天线方向图的理论分析及测量原理分析

天线方向图的特征参数与天线的方向图作图
 天线方向图又叫辐射方向图（radiation pattern）、远场方向图（far-field pattern）。

从方向图上面不能得到天线增益，由方向图得到的是方向系数。

天线增益=方向系数* 天线效率。

所以方向系数大于增益是肯定的。

 天线增益主要是通过方向图的测试而表现出来。

这里有很多的种测试方向图的测试系统。

也就是暗室。

而在暗室的测试出来的结果，也只是一种和理想对称振子比较的的结果。

都知道理想对称振子的增益为2.15dB。

这样就可以根据测试电平的高低来计算出天线的增益。

G=D*N%.而天线的效率一般情况下是没有百分百的，所以G<d 。

在计算天线的方向系数D是，通常所采用的就是根据方向图上面表现出来的主瓣的波瓣宽度计算，如半功率波瓣宽度，也就是电平下降3dB是的波瓣宽度。

 天线增益：
 天线增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。

它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。

增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。

天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信。

天线方向性图的测量[权威资料] 天线方向性图的测量对于一面发射天线，如果有另一面性能较好的接收天线相配合，就可以测定发射天线的发射方向图。

对于一面接收天线，如果有一面发射天线相配合，就可以测定接收天线的接收方向图。

只是在测定方向图时，不管被测的是发射天线还是接收天线，都需要有电动伺服系统，能够平稳地、连续地在方位面和俯仰面上进行调整。

用来配合测试的天线可以与被测天线处于同一地球站内，也可以处在地理位置相隔较远的地球站上。

这种测定天线方向性图的方法，称为“辅助地球站测量法”。

要想测定发射天线的方向性图，则与之配合的接收天线就是“辅助地球站”;要想测定接收天线，则与之配合的发射天线就是“辅助地球站”。

这种测量法与其它一些方法相比有以下优点:一是既能测接收方向图，又能测发射方向图;二是测量的角度范围比较大，能够测到远旁瓣;三是测量的结果比较准确，测量精度在可控范围内。

使用这种测量方法，不论是测量发射方向性图还是测量接收方向性图，都必须向卫星发射一个不加调制的单载波，且要求其频率和功率都十分稳定。

上行功率的确定要考虑两个方面的因素，一方面上行功率要足够大，以保证在天线转动到远旁瓣时仍能接收到信号;另一方面，上行功率又不能过大，避免使卫星转发器进入饱和状态，一旦转发器处于饱和状态，会影响方向性图在主瓣附近的细节，还会影响主瓣与旁瓣之间的电平关系。

如图1(a)所示，某天线在测试时因为上行发射功率太大导致转发器饱和，主瓣被压缩，主瓣与旁瓣的电平差不符合指标要求;而在调小发射功率后再测，结果就正常了，见图1(b)。

所以，确定上行功率时需要得到卫星测控站的帮助，只要确认在天线主瓣对准卫星时转发器未饱和即可。

上行功率的确定还要兼顾测试接收机的性能，以保证接收机工作在线性范围内，避免由于接收机的原因导致测量误差。

在测量中还需注意，尽可能不使用LNB(低噪声下变频单元)，而应使用LNA(低噪声放大器)，且放大器中不可启用AGC(自动电平调整)功能。

实验四、电波天线特性测试一、实验原理天线的概念无线电发射机输出的射频信号功率，通过馈线输送到天线，由天线以电磁波形式辐射出去。

电磁波到达接收地点后，由天线接下来（仅仅接收很小很小一部分功率），并通过馈线送到无线电接收机。

可见，天线是发射和接收电磁波的一个重要的无线电设备，没有天线也就没有无线电通信。

天线品种繁多，以供不同频率、不同用途、不同场合、不同要求等不同情况下使用。

对于众多品种的天线，进行适当的分类是必要的：按用途分类，可分为通信天线、电视天线、雷达天线等；按工作频段分类，可分为短波天线、超短波天线、微波天线等；按方向性分类，可分为全向天线、定向天线等；按外形分类，可分为线状天线、面状天线等；等等分类。

选择合适的天线天线作为通信系统的重要组成部分，其性能的好坏直接影响通信系统的指标，用户在选择天线时必须首先注重其性能。

具体说有两个方面，第一选择天线类型；第二选择天线的电气性能。

选择天线类型的意义是：所选天线的方向图是否符合系统设计中电波覆盖的要求；选择天线电气性能的要求是：选择天线的频率带宽、增益、额定功率等电气指标是否符合系统设计要求。

