《天線工程設計基礎》課件第9章

第9章天線測量基本知識9.1天線測量的基本概念及意義9.2天線測試場的設計9.3天線遠場測量的設備9.4天線輻射特性測量9.5天線匹配特性測量9.6特性特性測量舉例9.7小結(jié)

在天線技術(shù)中，不只限于理論分析天線的電性能，測量天線的電性能參數(shù)也很重要。天線的實際電性能要通過測量鑒定。在天線測量中，可根據(jù)測量設備、場地條件等選擇待測天線為接收天線或發(fā)射天線進行測量。根據(jù)互易定理，天線作為接收天線所得電性能參數(shù)即為作為發(fā)射天線時的電性能參數(shù)。如果待測天線系統(tǒng)含有晶體管匹配網(wǎng)絡和鐵氧體等

有源元件或非線性元件，那就只能在指定工作狀態(tài)下測量。

本章簡述天線測量的基本內(nèi)容，使讀者對天線測量有個整體的了解，同時介紹課程中涉及的天線理論方面的知識。

9.1天線測量的基本概念及意義

9.1.1天線的定義和功能在無線電發(fā)射和接收系統(tǒng)中，用來發(fā)射或接收電磁波的元件，被稱為天線。天線在無線電設備中的主要功能有兩個：能量轉(zhuǎn)換功能和定向輻射(或接收)功能。天線在系統(tǒng)中的作用如圖9.1所示。圖9.1天線在收發(fā)系統(tǒng)的作用

能量轉(zhuǎn)換功能是指導行波與自由空間波之間的轉(zhuǎn)換。發(fā)射天線是將饋線引導的電磁波(高頻電流)轉(zhuǎn)換為向空間輻射的電磁波，傳向遠方；接收天線是將空間的電磁波轉(zhuǎn)換為饋

線引導的電磁波(高頻電流)，送給接收機。

定義輻射功能指天線輻射或接收電磁波具有一定的方向性。根據(jù)無線電系統(tǒng)設備的要求，發(fā)射天線可把電磁波能量集中在一定方向輻射出去，接收天線只接收特定方向傳來的電磁波。

9.1.2天線測量中的互易性

互易原理說的是天線(無源)在發(fā)射狀態(tài)與接收狀態(tài)下，其電參數(shù)是相同的。也就是說，無論待測天線在接收或發(fā)射時，測得的電參數(shù)是一致的。天線的這種特性給測量帶來了很大的機動性，但必須注意以下幾點：

(1)互易測量是針對天線的遠場參數(shù)的，如方向圖、增益、極化等，不是發(fā)射狀態(tài)下所有的參數(shù)都可在接收狀態(tài)下測量。

(2)天線上的電流或電場分布不互易。

(3)有源天線不能利用互易定理進行測量，其原因是有非線性的元件存在，只能在指定的工作狀態(tài)測量。

(4)若把待測天線與輔助天線的工作狀態(tài)互換，并保持接收信號的相位、幅度不變，則要求信號源、檢波器必須與饋線匹配。

為了證明發(fā)射和接收方向圖是相同的，需要討論互易定理。用于電磁場問題的互易定理有幾種形式。我們考慮用于天線問題的兩種形式。先討論Lorentz互易定理。設源Ja和Ma

產(chǎn)生場Ea

和Ha

，源Jb和Mb

產(chǎn)生場Eb

和Hb

，如圖9.2所示，所有量的頻率都相同。對于各向同性媒質(zhì)可從麥克斯韋方程推導的Lorentz互易定理來說明：

上式左邊是源b

的場在源a的反應(一種耦合的測度)，而右邊是源a的場在源b

的反應。這是一個非常普遍的表達式，但它可設置成一個更有用的形式。設源b僅為理想電偶

極子，其矢量長度為p

，位于點(xp

，yp

，zp

)。因為理想偶極子可表示為無限小的源，而等于零，式(9－1)變?yōu)?/p>

圖9.2Lorentz互易定理的源結(jié)構(gòu)

該表達式允許在源a

位置通過用已知源Ja

和Ma

與已知理想電偶極子場Eb

和Hb積分來計算源a

的電場。這可以通過理想電偶極子P

的各種方位來進行，其作用如同一個場的探針。

Lorentz互易定理還可以用來推導用終端電壓和電流表示的第二個互易定理。假設源a和b是用理想(無窮大阻抗)電流源Ia

和Ib

激勵的天線。由于不存在磁流源，式(9－1)簡化為

對于完全導電的天線，電場在天線上將為零，但在跨越天線的激勵端將產(chǎn)生電壓。取端口區(qū)的電壓為常數(shù)，應用概念

我們看到式(9－2)變?yōu)?/p>

式中，

Voca是由天線b

產(chǎn)生的電場Eb

在天線a端口的開路電壓，同樣的，

Vocb是因天線a

在天線b

產(chǎn)生的開路電壓。由于用了無限大阻抗的源，所以這里應用了開路電壓。重新安排式(9－4)，導出電路形式的互易性表達式為

兩天線間媒質(zhì)中可能存在的其他物體，以及天線的相對方向。我們可完全用以下電路參數(shù)來表示普遍的情況，它適于任何線性無源網(wǎng)絡：

式中，

Va，Vb

，Ia

和Ib

為天線a和b的終端電壓和電流。如果天線a用電流源Ia

激勵，在天線b終端出現(xiàn)的開路電壓為Vb|Ib=0。根據(jù)式(9－6b)在Ib為零時的轉(zhuǎn)移阻抗Zba為

如果天線b

用電流源Ib

激勵，則在天線a

終端出現(xiàn)的開路電壓為Va|Ia=0。根據(jù)式(9－6a)在Ia為零時的轉(zhuǎn)移阻抗Zab

為

將式(9－7)和式(9－8)與式(9－5)比較，我們看到

式中，

Zm是天線間的轉(zhuǎn)移(或互)阻抗。如果各自的阻抗是線性、無源和雙向的，這也可以通過式(9－7)的電路表達式來證明。如果媒質(zhì)是線性、無源和各向同性的，這也是正確的。

現(xiàn)在用圖9.3所示的模型解釋這些結(jié)果的重要性。如果一個電流為I的理想電流源激勵天線a，根據(jù)式(9－7)在天線b

的終端的開路電壓是

如果同樣的源現(xiàn)在作用于天線b

，根據(jù)式(9-8)在天線a的終端出現(xiàn)的開路電壓為

但Zab=Zba

，所以式(9-10)和式(9-11)產(chǎn)生了

這樣，同樣的激勵電流將產(chǎn)生同樣的終端電壓，它并不依賴于是哪個端口激勵，如圖9.3所示。

圖9.3天線的互易性

換句話說，互易性說明源和測量儀表可以互換而不改變系統(tǒng)的響應。對于理想電壓源和短路終端電流的情況也是這樣。這樣的結(jié)果與網(wǎng)絡理論相同。對于相同的輸入電流I在

