(jù)換算成dB值并進行歸一化處理。在OriginPro上輸入數(shù)據(jù)，畫出極坐標圖。五、實驗數(shù)據(jù)將測量得到的原始數(shù)據(jù)換算成dB,再進行歸一化（減去每組最大dB值）處理后得到的dB數(shù)值如下。未測量得到的角度將其歸一

7、化dB值設(shè)為-50dB，此處僅列出測量后處理得到數(shù)值。(1).E面喇叭E面：角度歸一化功率角度歸一化功率0-1.76931348-36.109181-0.5557349-36.109182-0.13606350-36.1091830351-36.109184-0.5557352-32.054535-1.6093353-29.177716-3.33773354-22.246247-5.66395355-18.191588-8.38329356-12.130239-13.08333357-9.0286810-18.19158358-5.6639511-22.24624359-3.5282112-2

8、6.9462713-32.0545314-36.1091815-36.1091816-36.10918H面：角度歸一化功率角度歸一化功率0-0.93819327-42.046931-1.10348328-42.046932-1.4425329-42.0469330330-35.115454-1.79341331-35.115455-2.15709332-35.115456-2.53449333-35.115457-2.9267334-31.06088-3.76051335-28.183989-4.67023336-25.9525510-5.67106337-24.1293311-6.49345

9、338-22.5878212-7.38957339-21.2525113-8.03495340-20.0746814-8.72488341-19.0210815-9.85817342-17.1978616-11.1365343-15.6563517-12.0896344-14.3210418-14.32104345-12.089619-15.65635346-10.2663920-17.19786347-8.3739721-19.02108348-7.7070522-20.07468349-6.4934523-21.25251350-5.9377524-24.12933351-5.158132

10、5-25.95255352-4.4349326-28.18398353-3.5454527-31.0608354-2.5344928-35.11545355-2.1570929-35.11545356-1.7934130-35.11545357-1.442531-42.04693358-1.2715532-42.04693359-1.1034833-42.04693(2).H面喇叭E面：角度歸一化功率角度歸一化功率0-1.25163356-0.606251-2.68264357-0.606252-3.48307358-1.251633-3.48307359-1.251634-4.353185-

11、5.306286-5.306287-5.306288-5.306289-6.3598910-6.3598911-5.3062812-6.3598913-6.3598914-7.5377215-10.4145416-12.2377517-12.2377518-14.4691919-14.4691920-17.3460121-17.3460122-21.4006623-21.4006624-28.3321325-28.3321326-28.3321327-28.3321328-28.33213H面：角度歸一化功率角度歸一化功率00340-28.9037210341-28.903722-1.1778

12、3342-28.903723-1.82322343-28.903724-3.25422344-21.972255-4.05465345-21.972256-5.87787346-17.917597-6.93147347-17.917598-8.1093348-15.040779-9.44462349-12.8093410-10.98612350-10.9861211-15.04077351-8.109312-15.04077352-6.9314713-17.91759353-5.8778714-21.97225354-4.0546515-21.97225355-2.5131416-28.903

13、72356-2.5131417-28.90372357-1.82322358-1.17783359-0.57158(3).圓錐喇叭E面：角度歸一化功率角度歸一化功率0-0.44452315-35.409591-0.14599316-35.4095920317-31.354943-0.14599318-31.354944-0.44452319-28.478125-1.06972320-26.246696-1.56569321-26.246697-2.45122322-26.246698-3.22083323-26.246699-4.72906324-26.2466910-5.9652325-26

14、.2466911-7.68371326-26.2466912-9.3827327-26.2466913-11.43064328-26.2466914-14.00893329-26.2466915-15.95049330-26.2466916-19.31521331-26.2466917-21.54665332-26.2466918-24.42347333-26.2466919-26.24669334-24.4234720-28.47812335-22.8819621-31.35494336-21.5466522-31.35494337-20.3688223-35.40959338-20.368

15、8224-35.40959339-20.36882340-20.36882341-19.31521342-16.69157343-15.26056344-13.43735345-12.89668346-12.38374347-10.15231348-9.7601349-9.7601350-9.7601351-9.3827352-8.00119353-6.23189354-5.70545355-5.20534356-3.22083357-2.26773358-1.39762359-0.75223H面：角度歸一化功率角度歸一化功率00340-28.9037210341-28.903722-1.17

16、783342-28.903723-1.82322343-28.903724-3.25422344-21.972255-4.05465345-21.972256-5.87787346-17.917597-6.93147347-17.917598-8.1093348-15.040779-9.44462349-12.8093410-10.98612350-10.9861211-15.04077351-8.109312-15.04077352-6.9314713-17.91759353-5.8778714-21.97225354-4.0546515-21.97225355-2.5131416-28.9

17、0372356-2.5131417-28.90372357-1.82322358-1.17783359-0.57158(4).角錐喇叭E面：角度歸一化功率角度歸一化功率0-1.37201336-36.635621-1.97826337-29.704142-3.31357338-25.649493-4.05465339-22.772674-4.85508340-18.718025-6.67829341-15.84126-7.7319342-14.663377-8.90973343-13.609778-11.78655344-11.786559-12.65666345-9.5551110-14.6

18、6337346-7.731911-15.8412347-6.6782912-18.71802348-4.8550813-20.54124349-4.0546514-22.77267350-3.3135715-25.64949351-1.9782616-29.70414352-1.3720117-36.63562353-0.80043354-0.25975355-0.259753560357-0.25975358-0.52644359-0.80043H面：00342-36.3758610343-36.3758620344-29.4443930345-25.389744-0.54067346-22

