天線輻射的方向特性13

1、天線輻射的方向特性25系07級(jí) 李雅箏 pb07025011 日期：10月17號(hào)一：實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、理解天線輻射的相關(guān)原理知識(shí)，對(duì)天線的方向圖及其相關(guān)參數(shù)有一定的認(rèn)識(shí)。2、測(cè)定右手螺旋天線的方向特性。二：實(shí)驗(yàn)儀器及相關(guān)術(shù)語旋轉(zhuǎn)天線盤；喇叭形天線；微波吸收器；右手螺旋天線；波導(dǎo)式天線； 計(jì)算機(jī)及測(cè)試軟件。術(shù)語：偶極子天線；波導(dǎo)式天線；極坐標(biāo)；右手螺旋天線。三：實(shí)驗(yàn)原理任何實(shí)用天線的輻射都具有方向性，通常將天線遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)的振幅與方向間的關(guān)系用曲線表示出來，這種曲線圖被稱之為天線的輻射方向圖；而將離開天線一定距離 R處的天線遠(yuǎn)區(qū)的輻射場(chǎng)量與角度坐標(biāo)間的關(guān)系式稱為天線的方向圖函數(shù)，記為|F( 9 ,枷。電

2、流元的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)量在相同距離R的球面上不同方向的各點(diǎn)，場(chǎng)強(qiáng)是不同的，它與|sin8|成正比，因此，電流元的方向圖函數(shù)，記為 |F(8,后)| F( 91 = |sin |。為 了畫出電流元的輻射方向圖，將電流元中心置于坐標(biāo)原點(diǎn)，向各個(gè)方向作射線，并取 其長(zhǎng)度與場(chǎng)強(qiáng)的大小成正比，即得到一個(gè)立體圖形，也就是得到電流元的立體方向圖，它的形狀像汽車輪胎。如圖1 (a)所示。天線的立體方向圖一般較難畫出，通常只畫出相互垂直的兩個(gè)平面內(nèi)的方向圖，即 E面和H面方向圖。電流元 E面的方向圖處于 子午面，即電場(chǎng)分量 E。所處的平面內(nèi)的方向圖，故稱為 E面方向圖，H面方向圖處于 赤道面內(nèi)，即與磁場(chǎng)分量 H小平行

3、的平面內(nèi)的方向圖，故稱為 H面方向圖。(a)立體方向圖;(b) E面方向圖;圖1電流元的方向圖(c) H面方向圖天線的方向圖及其有關(guān)參數(shù)任何實(shí)用天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)都是隨空間的位置而變化的，因此在球坐標(biāo)系中(見圖 2所示)天線至場(chǎng)點(diǎn)距離r處的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)量只是角度九d的函數(shù)，這個(gè)函數(shù)就是方向圖函數(shù) F (9 , j) )，通常將方向1圖函數(shù)關(guān)于最大值 Fmax（ 0 , 時(shí)進(jìn)行歸一化的函數(shù)稱為歸一化方向圖函數(shù)， 記為F（ 9 , /Fmax（ 9 , 時(shí)。按歸 一化方向圖函數(shù)繪制的方向圖稱為天線的歸一化方向圖。顯然，圖3中示出的電流元E面和H面方向圖也是歸一化的方向圖（因?yàn)槠渥畲筝椛浞较蛏系淖畲笾禐?/p>

4、1）。圖2電流元的電磁場(chǎng)圖3天線方向圖的波瓣1）主瓣寬度從極坐標(biāo)的坐標(biāo)原點(diǎn)向主瓣的兩側(cè)引射線，這兩根射線間的夾角稱主瓣零點(diǎn)寬度，記為 2曙。2）副瓣電平實(shí)際天線的方向圖往往不止一個(gè)副瓣，而是有若干個(gè)副瓣。緊靠主瓣的副瓣稱為第一副瓣，依次稱 為第二，三，副瓣。天線副瓣的輻射，無論對(duì)通信還是雷達(dá)來說都是有害的，它直接影響天線的優(yōu) 劣程度。3 ）前后比天線的前后比是指天線最大輻射方向（前向）電平與其相反方向（反向）電平之比，通常也用作單 位。天線的前后比反映了天線的前、后向隔離程度或抗干擾能力。天線的前后比應(yīng)盡可能高些。4）方向性系數(shù)由于上述與方向圖有關(guān)的參數(shù)只能表示同一天線在空間各個(gè)不同方向輻射能

5、量的相對(duì)大小，但卻不能反映天線在全空間中輻射能量的集中程度。為了定量衡量天線的方向性，下面引入天線方向性系數(shù)這 一重要參數(shù)。天線的方向性系數(shù)定義為：天線在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)最大輻射方向上某點(diǎn)的平均輻射功率密度（Smax ）av與平E m ax |Pr, R相同均輻射功率相同的無方向性天線（各向同性天線）在同一點(diǎn)的平均輻射功率密度（S%之比，記為 D,“m ax av2|Pr? R相同S0 av 1式中:S max avE020120對(duì)無方向性天線，因SS0 avPr故上式為:4 R2E max60Pr，所以:m ax60 PrDR由此可見，在平均輻射功率相同情況下，有方向性天線在最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)是無方

6、向性天線的 場(chǎng)強(qiáng)的JD倍。即最大輻射方向上的平均輻射功率增大到D倍。這表明天線在其他方向輻射的部分功率加強(qiáng)到其最大輻射方向上，且主瓣越窄，加強(qiáng)到最大輻射方向上的功率就越多，則方向性系數(shù)也越大。若已知天線的歸一化方向圖函數(shù)為| F ( 9, )| ,則天線在空間任意方向上遠(yuǎn)區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度的模及平 均輻射功率密度分別為：E( , )|Emax | F( , )0(,)于是，天線的平均輻射功率為： 22prSSav( , )dS O F(222E( , ) Emax F(,)2-2402)sin d即得方向性系數(shù)的計(jì)算式D422若F( 9 , =F(9 ),即方向圖與4o |F( )sin d00 F