圖9.3(b)和圖9.3(c)的輸出電壓V相同。

根據(jù)式(9-6)，天線的自阻抗為

通常的工作情形下如果天線a和b相距很遠，

Zaa

和Zbb

比Zab=Zba=Zm

大得多。舉例來說，對天線a的輸入阻抗，根據(jù)式(9-6a)得

這樣，如果天線a是孤立的，與包括其他天線在內(nèi)的所有物體都離得很遠，并且天線是無耗的，則天線的自阻抗等于它的輸入阻抗。

假定天線a

被激勵(即作為發(fā)射天線)，在天線b

終端產(chǎn)生的電壓用一個理想的電壓表來測量。如果兩天線被分離，使它們各自處于對方的遠場區(qū)，如天線b以固定的半徑圍繞

天線a移動，轉(zhuǎn)移阻抗Zba

實際上就是天線a

的遠場(或輻射)方向圖，如圖9.4(a)所示。在天線b

移動時，它保持同樣的相對于天線a

的方向和極化狀態(tài)。天線b的輸出電壓作為繞天線a

角度的函數(shù)給出天線a輻射的相對角度變化，即它的輻射方向圖。

檢查式(9-7)，我們看到，作為角度函數(shù)的Zba實際(Ia為常數(shù))是天線a

的輻射方向圖。如果現(xiàn)在天線b

被激勵，天線a

作為接收機，當天線b

再次圍繞天線a以固定距離移動時，天線a

的終端電壓是其接收方向圖，如圖9.4(b)所示。這樣，作為角度函數(shù)的Zab

是天線a的接收方向圖。由于轉(zhuǎn)移阻抗是相同的，即Zab(θ，?)=Zba(θ，?)=Zm(θ，?)，所以我們可以得出結(jié)論，天線的輻射方向圖和接收方向圖是相同的。這是互易性的一個重要結(jié)果。圖9.4天線方向圖互易性

天線的輻射方向圖和接收方向圖的等同性并不是一個非預期的結(jié)果。這可以通過式(9-16)來看出，式(9-16)對角度(θ，?)的入射波的天線接收特性Ae(θ，?)和天線發(fā)射時在方向(θ，?)的增益方向圖值G(θ，?)有聯(lián)系?；ヒ仔栽趯嶋H上是很重要的，它允許測試天線在方向圖測量時既可用作接收模式，又可用作發(fā)射模式。實際上，通常方向圖測量時測試天線是用作接收的。

注意這一點很重要。如圖9.3所示或者根據(jù)式(9-9)可知，互易性是一個普遍的結(jié)果。另外，當兩天線離得很遠時，

Zm

(θ，?)是遠場方向圖。當然，如果天線含有任何非互易元件時，互易性將不再保持，如天線系統(tǒng)中含有鐵氧體隔離器。

9.2天線測試場的設計

天線測試場是測試和鑒定天線參數(shù)的空間區(qū)域。由于通信、雷達等用途的天線參數(shù)都是在遠區(qū)條件下給出的，因此要對它們進行測量必須滿足遠區(qū)條件，即用一個理想均勻平面波照射待測天線，該條件也就是天線測試場設計和鑒定的基本思想。

理想的遠區(qū)條件在實際工程中做不到，也不必要做到。實際工作中要根據(jù)測量精度的要求選擇近似于理想條件的測試場。前人們研制出了各種形式的天線測試場，按照原理一

般把它們分為自由空間測試場和地面反射測試場。

天線測試場的設計思想是要形成準平面波照射待測天線。其中需要考慮的工程因素有距離R、寬度W和高度H等。

(1)收發(fā)天線之間的距離應滿足遠場條件；收發(fā)天線間的互耦應小到可以忽略。這兩條是天線測試場長度(測試距離)設計的依據(jù)。

(2)測試場的環(huán)境不應影響測量的結(jié)果。這是天線測試場天線架設高度、源天線選擇以及測試場寬度選擇的準則。

1.由相位條件確定的Rmin

理論上，要滿足平面波照射待測天線口徑的條件，對相位而言，即待測天線口徑中心和邊緣的相位差應為0，這就要求測試距離無窮大，顯然在實際中是不可能的，一般工程中根據(jù)測量精度的要求而進行Rmin

的選擇。下面就來分析由精度如何確定距離。

圖9.5待測天線的最大口面相差

當收發(fā)天線的距離有限時，入射到待測天線口面上的相位并不同相，如圖9.5所示，最大相差為

式中：

d———輔助發(fā)射天線的最大口徑的線尺寸；

D———待測天線的最大口徑的線尺寸；

R———收發(fā)天線間的距離。

化簡式(9-17)得：

注意：

(1)入射場相位不均勻會給方向圖測量帶來誤差：零點變淺，副瓣電平抬高。

(2)入射場相位不均勻還會帶來增益測量誤差。表9.1列出了由于口面相差引起的增益測量誤差。

表9.1口面相差引起的口徑天線的增益測量誤差

2.由振幅條件確定的Rmin

振幅條件是指入射場在待測天線口面上的均勻性(理想情況下幅度的等幅面為平面)，它包括橫向、縱向幅度錐削(不均勻)的影響。

1)入射場橫向幅度錐削的影響

在待測天線口面上，如果入射場幅度不均勻，不僅使實測的增益減小，在測天線方向圖時，還會造成近副瓣測量誤差。這種影響取決于待測天線的口面激勵函數(shù)。圖9.6為不同錐削幅度的入射場造成不同副瓣電平的測量誤差。圖9.6入射場不同錐削幅度造成的副瓣測量誤差

通常要求入射場的幅度在待測天線口面邊緣處相對中心錐削在-0.25dB以下，為使入射場橫向幅度均勻，要求發(fā)射天線中心向待測天線口面邊緣的張角2αD遠小于輔助發(fā)射

天線的半功率波束寬度2θ3dB，如圖9.7所示。圖9.7入射場橫向幅度不均勻

由圖可見，

對方向函數(shù)為sinx/x的輔助發(fā)射天線，可以求得0.

25dB的波束寬度為

利用求解一般天線遠區(qū)場的方法，可以求出由于入射場橫向幅度不均勻造成天線軸向接收功率的相對誤差

這表明，在待測天線口面上入射場橫向錐削幅度為-0.