19、.512925-0.82238347-22.512926-1.7185348-18.458277-2.36389349-15.581458-3.7949350-13.350019-5.02092351-11.526810-6.41854352-8.6499711-8.04373353-7.4721412-9.98529354-5.9306413-13.35001355-4.5953214-15.58145356-2.3638915-20.28148357-1.718516-22.51292358-1.1122617-29.44439359-0.2666818-29.4443919-36.375

20、8620-36.3758621-36.37586六、實驗結(jié)果因為所畫的極坐標為功率歸一化后結(jié)果所畫的圖，所以只需求出兩個和最大值相差3dB的點之間的夾角即為(1).E面喇叭E平面 H平面 (2).H面喇叭E平面 H平面 (3).圓錐喇叭E平面 H平面 (4).角錐喇叭E平面 H平面 E面喇叭的E面半功率點波瓣寬度小于H面；H面喇叭E面波瓣寬度大于H面；單從這次實驗數(shù)據(jù)中圓錐喇叭E面大于H面，而角錐喇叭E面H面波瓣寬度相等。E面喇叭方向圖中E平面能量集中在最大輻射方向上，而H面在較大角度內(nèi)的能量變化不大（半功率點波瓣寬度更寬）；而H面喇叭情況恰好相反。圓錐喇叭和角錐喇叭的方向圖中E面和H面情況大

21、致相同。七、實驗總結(jié)通過本次實驗對四種不同喇叭天線的功率測量，并且通過實驗數(shù)據(jù)來觀測方向圖，使我對天線的原理有了更深刻的理解。在實驗中通過讀取與接收天線相連的電流表的示數(shù)（此處電流表示數(shù)等價于功率值，是功率值相對大小的一種表征）來確定每個相位角的輻射能力的大小。由E面喇叭和H面喇叭兩種天線可以看出E面和H面的輻射場分別與天線開口口徑有線性關(guān)系，因此可以通過調(diào)整天線口徑大小從而調(diào)整天線的輻射方向圖的主瓣的寬度，適應(yīng)不同的需求。在實驗中也學(xué)會了如何利用excel處理大批量數(shù)據(jù)，也熟悉了OriginPro軟件的使用，方便快捷的得到所需要的方向圖。實驗中把E面喇叭的E面與H面弄反了，經(jīng)過老師提醒改正了

22、過來。做實驗時得到數(shù)據(jù)后，自己還缺少分析數(shù)據(jù)與理論值這一過程導(dǎo)致出錯。另由于實驗中，實驗設(shè)備以及實驗環(huán)境的影響導(dǎo)致實驗結(jié)果與理論間確實存在一定的差距。通過對實驗原理的學(xué)習(xí)和測量的結(jié)果的分析，可以知道天線的方向性圖與天線喇叭口徑的尺寸和形狀有關(guān)系。實驗二、演示實驗1通過觀看“微波暗室測試天線”視頻教學(xué)內(nèi)容你了解了幾個問題？將這些問題概括出來并作簡要回答。(1).微波暗室構(gòu)成：a.屏蔽室：由屏蔽殼體、屏蔽門、通風(fēng)波導(dǎo)窗及各類電源濾波器等組成，其中門的造價最高。吸波材料：錐形含碳海綿吸波材料，錐形含碳海綿吸波材料是由聚氨脂泡沫塑料在碳膠溶液中滲透而成。具有較好的阻燃特性。其它：主要有信號傳輸板、轉(zhuǎn)臺

23、、天線、監(jiān)控系統(tǒng)等。(2).功能：提供人為空曠的“自由空間”條件，用吸波材料來制造一個封閉空間，這樣就可在暗室內(nèi)制造出一個純凈的電磁環(huán)境。在暗室內(nèi)做天線、雷達等無線通訊產(chǎn)品和電子產(chǎn)品測試可以免受雜波干擾,提高被測設(shè)備的測試精度和效率。(3).工作原理：根據(jù)電磁波在介質(zhì)中從低磁導(dǎo)向高磁導(dǎo)方向傳播的規(guī)律，利用高磁導(dǎo)率吸波材料引導(dǎo)電磁波，通過共振，大量吸收電磁波的輻射能量，再通過耦合把電磁波的能量轉(zhuǎn)變成熱能。2通過觀看“矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的使用”視頻教學(xué)內(nèi)容你了解了幾個問題？將這些問題概括出來并作簡要回答。(1). 什么是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀？矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀器是一種電磁波能量的測試設(shè)備。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的原理與

24、使用力直接決于系統(tǒng)的動態(tài)范圍指標。相位波動參數(shù)的測試是利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的電子延遲功能來實現(xiàn)的。(2).為何矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀這么貴？矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀除信號捕獲分析外還提供了一個操作系統(tǒng)，上面安裝了一些軟件。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀功能很多，被稱為“儀器之王”，是射頻微波領(lǐng)域的萬用表，對使用者的專業(yè)技術(shù)要求還是比較高的；矢網(wǎng)主要是根據(jù)頻率來劃分的，頻率越高，價格自然就越高。但我覺得可以把很多功能放到外接PC機上，比如處理分析這類，完全可以依靠外界操作系統(tǒng)及其它軟件來處理。(3).工作原理：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀本身自帶了一個信號發(fā)生器，可以對一個頻段進行頻率掃描。如果是單端口測量的話，將激勵信號加在端口上，通過測量反射回來信號的幅度和相位，以判斷出阻抗或者反射情況。而對于雙端口測量，則還可以測量傳輸參數(shù)。由于受分布參數(shù)等影響明顯，所以網(wǎng)絡(luò)分析儀使用之前必須進行校準。3我們使用的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可以測試二端口網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)，試采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀設(shè)計一個天線方向圖測試系統(tǒng)，并說明測試方法。(1).測試系統(tǒng)： (2).測試方法：在室外遠距離測試時，通常采用分體式矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的方案