天线的方向性发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。

天线对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力，这就是天线的方向性。

衡量天线方向性通常使用方向图，在水平面上，辐射与接收无最大方向的天线称为全向天线，有一个或多个最大方向的天线称为定向天线。

全向天线由于其无方向性，所以多用在点对多点通信的中心台。

定向天线由于具有最大辐射或接收方向，因此能量集中，增益相对全向天线要高，适合于远距离点对点通信，同时由于具有方向性，抗干扰能力比较强。

垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图。

立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。

天线的增益增益是天线的主要指标之一，它是方向系数与效率的乘积，是天线辐射或接收电波大小的表现。

天线测量与微波测量实验讲义（试用）实验一、喇叭天线方向图的测量一、 实验目的：1、 了解喇叭天线的方向图特性；2、 掌握天线方向图的测量方法。

二、 实验原理：H 面和E 面方向图的计算公式为E H θ)E 0b[(λR H )/8]1/2{exp[j(π/4)λR Hθ/λ))2][C(u 1)+C(u 2)-jS(u 1)-jS(u 2)]+exp[j(π/4)λR H ((1/a h )-(2sin θ/λ))2][C(u 3)+C(u 4) -jS(u 3)-jS(u 4)]}E E 2]1/2cos θ}{[C(w 1)+C(w 2)]2+[S(w 1)+S(w 2)]2}1/2±j(π/2)t 2]dt=C(x)±jS(x)u1=(1/2)1/2{[a h/(λR H)1/2]+(λR H)1/2[(1/a h)+(2sinθ/λ)]}u2=(1/2)1/2{[a h/(λR H)1/2]-(λR H)1/2[(1/a h)+(2sinθ/λ)]}u3=(1/2)1/2{[a h/(λR H)1/2]+(λR H)1/2[(1/a h)-(2sinθ/λ)]}u4=(1/2)1/2{[a h/(λR H)1/2]-(λR H)1/2[(1/a h)-(2sinθ/λ)]} w1=[b h/(2λg R E)1/2]+{[(2λg R E)1/2/λ]sinθ}w2=[b h/(2λg R E)1/2]-{[(2λg R E)1/2/λ]sinθ}w1=[b h/(2λg R E)1/2]+{[(2λg R E)1/2/λ]sinθ}w1=[b h/(2λg R E)1/2]+{[(2λg R E)1/2/λ]sinθ}w1=[b h/(2λg R E)1/2]+{[(2λg R E)1/2/λ]sinθ}三、实验装置：测量方向图所需的基本设备可分为发射系统和接收系统两大部分。

天线方向图的测试
实验成绩指导老师签名
【实验目的】
(1)了解八木天线的基本原理
(2)了解天线方向图的基本原理。

(3)用功率测量法测试天线方向图以了解天线的辐射特性。

【实验使用仪器与材料】
(1)HD-CB-V 电磁场电磁波数字智能实训平台
(2)八木天线
(3)电磁波传输电缆
【实验原理】
八木天线的概念：由一个有源半波振子，一个或若干个无源反射器和一个或若干个无源引向器组成的线形端射天线。

八木天线有很好的方向性，较偶极天线有高的增益。

用它来测向、远距离通信效果特别好。

方向图是表征表示场强对方位角变化的极性图形，在本实验中，接收端用功率计来测量接收天线的辐射特性。

连接示意图：
【实验步骤】
首先将八木天线分别固定到支架上，平放至标尺上，距离保持在1米以上。

(一)发射端
1.将八木天线固定在发射支架上。

2.将“输出口2”连接至发射的八木天线。

3.电磁波经定向八木天线向空间发射。

(二)接收端
1.接收端天线连接至“功率频率检测”，测量接收功率。

2.调节发射与接收天线距离，使其满足远场条件。

3.将两根天线正对保持0度。

4.记录下天线的接收功率值。

5.转动接收天线，变换接收天线角度，记录下天线接收功率值。

八木天线的方向图及阻抗匹配和极化匹配一、实验原理（1）八木天线是由一个有源振子(一般用折合振子)、两个无源振子：反射器（长的）和若干个无源引向器（短的）平行排列而成的端射式天线。