25dB，這就使實測增益減小0.1dB。如果橫向錐削幅度為-0.5dB，這就使實測增益減小0.15dB。

2)入射場縱向錐削幅度的影響

假定沿場軸線方向端射天線的最大尺寸為L，發(fā)射天線到待測天線中心的距離為R0

，則最近功率密度與最遠功率密度之比為(參看圖9.8)

圖9.8入射場縱向幅度不均勻

如果在L

區(qū)間功率密度變化小于1dB

，就能忽略入射場縱向錐削幅度的影響。這個條件相當于限定R0≥10L。

對于高增益行波天線，最小測試距離應大到互耦影響可以忽略不計，所以可以不考慮互耦條件。

9.2.2自由空間測試場

自由空間測試場是及時能夠設法消除或抑制地面和周圍環(huán)境反射以及外來干擾等影響的一種測試場。它可以分為高架天線測試場，斜天線測試場，微波暗室等幾類。

1.高架天線測試場

為避免地面反射波的影響，可把收發(fā)天線架設在水泥塔或相鄰高大建筑物的頂上，稱為高架天線測試場。采用銳方向性輔助天線作為發(fā)射天線，使它垂直面方向圖的第一個零

值方向指向待測天線塔的底部，如圖9.9所示。圖9.9零點偏離地面的高架測試場

發(fā)射天線對架高度為ht

，待測天線所張的平面角為

設發(fā)射天線主瓣波束寬度為2，要有效抑制地面反射，應使：

對方向函數(shù)為sinx/x的發(fā)射天線，主瓣波束寬度為

同時滿足相位、幅度和有效抑制地面反射的準則，顯然

式(9－33)為待測天線的架設高度，由此可知，架設高度與工作頻率f無關(guān)。

2.斜天線測試場

斜天線測試場就是收發(fā)天線架設高度相差懸殊的一種測試場。通常把待測天線架設在比較高的非金屬塔上，且作接收天線使用，把輔助發(fā)射天線靠近地面架設，由于發(fā)射天線

相對待測天線有一定仰角，適當調(diào)整它的高度，使自由空間方向圖的主瓣指向待測天線口面中心，零值方向?qū)实孛?，就能有效抑制地面反射。如圖9.10所示是一實用斜天線測試場。其實，斜天線測試場就是高度不等的高架天線測試場，在地面測量距離給定的情況下，斜天線測試場需要的地面距離比高架測試場小。圖9.10斜天線測試場

3.微波暗室

微波暗室是通過把微波吸收材料鋪設在內(nèi)壁來減少墻壁電磁波反射的，在其內(nèi)部某一區(qū)域形成一個接近“自由空間”的無反射波區(qū)的房間。在微波暗室中幾乎可以進行所有類型

的無線電測試，尤其是天線參數(shù)的測試，可以縮短實驗時間，無論白天黑夜或者任何環(huán)境都不受限制，而且測量設備容易實現(xiàn)自動化，測試精度大大提高。

吸波材料是建造微波暗室的關(guān)鍵，是保證微波暗室技術(shù)指標的主要材料。它的作用是降低電磁輻射源及各雜波在暗室反射墻壁上的反射系數(shù)，使各個面在靜區(qū)反射波功率的總

和不影響暗室實驗的精度。吸波材料應具有表面反射小、內(nèi)部損耗大的特性，使電磁波在材料內(nèi)得到充分衰減。微波暗室的性能主要由反射電平、場幅度均勻性、交叉極化和通路

損耗均勻性、屏蔽隔離度、頻率寬度等參數(shù)來描述。

微波暗室可按其用途、形狀、吸波材料粘貼方式、尺寸大小以及移動性進行分類。

微波暗室按用途可分為天線測量暗室、雷達截面測試暗室、電磁兼容測試暗室和電子戰(zhàn)(對抗)測試暗室。

微波暗室在發(fā)展過程中，曾出現(xiàn)以下幾種主要形狀：喇叭形、矩形、錐形、縱向隔板形、橫向隔板形、孔徑形、半圓形、扇形與復合形等。每一種形狀的微波暗室都有其優(yōu)點與不足。早期由于人們的認識水平與技術(shù)水平有限，吸波材料品種單一且吸波性能差，在設計微波暗室時往往采取改變暗室?guī)缀涡螤顏韺崿F(xiàn)較好的電性能要求。隨著科學技術(shù)的發(fā)展以及吸波材料性能的提高，目前微波暗室主要為矩形、錐形與喇叭形三種形狀。尤其是使用頻率向高、低兩端擴展，促進了矩形、錐形暗室的發(fā)展，并得到了廣泛的應用。

9.2.3地面反射測試場

對于很難消除地面反射影響或由于天線架設高度無法在工程上實現(xiàn)的情況，可以嘗試利用地面來控制反射波與直射波干涉，這種測試場即為地面反射測試場。該法是把收發(fā)天

線低架在光滑平坦的地面上，用直射波與地面反射波產(chǎn)生干涉方向圖，第一個波瓣的最大方向?qū)蚀郎y天線口面中心，在待測天線口面上同樣可以近似得到一個等幅同相入射場。

建立待測天線口面垂直方向入射場錐削幅度分布的準則，必須考慮地面反射的影響。

圖9.11地面反射測試場的幾何關(guān)系

對典型的地面反射測試場，不管是水平極化波還是垂直極化波，都希望?≈π，為滿足這個要求，必須使擦地角ψ

小于布魯斯特角ψb

(對海平面，ψb=4°；對陸地，ψb=10°~17°)。在此情況下，式(934)變?yōu)?/p>

第一個干涉瓣的振幅為

口面中心場的幅度歸一后的干涉場的幅度為

實際使用時，應用|Γ|≈1來設計反射測試場。在這個條件下，利用式(9－35)，則式(9－39)可變?yōu)?/p>

當h=hr

，

e(h)=sin(khrht/R)時，接收點的場強為

由式(9－41)看出，當R為定值時，改變hr的取值，接收點的場強是以ht為參量按正弦函數(shù)規(guī)律進行變化的。把式(9－37)代入式(9－40)，得

仍然采用0.25dB的錐削幅度準則，即要求

由此可以求得hr

>3.3D，通常取

在工程實踐中應該注意，上述結(jié)論是在假定地面反射系數(shù)為1的情況下得出的，實際情況不一定是這樣，因為實際輻射中心并不是正好位于發(fā)射天線與它鏡像連線的中點上。

在R>2D2/λ的情況下，相應波前是由高度為h't處的視在相位中心發(fā)出的。視在相位中心指可使天線遠場主瓣半功率波瓣寬度內(nèi)的相位分布最平坦的點，簡稱視在相心。H't的值為

要使待測天線口面上的相位和幅度變化基本對稱，待測天線應指向視在相心，即要求口面偏離垂線α角

9.3天線遠場測量的設備

天線遠場測量系統(tǒng)由輔助發(fā)射天線與支架、天線測試轉(zhuǎn)臺(X、Y、方位)、信號接收機、數(shù)據(jù)采集處理及控制器、天線遠場測量軟件及計算機組成，如圖9.12所示。測試系統(tǒng)的頻率范圍可覆蓋30MHz~40GHz。該系統(tǒng)可應用于天線測量的遠場幅度方向圖、相位方向圖和相位中心的位置、正交極化方向圖、增益、波束寬度、旁瓣電平等，并可自動生成測試報告。圖9.12天線遠場測量系統(tǒng)