7、( ，) sin d d增益系數(shù)天線的增益系數(shù)定義為：天線在遠(yuǎn)場(chǎng)最大輻射方向上某點(diǎn)的平均功率密度與平均功率相同的無方向 性天線在同一點(diǎn)的平均功率密度之比，記為 G ,即( S m ax ) avS m ax avS m ax av P rG E-1 -相同武Pr 4 R2 hl D A4 R等效高度天線的等效高度(或有效長(zhǎng)度)定義為：在保持實(shí)際天線最大輻射方向上場(chǎng)強(qiáng)值不變條件下，假設(shè)天線上電流為均勻分布時(shí)無線的等效高度。它是將天線在最大輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)與天線上的電流聯(lián)系起來的一個(gè)參數(shù)，通常將等效高度歸于輸入電流的記為hein ,歸于腹電流的記為hemo天線的等效高度越高，表明天線的輻射能力越強(qiáng)

8、。四：注意事項(xiàng)1、該實(shí)驗(yàn)為高頻波，一旦天線盤專用變壓器插入插座，不要直視發(fā)射用的喇叭口。2、旋轉(zhuǎn)天線盤開啟后可自動(dòng)旋轉(zhuǎn)，除被測(cè)天線外，盤上不可放置其他物品。不要人為阻礙天線盤的自由轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)天線盤上的綠燈亮表示此時(shí)可用手去轉(zhuǎn)動(dòng)該盤；附近的紅燈代表天線盤自轉(zhuǎn)的方向.3、喇叭形天線在發(fā)射時(shí)不可直視其喇叭口。4、更換設(shè)備時(shí)，一定要先關(guān)閉天線盤電源。五：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)果分析：共進(jìn)行了三組測(cè)量（以下均為歸一化之后的圖形）1.正常測(cè)量主瓣半功率點(diǎn)張角和主瓣零點(diǎn)寬度：在主瓣兩側(cè)分別取輻射功率（場(chǎng)強(qiáng)）等于最大值方向的輻射功率的1/2（場(chǎng)強(qiáng)的1 ）處的兩點(diǎn)，角度坐標(biāo)分別為165.0和-168.5,故主瓣半功率2點(diǎn)

9、張角（2 0 0.5）E, H=26.5 。從極坐標(biāo)的坐標(biāo)原點(diǎn)向主瓣的兩側(cè)引射線，這兩條射線的角度分別為-155.0和155.5 ,即主瓣零點(diǎn)寬度2 0 0=49.5 。第一副瓣最大值 =0.39548 , 第一副瓣電平 =0.39548 dBo天線的反向電平 =0.22778 , 前后比=1/0.22778=4.39022 .在有人走動(dòng)的情況下輻射最大方向偏移了0.5 o前后比減小 |Umax|=1.96mV主瓣寬度 2。0.5 = |-180 O+165.2 o|+|180 O-176.5 o|=14.3 o最大副瓣電平 =0.945db 前后比 =1/0.243=4.2983 .兩塊吸收

10、板之間夾二塊紙板紙板起到阻擋作用使E減小最大輻射方向與圖 2相比偏離0.5 o前后比與圖2相比減小了 |Umax|=1.91mV主瓣寬度 2。0.5 = |-1800+166.6 o|+|180 0-177.7 o|=15.7 o最大副瓣電平 =0.888db 前后比 =1/0.219=4.266六：實(shí)驗(yàn)總結(jié)根據(jù)以上幾個(gè)對(duì)比試驗(yàn)的數(shù)據(jù)總結(jié)出以下結(jié)論：1 .反射板可以將散射的電磁波反射至接收天線，從而使電磁輻射強(qiáng)度明顯減小，2 .在輻射路徑中放入阻隔物都可以對(duì)電磁輻射進(jìn)行干擾。不同的阻隔物對(duì)輻射的干擾是不同的。這要看阻隔物的性質(zhì)。七：實(shí)驗(yàn)結(jié)論：天線的輻射都具有方向性，輻射場(chǎng)都是隨空間的位置而變化

11、的，因此天線的輻射是受很多因素影響的。從幾組不同實(shí)驗(yàn)的結(jié)果可以看出，在輻射受到阻隔或者其他干擾時(shí)，輻射圖像及前后比等數(shù) 據(jù)會(huì)發(fā)生很大變化。八：思考題1什么是“子午面”和“赤道面”？答：子午面是Ee所在平面 即Z-Y平面.赤道面是與磁場(chǎng)分量 Hd平行平面即X-Y平面2預(yù)計(jì)一下在偶極子天線輻射中心小范圍內(nèi)（近場(chǎng)）的電場(chǎng)瞬態(tài)分布3偶極子天線發(fā)射的能流密度與哪些物理量有關(guān)？這對(duì)實(shí)驗(yàn)有什么啟發(fā)？答：（1）偶極子天線發(fā)射的能流密度與天線中通過的電流大小，天線自身方向性，天線周圍的氣體成分以及能產(chǎn)生電磁輻射的物質(zhì)會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響有關(guān)。（2）對(duì)實(shí)驗(yàn)的啟發(fā)：可以通過改變電流大小，用幾種不同的天線，在發(fā)射天線和接受天線之間放入能產(chǎn)生電磁輻射的物質(zhì)等方法做對(duì)比實(shí)驗(yàn)。4簡(jiǎn)述