主瓣方向由有源振子指向引向器。

引向器略短于二分之一波长，主振子等于二分之一波长，反射器略长于二分之一波长，两振子间距四分之一波长。

此时，引向器对感应信号呈“容性”，电流超前电压90°;引向器感应的电磁波会向主振子辐射，辐射信号经过四分之一波长的路程使其滞后于从空中直接到达主振子的信号90，恰好抵消了前面引起的“超前”，两者相位相同，于是信号迭加，得到加强。

反射器略长于二分之一波长，呈感性，电流滞后90°，再加上辐射到主振子过程中又滞后90°，与从反射器方向直接加到主振子上的信号正好相差了180，起到了抵消作用。

一个方向加强，一个方向削弱，便有了强方向性。

发射状态作用过程亦然。

（2）阻抗匹配天线的一个重要特征，那就是“输入阻抗”。

在谐振状态，天线如同一只电阻接在馈线端。

常用馈线阻抗为50Ω，如果天线输入阻抗也是50Ω，那就达到了“匹配”，电台输出的信号就能全部从天线上发射出去；如果不“匹配”，一部分功率就会反射回电台的功放电路。

阻抗完全匹配才能达到最大功率传输。

不匹配时，发射机发射的电波将有一部分反射回来，在馈线中产生反射波，反射波到达发射机，最终产生为热量消耗掉。

接收时，也会因为不匹配，造成接收信号不好。

完全匹配，将不产生反射波，这样，在馈线里各点的电压振幅是恒定的。

阻抗完全匹配才能达到最大功率传输。

（3）极化匹配收、发信双方保持相同"姿势"为好。

振子水平时，发射的电波其电场与大地平行，称"水平极化波"，振子与地垂直时发射的电波属"垂直极化波"。

收发双方应该保持相同的极化方式。

二、实验目的1、学习测量八木天线方向图方法2、测量八木天线在阻抗匹配条件下的反射系数3、研究在不同极化方式下的八木天线的功率变化。

Harbin Institute of Technology天线原理实验报告课程名称：天线原理院系：电信学院班级：姓名：学号：同组人：指导教师：刘北佳实验时间：2015/5/13实验成绩：哈尔滨工业大学一、实验目的1.掌握喇叭天线的结构、分类和特性参数。

2.掌握天线方向图的意义和测量方法。

3.对比分析几种天线的辐射特性和性能。

二、实验原理1.天线电参数天线电参数主要包括：方向图、方向性系数、有效长度、增益、效率、输入阻抗、极化、频带宽度。

1）方向图：天线的辐射电磁场在固定距离上随空间角坐标分布的图形，称为辐射方向图或辐射波瓣图。

2）方向性系数：在相同辐射功率，相同距离情况下，天线在某方向上的辐射功率密度与无方向性天线在该方向上的辐射功率密度之比。

3）有效长度：在保持天线最大辐射场强不变的情况下，假设天线上的电流为均匀分布时的等效长度。

4）增益：在相同输入功率，相同距离情况下，天线在某方向上的辐射功率密度与无方向性天线在该方向上的辐射功率密度之比。

5）效率：天线将导波能量转换成电波能量的有效程度。

6）输入阻抗：天线输入端呈现的阻抗值。

7）极化：天线在给定空间方向上远区无线电波的极化，即时变电场矢量端点运动轨迹的形状、取向和旋转方向。

8）频带宽度：天线电参数保持在要求范围内的工作频率范围。

2.喇叭天线喇叭天线由逐渐张开的波导构成。

按口径形状可分为矩形喇叭天线与圆形喇叭天线等。

波导终端开口原则上可构成波导辐射器，由于口径尺寸小，产生的波束过宽；另外，波导终端尺寸的突变除产生高次模外，反射较大，与波导匹配不良。

为改善这种情况，可使波导尺寸加大，以便减少反射，又可在较大口径上使波束变窄。

3.方向图测量（测试环境、最小测试距离、极化）测试环境：最理想的场地是自由空间，可以通过微波暗室来模拟，本次实验在实验室进行测量，测量过程中存在一定干扰；最小测试距离：实际测量中，发射天线到接收天线距离有限，为保证测量精度需规定被测天线入射波的幅度、相位条件来确定最小测试距离；极化：天线在给定空间方向上远区无线电波的极化，通常指天线在其最大辐射方向上的极化。