輔助發(fā)射部分包括信號源、功率放大器(遠距離時備用)、發(fā)射天線、天線支架；測試部分由被測天線、標準增益天線、電纜(開關(guān)備用)、測試轉(zhuǎn)臺、接收機(矢量網(wǎng)絡分析儀、幅

相測量接收機)、LNA(下變頻器毫米波測量備用)、數(shù)據(jù)采集器、數(shù)據(jù)處理軟件和系統(tǒng)控制計算機組成。

天線遠場測量系統(tǒng)按功能可分為六個子系統(tǒng)：接收轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)，發(fā)射端子系統(tǒng)，信號收發(fā)子系統(tǒng)，控制、伺服驅(qū)動子系統(tǒng)，計算機系統(tǒng)和控制機柜子系統(tǒng)。

9.3.1接收轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)

接收轉(zhuǎn)臺子系統(tǒng)主要由方位轉(zhuǎn)臺、立柱、導電滑環(huán)、高頻旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)等組成。方位轉(zhuǎn)臺是天線遠場測量系統(tǒng)的關(guān)鍵部件。在測量中，待測天線就安裝固定在轉(zhuǎn)臺上，通過改變其轉(zhuǎn)角能精確改變天線在空間的機械指向，并能隨時調(diào)整天線與轉(zhuǎn)軸的相對位置，使其相位中心與測試轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)軸盡量重合。

9.3.2發(fā)射端子系統(tǒng)

發(fā)射端子系統(tǒng)主要由發(fā)射支架和輔助天線等組成。測試中要求發(fā)射端輔助天線口面中心應與接收端天線口面中心同軸。

測試中，將輔助天線安裝在發(fā)射端極化轉(zhuǎn)臺法蘭盤上，在計算機控制下帶動輔助天線做±360°內(nèi)任意角度的旋轉(zhuǎn)運動。極化轉(zhuǎn)臺采用蝸輪蝸桿傳動機構(gòu)，其主軸后面配有同軸高頻旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，保證極化器旋轉(zhuǎn)時天線轉(zhuǎn)動而連接的高頻電纜不動。

9.3.3信號收發(fā)子系統(tǒng)———矢量網(wǎng)絡分析儀

在天線遠場測量系統(tǒng)中矢量網(wǎng)絡分析儀的作用是一個高性能的信號收發(fā)部件。該儀器除了具有快速、高精度等特點還具備豐富的編程指令，其所有的人工操作功能都可由計算

機程序來控制，實現(xiàn)了測量系統(tǒng)的自動化，并提高了處理數(shù)據(jù)的實時性和運行效率。計算機與它通過GPIB接口電路實現(xiàn)通信，矢量網(wǎng)絡分析儀的各種數(shù)據(jù)信息通過該接口電路輸

入到計算機，計算機對矢網(wǎng)的各種控制信號也是通過該接口電路實現(xiàn)傳輸?shù)摹?/p>

在遠場實際測試中，矢量網(wǎng)絡分析儀工作于掃頻或連續(xù)波模式。此時，矢網(wǎng)處于觸發(fā)模式，測試中多軸運動控制器輸出觸發(fā)信號，所有測試數(shù)據(jù)都暫時存在矢網(wǎng)內(nèi)存里，之后計算機通過接口快速讀入，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過處理，變成分析天線參數(shù)所需的幅度相位或?qū)嵦摬繑?shù)據(jù)格式。

9.3.4控制、伺服驅(qū)動子系統(tǒng)

1)控制系統(tǒng)工作原理及性能

控制部分是天線遠場測量系統(tǒng)的指揮中心?？刂葡到y(tǒng)控制轉(zhuǎn)臺各轉(zhuǎn)動軸按照預定軌跡進行運動的同時，控制矢量網(wǎng)絡分析儀進行數(shù)據(jù)采集。數(shù)字控制系統(tǒng)的組成框圖如圖9.

13所示。圖9.13數(shù)字控制系統(tǒng)框圖

轉(zhuǎn)臺的伺候驅(qū)動控制方式是按閉環(huán)反饋工作的，其驅(qū)動電機采用交流伺服電機，電機同時配備速度反饋和位置反饋。在測試中，隨時監(jiān)測轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動速度和實際位置，位置信息及時反饋給控制卡中的比較器，并與插補運算所得的指令信號進行比較，其差值又作為伺服驅(qū)動的控制信號，然后驅(qū)動轉(zhuǎn)臺以消除位置誤差。

2)伺服系統(tǒng)

如果說控制系統(tǒng)是遠場測量的指揮中心，是發(fā)布命令的機構(gòu)，那么伺服驅(qū)動便是系統(tǒng)的執(zhí)行機構(gòu)，能忠實而準確地執(zhí)行運動命令。伺服系統(tǒng)是連接數(shù)控與各轉(zhuǎn)臺的樞紐，主要由驅(qū)動控制系統(tǒng)、伺服電機和反饋裝置組成。驅(qū)動控制系統(tǒng)為伺服電機提供動力，伺服電機是執(zhí)行機構(gòu)，反饋裝置為數(shù)控系統(tǒng)提供速度與位置反饋信號；位置檢測反饋信號與數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令信號進行比較后發(fā)出位移指令，經(jīng)過驅(qū)動控制系統(tǒng)功率放大后，驅(qū)動電機工作，并通過傳動位置帶動各軸的運動。

根據(jù)其是否檢測位置反饋信息，伺服系統(tǒng)控制方式可分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制。開環(huán)驅(qū)動采用步進電機，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令信號不經(jīng)過反饋校正，直接對電機

進行驅(qū)動，其優(yōu)點是運行時比較穩(wěn)定，但由于沒有經(jīng)過誤差校正，運行精度一般不高。而閉環(huán)控制在軸運動的過程中，實時監(jiān)測探頭的實際位移量，將位置信息及時反饋給數(shù)控系統(tǒng)的比較器，與插補運算所得的指令信號進行比較，差值又作為伺服驅(qū)動的控制信號，進而消除其位移誤差。

半閉環(huán)控制位置反饋末端包含大部分機械傳動環(huán)節(jié)，機械轉(zhuǎn)動誤差不在閉環(huán)環(huán)路內(nèi)，其采用增量旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在交流伺服電機軸上，其優(yōu)點是控制特性比較穩(wěn)定，機械傳動如齒輪之間的傳動誤差無法通過反饋進行實時校正，但可以使用軟件定時補償?shù)姆椒▉硖岣呔取?/p>

9.3.5計算機系統(tǒng)

計算機系統(tǒng)由一臺工業(yè)控制機、一臺處理計算機和一臺打印機組成。工業(yè)控制機主要用來進行測試控制，通過運動控制器、驅(qū)動器、交流伺服電機完成對被測天線的方位、極化軸的控制，使其在測試過程中按預定的要求自動完成信號的發(fā)射、接收、數(shù)據(jù)采集和傳輸。

