天线方向图

你了解天线⽅向图吗？天线⽅向图⼜叫辐射⽅向图（radiation pattern）、远场⽅向图（far-field pattern），是指在离天线⼀定距离处，辐射场的相对场强（归⼀化模值）随⽅向变化的图形，通常采⽤通过天线最⼤辐射⽅向上的两个相互垂直的平⾯⽅向图来表⽰。

天线的⽅向图是表征天线辐射特性(场强振幅、相位、极化)与空间⾓度关系的图形。

完整的⽅向图是⼀个三维的空间图形。

如下图所⽰。

它是以天线相位中⼼为球⼼（坐标原点），在半径r⾜够⼤的球⾯上，逐点测定其辐射特性绘制⽽成。

测量场强振幅，得到场强⽅向图；测量功率，得到功率⽅向图；测量极化，得到极化⽅向图；测量相位，得到相位⽅向图。

三维空间⽅向图的测绘⼗分⿇烦，实际⼯作中，⼀般只需测得⽔平⾯和垂直⾯（即XY平⾯和XZ平⾯）的⽅向图就可以。

*若不另加说明，本⽂⽅向图均指场强振幅⽅向图。

为了⽅便对各种天线的⽅向图特性进⾏⽐较，就需要规定⼀些特性参数。

主要包括：主瓣宽度，旁瓣电平，前后⽐，⽅向系数等。

主瓣宽度：是衡量天线的最⼤辐射区域的尖锐程度的物理量。

通常取天线⽅向图主瓣两个半功率点之间的宽度。

旁瓣电平：是指离主瓣最近且电平最⾼的第⼀旁瓣的电平，⼀般以分贝表⽰。

前后⽐：是指最⼤辐射⽅向（前向）电平与其相反⽅向（后向）电平之⽐，通常以分贝为单位。

⽅向系数：在离天线某⼀距离处，天线在最⼤辐射⽅向上的辐射功率流密度与相同辐射功率的理想⽆⽅向性天线在同⼀距离处的辐射功率流密度之⽐。

天线⽅向图可以⽤极坐标绘制，也可以⽤直⾓坐标绘制。

极坐标⽅向图的特点是直观、简单，从⽅向图可以直接看出天线辐射场强的空间分布特性。

但当天线⽅向图的主瓣窄⽽旁瓣电平低时，直⾓坐标绘制法显⽰出更⼤的优点，表⽰⾓度的横坐标和表⽰辐射强度的纵坐标在直⾓坐标绘制法中均可任意选取。

例如即使不到1°的主瓣宽度也能清晰地表⽰出来，⽽极坐标却⽆法绘制。

下图所⽰为同⼀天线⽅向图的两种坐标表⽰法。

发射天线接收天线传播电磁波近代物理实验实验报告成绩：班级姓名：同组者：教师：天线的方向图与极化特性测量【实验目的】一、了解天线的大体工作原理。

二、绘制并明白得天线方向图。

3、依照方向图研究天线的辐射特性。

【实验原理】一、天线的原理天线的作用第一在于辐射和接收无线电波，可是能辐射或接收电磁波的东西不必然都能用来作为天线。

要能够有效地辐射或接收电磁波，天线在结构和形式上必需知足必然的要求。

图1给出由高频开路平行双导线传输线演变成天线的进程。

如此的结构被称为开放式结构。

由结尾开路的平行双导线传输线张开而成的天线，确实是通常的对称振子天线，是最简单的一种天线。

天线辐射的是无线电波，接收的也是无线电波，但是发射机通过馈线送入天线的并非是无线电波，接收天线也不能把无线电波直接经馈线送入接收机，其中必需进行能量的转换。

图2是进行无线电通信时，从发射机到接收机信号通路的简单方框图。

天线除能有效地辐射或接收无线电波外，还能完成高频电流到同频率无线电波的转换，或完成无线电波到同频率的高频电流的转换。

因此，天线仍是一个能量转换器。

研究天线问题，实质上是研究天线所产生的空间电磁场散布，和由空间电磁场散布所决定的天线特性。

咱们明白电磁场知足麦克斯韦（Maxwell）方程组。

因此，求解天线问题实质上是求解知足必然边界条件的电磁场方程，它的理论基础是电磁场理论。

图1传输线演变成天线a.发射机c.b.图图2 无线电通信系统中的信号通道简单方框图二、 天线的分类天线的形式很多，为了便于研究，能够依照不同情形进行分类。

按用途分类，有发射天线，接收天线和收发公用天线。

按利用范围分类，有通信天线，雷达天线，导航天线，测向天线，广播天线电视天线等。

按馈电方式分类，有对称天线，不对称天线。

按利用波段分类，有长波、超长波天线，中波天线，短波天线，超短波天线和微波天线。

按天线外形分类，有T 形天线，V 形天线，菱形天线，鱼骨形天线，环形天线，螺旋天线，喇叭天线，反射面天线等等。

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。

卫星导航信号模拟器是一种高精度的标准信号源，可以为导航接收机的研制开发、测试提供仿真环境。

其中一个重要仿真项是导航接收机的天线方向图仿真。

所谓天线方向图，是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的图形，天线方向图是衡量天线性能的重要图形，可以从天线方向图中观察到天线的各项参数。

设计并实现接收机天线方向图软件可以提供对天线方向图的简单建模，从而模拟真实的接收机天线，提高卫星导航信号模拟器的真实环境仿真能力。

本文结合业务需求，运用面向对象思想完成了软件开发，并在软件设计中引入设计模式，通过测试验证软件可行。

1 天线方向图软件概述天线方向图软件采用所见即所得的设计理念，分为命令区域、编辑区域、二维可视化区域、三维可视化区域。

在命令区域，可通过下拉菜单、工具栏也可以进行上镜像、下镜像、左镜像、右镜像操作；在编辑区域，用户可以对视窗内的数据进行编辑，可以进行单点改变、行改变、列该变、矩形改变；二维可视化区域用于显示天线方向图的平面效果；三维可视化区域显示天线在三维世界中的状态。

如图1所示：图 软件界面天线方向图软件涉及设计模式、OpenGL 、Qt 等技术，本文主要讨论该软件和设计模式相关的两个部分：多界面的显示同步和用户操作。

2 多界面的显示同步设计我们在对天线方向图的任何编辑操作，如点操作、行操作、镜像操作，同时要求在二维可视化区域、三维可视化区域、编辑区域同时得到显示。

这正是观察者模式能够解决的问题，这一模式中的关键对象是目标和观察者。

一个目标可以有任意数目的依赖它的观察者。

一旦目标的状态发生改变，所有的观察者都得到通知。

作为对这个通知的响应，每个观察者都将查询目标以使其状态与目标的状态同步。

天线方向图的UML 静态结构图，如图2所示。

图2 观察者模式在软件中应用和观察者模式有些差异的是，观察者接口有两个接口可以获取到当前状态更新，一个是数据本身发生改变，另一个是观察区域发生改变。

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。