实验报告：天线辐射的方向特性一、实验题目：天线辐射的方向特性二、实验目的：1 理解天线辐射的相关原理知识，对天线的方向图及其相关参数有一定的认识。

2 测定右手螺旋天线的方向特性。

三、实验仪器:旋转天线盘、喇叭形天线、微波吸收器、右手螺旋天线、波导式天线、计算机及测试软件。

四、实验原理：任何实用天线的辐射都具有方向性，通常将天线远区辐射场的振幅与方向间的关系用曲线表示出来，这种曲线图被称之为天线的辐射方向图；而将离开天线一定距离R 处的天线远区的辐射场量与角度坐标间的关系式称为天线的方向图函数，记为|F(θ,φ)|。

电流元的远区辐射场量在相同距离R的球面上不同方向的各点，场强是不同的，它与|sinθ|成正比，因此，电流元的方向图函数，记为|F(θ, φ)| =|F(θ)| = |sinθ|。

为了画出电流元的辐射方向图，将电流元中心置于坐标原点，向各个方向作射线，并取其长度与场强的大小成正比，即得到一个立体图形，也就是得到电流元的立体方向图，它的形状像汽车轮胎。

如图1（a）所示。

天线的立体方向图一般较难画出，通常只画出相互垂直的两个平面内的方向图，即E面和H 面方向图。

电流元E面的方向图处于子午面，即电场分量Eθ所处的平面内的方向图，故称为E面方向图，H面方向图处于赤道面内，即与磁场分量Hφ平行的平面内的方向图，故称为H面方向图。

(a) 立体方向图； (b) E面方向图； (c) H面方向图图1 电流元的方向图二维平面方向图可以在极坐标系中绘制，也可以在直角坐标系中绘制，但在极坐标系中绘制的方向图较为直观，因此较为常用。

在极坐标系中绘制的电流元的E 面和H面方向图如图1(b)T和（c）所示。

显然，E面方向图关于电流元的轴线呈轴对称分布，在θ=90˚方向出现最大值“1”，其他方向上按矢径作出，而在轴线（θ=0˚和θ=90˚）上其值为零。

在H面（θ=90˚）上，各方向场强均相同，故其方向图是一个单位圆，这样，将E面方向图绕电流元的轴线旋转一周，即可得到电流元的立体方向图。

103 实验二十一 天线方向图测试一抛物面天线方向性的研究一、实验目的1、进一步掌握天线方向图的基本测量方法。

2、了解旋转抛物面天线的结构及其几何参数关系。

3、研究旋转抛物面天线的辐射器在正焦、偏焦时的方向图。

二、实验内容1、测量旋转抛物面天线的主要几何尺寸，计算抛物面的焦距f ，将辐射器置于焦点上(正焦时)，测量抛物面天线的H 面方向图。

2、将辐射器置于偏离抛物面轴线某一角度1θ的等焦距位置上，测量天线的H 面方向图。

3、将辐射器沿轴线缩短4cm 时，测量天线的H 面方向图。

三、实验原理和方法旋转抛物面天线是一种典型的反射面天线，它是由金属制作成的旋转抛物面反射镜(其几何尺寸大至几十米，小到零点几米)和位于抛物面焦点上的辐射器(又称馈甲如振子天线、喇叭天线和糙隙天线等)所构成，具有主瓣窄、付瓣电子低和高增益等辐射特性，目前已广泛地应用于雷达、中继通信、电视、射电天文和卫星地面站等方面。

抛物面天线辐射特性的分析方法目前在理论上已经成熟，借助数字计算机可以获得精确的计算，但是由于制造工艺和安装方面的原因往往存在抛物面的制造公差和辐射器的安装公差等，从而影响了天线的辐射特性，所以通过实际测试调整天线的性能是非常重要的。

旋转抛物面天线是一种具有针状波束的强方向性天线，它的这一特性是由旋转抛物面天线的聚焦作用决定的。

在直角坐标中的方程为224x y fz +=在极坐标系中的方程为22sec 1cos 2f f ψρψ==+ 图20-1旋转天线法测量天线方框图四、测量步骤⑴、根据要求确定球坐标去向和控制台⑵、确定最小测试距离和架设高度⑶、进行电道估算选择测量仪器⑷、收发天线应架设在同一高度上，并将转台调到水平⑸、检查周围的反射电平及必须具备的测量条件⑹、转台转轴尽可能通过待测天线相位中心⑺、转动待测天线，使准备测试的方向图平面为水平面，并使辅助天线极化使与待测场极化一致。

⑻、将收发天线最大方向对准，调整检波器与测量放大器使接受指示最大⑼、旋转待测天线，记录接受信号，特别留心主办宽度和付瓣电平，垂直平面的方向图测量同上，只要将天线变成俯仰转动或将待测天线极化旋转90度在水平面测量。