處理計算機則對從矢量網(wǎng)絡分析儀接收來的信號進行數(shù)據(jù)處理，獲得天線遠場特性信息，并對遠場信息進行數(shù)據(jù)分析處理，得到遠場的平面方向圖、方向圖主瓣寬度、副瓣電平、單脈沖天線的零深及差斜率等一系列特性參數(shù)，并且將圖或數(shù)據(jù)在屏幕顯示或打印輸出。

9.3.6控制機柜子系統(tǒng)

控制機柜子系統(tǒng)包括控制箱、電源供給系統(tǒng)和驅(qū)動器系統(tǒng)。

計算機的控制信號進入控制箱，此信號經(jīng)控制箱分配到各個控制軸，以完成各軸的位置控制及位置信號的反饋。驅(qū)動器系統(tǒng)由方位轉(zhuǎn)臺驅(qū)動器、接收極化驅(qū)動器和發(fā)射極化驅(qū)

動器組成。每個驅(qū)動器的輸入電壓為三相200V，在測試過程中，按預定的程序?qū)⑾鄳闹噶钏椭料鄳尿?qū)動器，驅(qū)動器通過連接電纜輸出驅(qū)動功率到相應伺服電機來控制相應軸的運動。同時，電機通過編碼器將該軸的位置信息反饋到驅(qū)動器及運動控制器，進行半閉環(huán)定位。

9.4天線輻射特性測量

9.4.1方向圖測量

1.方向圖的概述

1)方向圖的定義方向性函數(shù)的圖形稱為方向圖。方向圖是用圖示法表示天線輻射特性空間分布的方法。

2)方向圖的分類

從電特性觀點進行分類，方向圖分為場強方向圖、功率方向圖、相位方向圖和極化方向圖。完整的方向圖是一個空間立體圖形。

3)方向圖與方向系數(shù)

天線的方向性除了用方向圖表示之外，還用方向系數(shù)來表示。方向圖的特點是能夠直接反映天線輻射特性空間分布規(guī)律的細節(jié)，因此便于天線的研究工作。方向系數(shù)是天線輻

射能量在空間特定方向上(一般為最大輻射方向)集束程度的一個定量量度，因此它便于天線間方向性的比較。

2.方向圖的測量

常用旋轉(zhuǎn)天線法和固定天線法測量天線方向圖，前者是待測天線繞自己的軸旋轉(zhuǎn)而輔助天線不動；后者是待測天線不動，輔助天線繞待測天線轉(zhuǎn)動。

圖9.14方向圖測量的概念化——在天線遠場的球面上移動探測天線

雖然我們已通過在固定半徑的球上移動接收機來概念化輻射方向圖的測量，但這明顯不是一種實際可行的方法，重要的是保持收發(fā)天線間固定的大距離并改變觀察角。這可以

通過旋轉(zhuǎn)測試天線或測量狀態(tài)的天線(AUT)來實現(xiàn)，如圖9.

15所示。其中，天線a

的方向圖正比于終端電壓Va

，而

Va

是天線a在旋轉(zhuǎn)中的位置角的函數(shù)。根據(jù)互易性，測試天線工圖9.15輻射方向圖測量

作于接收狀態(tài)或發(fā)射狀態(tài)沒有差別，但通常測試天線用作接收天線，而我們采取了這個傳統(tǒng)。固定的源天線的場給測試天線提供了一個恒定的照射，測試天線的輸出隨它的角度位置而變化。這產(chǎn)生了它是測試旋轉(zhuǎn)天線的方向圖的規(guī)則。

當然，天線輻射特性的完全表示需要測量所有可能角度(θ，?)的輻射。對于大多數(shù)應用，主平面方向圖已足夠了。

波束寬度、波瓣圖形狀、旁瓣電平及其方向、零輻射方向、前后比和交叉極化比等都是易從測出的波瓣圖中獲得的參量。天線的定向性D

卻均未直接測量，只能由歸一化的功率波瓣圖Pn(θ，?)計算得出，如下：

2)固定天線法

固定天線法的適用對象如下：

(1)固定在地面上的大型天線。

(2)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、運輸?shù)奶炀€。

(3)天線方向圖特性受放置天線場地的影響很大，而實際使用又必須包括這些影響(如一些機載、艦載、車載)的天線。

當被測天線(AUT)無法用旋轉(zhuǎn)AUT的方法來測量方向圖的時候，可以選擇將AUT固定，然后以旋轉(zhuǎn)源天線的方法來測量。固定天線法的測量方法如下：

(1)地面測試法。地面測試法通常只限于測繪天線的水平面方向圖主瓣。待測天線作發(fā)射，且固定不動。在離開天線中心距離為r(滿足遠場輻射條件)的一個預定的扇形區(qū)域

內(nèi)，用經(jīng)緯儀在r為半徑的圓弧上選定一系列方位角測試點，然后在各點進行相對場強測量，從而得到地平面的主瓣特性，如圖9.16所示。圖9.16地面測試法的測量方法示意圖

這種測量方法的缺點是：

①準確性差。一方面是由于在測量區(qū)域內(nèi)地面不平坦，很難保證所有測量點均在同一水平面內(nèi)及等距離r處；另一方面由于地面附近的波前畸變而引起場的極化和電平失真。

②只能測得地面方向圖。在現(xiàn)場進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，因此難以獲得真實的主瓣特性。

③測量工作復雜而費事。例如，事先要進行選擇環(huán)行路線和測量點方位定標等準備工作，測量時耗費的精力和時間也很多。

(2)空中測試法。這種方法仍是固定待測天線不動，一般作為接收天線。輔助源天線由普通飛機、直升機、小型飛船、氣球等運載工具攜帶，繞待測天線在所需測試的平面內(nèi)做圓弧運動，據(jù)不同角位置時待測天線接收到的相對場強大小，就得到了該平面內(nèi)(水平面、垂直面或其他平面)的方向圖特性。

當沿著要求路線飛行的飛行器所運載的源天線姿態(tài)相對于待測天線改變時，待測天線接收到的信號也將顯著改變。為了將這種改變減至最小，源天線的波前最大值應始終對準

待測天線，且源天線方向圖的有用部分應盡可能均勻(即弱方向性或全方向性天線)，飛行器的航向應選擇其姿態(tài)改變最小。由于源天線的方向圖會受到攜帶它的飛行器的形狀影響，因此設計和安裝源天線時必須將環(huán)境影響因素考慮進去。

圖9.17就是空中測試法的一個系統(tǒng)模型示例。圖中的跟蹤裝置用來確定源天線所在方向。當然，由于跟蹤裝置與待測天線之間有一定的距離，所確定的方向必須用視線誤差來修正。但若源天線到兩者的距離遠遠大于兩者之間的距離時，這種視線誤差可以忽略。圖9.17空中測試法測量系統(tǒng)

可以采用兩類工作儀器：一種是光學跟蹤器，另一種是雷達跟蹤器。前者僅提供源天線方向信息，后者還可以同時提供源天線的距離信息。為了彌補前者之不足，可以在飛機

上安裝測試發(fā)射機，將信息發(fā)射到地面供計算距離用。由于飛行器并非完全繞待測天線的理想圓周上飛行，因此接收到的信號電平還應按距離的不同予以修正。

在測量過程中，飛機攜帶源天線，飛至待測的俯仰角和方向角上，地面AUT和參考天線記錄數(shù)據(jù)，完成測量。

在測量中，由于發(fā)射功率、接收靈敏度、相對極化都可能變化，因而需引入一個參考天線，參考天線應盡可能靠近待測天線。把接收信號與參考天線歸一就能基本消除各種變化因素的影響。參考天線還用作測量增益和極化的設備。用固定天線法需要精心設計，緊密配合，否則會引入較大誤差。

3)方向圖表示方法

有許多方式表示天線方向圖。例如，主平面方向圖可以畫成極坐標或直角坐標形式。極坐標表示法直觀，簡單，從方向圖可以直接看出天線輻射場的空間分布特性；缺點為當天線方向圖的主瓣比較窄或副瓣電平比較低時(小于-30dB)，這種表示法就不易分辨出場強與方向角之間的定量關(guān)系，因此適用寬波帶天線。直角坐標法可以克服極坐標表示法的缺點。

由于表示角度的橫坐標與表示場強幅度的縱坐標可以任意放大，所以它能把來波小于1°天線的主瓣寬度、副瓣位置及極低副瓣的電平值等方向圖參數(shù)的細節(jié)清晰地表現(xiàn)出來。

因此，直角坐標法適用于高增益天線。

一般繪制方向圖時都是經(jīng)過歸一化的，即徑向長度(極坐標)或縱坐標值(直角坐標)是以相對場強E(θ，

?)/E表示。這里E(θ，

?)是任一方向的場強值，

E是最大輻射方向的場強值。因此，歸一化的最大值是1。對于極低副瓣電平天線的方向圖，大都采用分貝值表示，歸一化最大值取為零分貝。

尺度可以是線性的，也可以是對數(shù)的(分貝)。作圖形式和尺度形式的所有組合都得到了應用：極坐標——線性、極坐標——對數(shù)、直角坐標——線性和直角坐標——對數(shù)。圖9.18所示是用這四種方式畫出的同樣輻射方向圖。一般來說，對數(shù)圖通常用于高增益、低旁瓣方向圖，而線性圖在主瓣細節(jié)為主要信息時應用。這些天線方向圖表示可用商用測量或

記錄設備直接記錄。當需要更詳細的信息時，幾個平面截圖的結(jié)果可以放在一起形成等值線圖。正確評價所測方向圖是重要的，通常即使天線結(jié)構(gòu)是對稱的，測量方向圖也不一定

是理想對稱的，而且天線的零點常常是會部分填充的。圖9.18用同一方向圖的四種天線方向圖類型說明

9.4.2增益測量

1.增益的概述

1)增益的定義

增益是天線極為重要的一個參數(shù)，用它可以衡量天線輻射能量的集中程度和能量轉(zhuǎn)換效率的總效益。天線增益分為方向增益和功率增益。方向增益也稱方向系數(shù);天線的功率

增益等于天線的效率乘以方向增益?？梢?，天線的功率增益更加完整地給出了天線的輻射特性，它不僅表征了天線輻射能量的集中程度，而且考慮到了天線本身由于損耗引起的輻

射能量的減小。

2)測量增益的方法

用什么方法確定天線增益在很大程度上取決于天線的工作頻率。工作在1GHz以上頻段上的天線，常用自由空間測試場地，把喇叭作為標準增益天線，用比較法測量天線增益。

工作在0.1~1GHz頻段上的天線，由于很難或者無法模擬自由空間測試條件，故常用地面反射測試場來確定天線的增益。

對飛行器(如飛機、導彈、衛(wèi)星、火箭等)天線，由于飛行器往往是天線輻射體的一部分，在此情況下多采用模型天線理論。按照天線模型理論，除要求按比例選擇天線的電尺

寸、幾何形狀及它的工作環(huán)境外，還必須按比例改變天線和飛行器導體的電導率，而后者在實際中卻無法實現(xiàn)，故一般只用模型天線模擬實際天線的方向圖，再由實測方向圖用積分法確定實際天線的方向增益。如果能用其他方法確定天線的效率，然后把方向增益與效率相乘就得到了實際天線的功率增益。

工作頻率低于0.1GHz的天線，由于地面對天線的電性能有明顯的影響，加之工作在該頻段上定向天線的尺寸又很大，所以只能在原地測量它的增益。

工作頻率低于1MHz的天線，一般不測量天線增益，只測量天線地面波的場強。

2.增益的測量

一般把測量天線增益的方法分成相對增益測量和絕對增益測量兩類，就具體測量方法而言，又可分為比較法、雙天線法、三天線法、鏡像法、外推法、輻射計法以及通過測量與增益有關(guān)的其他參數(shù)而求出天線增益等方法。除比較法屬相對增益測量外，其余方法都屬絕對增益測量。比較法只能確定待測天線的增益;絕對增益測量不僅可以確定待測天線的增益，而且可以確定標準天線的增益。

不管是相對增益測量，還是絕對增益測量，都是以式(

9－48)所示的功率傳輸公式為基礎。

式中：

Pr

為接收天線的最大接收功率；P0

為發(fā)射天線的輸入功率；

Gt

為發(fā)射天線的增益；Gr

為接收天線的增益;R為收發(fā)天線間的距離；

λ為工作波長。

必須指出，式(9－48)是在兩天線極化匹配，無失配損耗并在自由空間傳輸條件下得出的。

1)增益比較法

在上一節(jié)討論的方向圖測量是給出測試天線輻射角度變化的相對測量。還需要天線增益來完全表征測試天線的輻射特性。增益是一個絕對量，因此更難測量。無需先驗知識測

量測試天線增益的技術(shù)是存在的。可是，大多數(shù)增益測量是用一個已知增益的天線進行的，該天線叫做標準增益天線，這個技術(shù)稱為增益比較(或增益?zhèn)鬟f)法。一個固定輸入功率Pt的發(fā)射機連接到一個合適的源天線，其方向圖最大值對準測試天線。如圖9.19所示，分別將測試天線放置于測試位置，對準源天線以達到最大輸出，并記錄接收功率電平。測得測

試天線GS接收功率為Pt，測得標準天線接收功率為Ps。于是，測試天線的增益可輕松地由標準增益天線的增益乘以接收功率的比值來計算：圖9.19用增益比較法測量測試天線增益Gt

這個關(guān)系式用分貝表示更方便：

該結(jié)果是直觀的，簡單地說出了測試天線的增益與標準天線的增益差別為測試天線接收功率與標準天線接收功率的差別。一個特殊情況是當接收功率相等(PT=Ps

)時，測試天線增益等于標準天線增益。

根據(jù)式(9－50)可知，準確的增益測量需要準確的功率測量，用現(xiàn)代的接收機是可做到的。一個不依賴于接收機線性的方法是射頻替代法，在此方法中用一個精密衰減器來建立功率電平的變化。即調(diào)節(jié)衰減器使接收機在兩種情況下有相同的指示，則相應的衰減器設置的差等于PT(dBm)-Ps(dBm)。測量精度還直接取決于對標準增益天線增益的了解。常用的標準增益天線對UHF頻率和低于UHF頻率是半波振子天線，而對于UHF頻率和高于UHF頻率則是角錐喇叭天線。半波振子的增益是2.15dB，而標準增益喇叭的制造商會提供工作頻率范圍內(nèi)的增益數(shù)據(jù)。

注意：增益項與絕對增益或最高增益同義。增益和方向圖數(shù)據(jù)可通過將增益與歸一化方向圖相乘而合并成增益方向圖：

用分貝表示(取10log)，常用dBi單位，表明該方向圖針對各向同性天線。

下面給出用增益比較法測量天線增益的示例：

假定標準增益天線增益為63dB或18dB，根據(jù)圖9.

19所示的測量技術(shù)，測得的功率為Ps=3.16mW或5dBm(比1mW高5dB)，

PT=31.6mW或15dBm。于是，測試天線增益為GT=(31.6/3.16)63=630，或用分貝表示：

2)兩相同天線法

假定兩天線AB的極化和阻抗均匹配，且滿足遠區(qū)條件，由傳輸公式得

把式(9－53)用dB表示:

假定AB天線完全相同，即GA=GB=G，

則

可見，只要測出了功率比P0/Pr

、距離R和波長λ，就能計算出待測天線的增益。為了消除由于加工引起的測量誤差，可把收發(fā)天線互換，另測一遍，取平均值。

3)部分增益法

如果有高品質(zhì)的圓極化(CP)源和標準增益天線，可應用圖9.19表示的增益比較法。但是橢圓極化天線的增益常用兩個正交的線極化(LP)天線或者通常用一個線極化天線在兩個正交方向來測量。假定對垂直和水平線極化狀態(tài)測量了增益，這兩個部分增益GTv和GTh結(jié)合起來得出總增益：

這稱為部分增益法?？捎萌魏蝺蓚€垂直的方向，因為橢圓極化波的功率包含在任何兩個正交分量的和之中。我們觀察到圓極化天線瞬時地執(zhí)行該求和，因此式(9－56)中的增益是相對于理想圓極化天線的。單位dBic表明增益是相對于各向同性，理想圓極化天線的。天線增益測量精度取決于源天線極化的純度。一個標準增益線極化天線具有的軸比為40dB，這并不會引起很大的增益誤差。

下面給出用部分增益法計算天線增益的示例。

如圖9.20所示，用一個線極化源天線測量的兩個方向圖，測試天線是一個名義上的圓極化天線，它是一個背腔螺旋天線，工作頻率為1054MHz。同時還給出了標準增益喇叭的方向圖，根據(jù)生產(chǎn)商的增益曲線，該喇叭在1054MHz時增益為14.15dB。在測量期間接收機增益設置和源功率保持不變。對垂直和水平極化的最大增益為

式(9－56)給出

注：方向圖為線極化標準增益天線(長虛線)，名義上的圓極化天線用垂直極化源激勵(實線)。圖9.20用部分增益法測量圓極化天線增益

3.減少地面反射的方法

同測量天線的其他輻射特性一樣，測量天線增益也必須在專用的天線測試場上完成。特別是精測天線增益，對場地的要求更嚴。常用的天線測試場地要用高架天線測試場地和地面反射測試場地。實際測量中可以根據(jù)天線的工作頻率及對增益的要求，確定相應的測試場地，為了減小地面及周圍環(huán)境引起的多路徑干涉造成的增益測量誤差，須采取利用高架天線法或利用地面發(fā)射測試場的方法，來消除或利用地面及周圍環(huán)境的反射。

9.4.3軸比測量

1.極化圖法

極化圖法是一種最簡便、直接而常用的方法，該法通常用線極化輔助天線測出軸比AR和傾角，用兩副反旋圓極化天線(比如螺旋天線)來確定旋向。

測量方法是將待測天線某一方向?qū)瘦o助天線，并使待測天線沿輔助天線的機械軸轉(zhuǎn)動，記下與轉(zhuǎn)動角度相應的各電壓值，并繪于極坐標圖上，即得待測天線在某特定方向上的極化圖。

線極化輔助天線繞?平面旋轉(zhuǎn)的軌跡一般為“啞鈴型”曲線，如圖9.21(a)所示，對應的待測天線為橢圓極化天線。若待測天線為線極化天線(AR→∞)，其極化圖形為8字形，如圖9.21(b)所示;若待測天線為圓極化天線(AR=1)，此時無論輔助天線轉(zhuǎn)至任何位置均接收一半功率，其極化圖為圓形，如圖9.21(c)所示。

從圖9.21(a)可以發(fā)現(xiàn)，曲線的極大值和極小值恰好與極化橢圓的長軸和短軸相對應，所以這種方法可以確定待測天線的軸比AR和極化橢圓的傾角τ，但不能確定天線的旋向。因為左旋圓極化天線只接收極化橢圓的左旋圓極化分量，而右旋圓極化天線只接收右旋分量，所以待測天線旋向的確定可以使用兩副結(jié)構(gòu)相同，而螺旋反繞的圓極化天線作為輔助天線，則待測天線的旋向與接收電平較高的螺旋天線的旋向一致。

2.振幅———相位法

用測量波的振幅和相位來確定被測天線的極化特性時，把被測天線作為發(fā)射天線最方便，輔助天線可以不動，只需在方位和仰角上轉(zhuǎn)動被測天線，就可以用矢量網(wǎng)絡分析儀一

次取得各方向上全部極化數(shù)據(jù)。下面介紹兩種常用的振幅——相位法。

(1)線極化分量法。將待測天線作為發(fā)射天線，用兩副線極化天線作為接收天線，一副水平極化，一副垂直極化，分別用兩副接收天線接收來自待測天線的信號。假設水平極化天線接收的信號強度為Exm

，垂直極化天線接收的信號強度為Eym，則這兩個信號合成的波在xy兩個方向的分量可以分別表示為

式中，

Δ?=?y-?x，可以用測量線法或電橋法來測取。通過Δ?的值就能確定極化的旋向，-180°<Δ?<0°時，為右旋圓極化；當0°<Δ?<180°時，為左旋圓極化。橢圓極化的傾角為

橢圓極化的軸比為

為保證測量精度，用兩個分開的正交線極化天線作為輔助天線時，必須使兩天線相位中心之間的距離和收發(fā)天線相位中心之間的距離之比的正切角遠小于發(fā)射天線的半功率波

束寬度。因為待測天線在半功率寬度范圍內(nèi)的極化狀態(tài)可能不一樣，不同方向上分別接收的場分量將不代表同一方向上的場分量。

(2)圓極化分量法。待測天線作為發(fā)射天線，用兩幅旋向相反、結(jié)構(gòu)相同的圓極化天線作為接收天線。設左旋圓極化天線接收到的相對場強為ELHCP，右旋圓極化天線接收得到的相對場強為ERHCP，根據(jù)軸比的定義，待測天線的軸比可用下式計算：

9.5天線匹配特性測量

9.5.1阻抗測量天線的阻抗特性在傳統(tǒng)意義上表現(xiàn)為饋電網(wǎng)絡之終端的角色，其所含的主要信息是待測天線的電壓駐波比VSWR(回波損失，反射系數(shù)的幅值)作為頻率的函數(shù)。因此，天線匹配特性可通過研究阻抗特性來表示。

天線阻抗對測試環(huán)境的要求往往不像測試輻射特性那么嚴格。對于阻抗初步檢測的準確性要求，通?？梢栽诔Ｒ?guī)實驗室內(nèi)測量阻抗，只需要保持待測天線附近不存在強散射物體。若在待測天線輻射近場區(qū)的主要輻射方向上放置吸波材料，就可以顯著改進測量的準確性。測試輻射特性的遠場條件并不是必須滿足的。對具有寬波瓣圖的待測小天線，可將它置于周圍保留若干波長自由空間的無反射空間內(nèi)，還可以將待測天線就近移動位置，重復測出阻抗數(shù)據(jù)并取平均值。然而，最準確的阻抗測量應該在吸波室中與輻射波瓣圖的測量聯(lián)合進行。

對于測量多單元天線系統(tǒng)中單個天線單元的阻抗，要求有專門的布局。典型的例子是，測量天線陣單元在所有單元都被正常饋電的情況下包含了互耦效應的有源阻抗。對于小陣列或多饋端天線(如四繞螺旋)，各單元或饋端之間的所有耦合系數(shù)都能測得。綜合這些耦合對受激單元的反射貢獻，便能得到所有饋端的有源阻抗。對N單元天線系統(tǒng)，可得：

式中：ρ

有源為單元n

的復數(shù)有源反射系數(shù)，對應了歸一化有源阻抗；

z(有源)n為(1+ρ

(有源)n)與(1-ρ(有源)n)之比；V+

為向內(nèi)行波的電壓;V-為向外行波的電壓;Smn

為單元m

和單元n

的參考面處電壓波之間的S

參數(shù)(Smn=V-m/V+n)，無量綱。

圖9.22所示的是某多單元天線陣阻抗測量的例子。對于大陣列要計算所有N×N個S參量是很煩瑣的，因此通常采用具有金屬側(cè)壁蓋住一部分陣面的專用仿真器，以減少陣元數(shù)，借助測試確定的饋電組合來求出各有源阻抗。五元陣中第3單元有源阻抗的測量如圖9.23所示。圖9.22實驗室內(nèi)的阻抗測量圖9.23五元陣中第3單元有源阻抗的測量(為簡潔起見，只標出單元3的向外行波電壓)

9.5.2駐波測量

用矢量網(wǎng)絡分析儀測試被測天線駐波比，測試方法如圖9.24所示。圖9.24電壓駐波測試示意圖

(1)按圖9.24所示架設好被測天線，連接好儀器。

(2)調(diào)整矢量網(wǎng)絡分析儀狀態(tài)參數(shù)，并進行定標(校準)。

(3)連接好被測天線，可得到設定帶寬內(nèi)天線的駐波比曲線，并打印。

9.5.3隔離測量

隔離測量是測量混頻器中信號的泄漏，尤其是信號對IF端口(中頻端口)的正向泄漏。高度隔離意味著混頻器端口之間的信號泄漏的量非常小。隔離測量不使用頻率偏移模式。

圖9.25所示解釋了混頻器中的信號流程。圖9.25混頻器中的信號流程

1.LO(本振端口)對RF(射頻端口)隔離

LO對RF隔離是直接出現(xiàn)在RF端口的LO功率被衰減的總量。

(1)初始化分析儀。

(2)選擇分析儀的頻率范圍和源功率，該信號源激勵混頻器的LO端口。

(3)選擇B/R比值測量。

(4)如圖9.26所示連接，執(zhí)行響應校準。

(5)如圖9.27所示連接，調(diào)節(jié)顯示標尺，得出混頻器LO對RF的隔離測量。

2.RF直通

測量設備和步驟與LO對RF隔離的測量幾乎一樣，只是當測量RF直通時增加了一個外部信號源以驅(qū)動混頻器的LO端口。RF直通測量不使用頻率偏移模式。

(1)在外部信號源的前面板上選擇CWLO頻率和信號源頻率，初始化矢量網(wǎng)絡分析儀。

(2)選擇矢量網(wǎng)絡分析儀頻域和信號源功率，該信號源激勵混頻器的LO端口。

(3)選擇一個B/R的比值測量。

(4)如圖9.26所示連接，進行一次響應校準。

(5)如圖9.28所示連接，把外部LO信號源連接到混頻器的LO端口，測量結(jié)果顯示混頻器的RF直通。圖9.26響應校準連接圖9.27混頻器隔離測量的連接圖9.28測量混頻器RF直通泄漏的連接

9.6天線特性測量舉例

9.6.1天線測試步驟

1.天線方向圖測量測量步驟如下:

(1)按圖9.29所示在測試場地架設天線，指示天線與被測天線間距滿足遠場條件(比如:大于8.8m);指示天線和被測天線極化相同。

(2)按圖9.29所示連接儀器設備，所有儀器在計量有效范圍內(nèi)。

(3)轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動旋轉(zhuǎn)被測天線，同時記下接收電平和天線旋轉(zhuǎn)的方位角。

(4)以接收電平為縱軸，方位角為橫軸，繪成曲線即得被測天線方向圖。從圖中可讀出波瓣寬度和前后輻射比。

(5)被測天線繞軸向旋轉(zhuǎn)90°，重復(3)步驟，可得被測天線正交切面方向圖。同樣，從圖中可讀出波瓣寬度和前后輻射比。

圖9.29天線方向圖測試框圖

2.增益和軸比測量

測量步驟如下：

(1)在圖9.29中，把發(fā)射天線換成線極化天線，調(diào)整被測天線和發(fā)射天線最大方向共軸并相向。

(2)以被測天線和發(fā)射天線連線為軸旋轉(zhuǎn)發(fā)射天線(或被測天線)，記錄最大電平P

max(dB)和最小電平P

min(dB)。

(3)被測天線軸比(AR)計算:AR(dB)=P

max(dB)-P

min

(dB)

(4)把被測天線換成標準增益天線，最大方向?qū)拾l(fā)射天線，記錄接收電平Ps(dB)，則被測天線圓極化增益Gx

可由下式得到：

式中:Gx

(