天线的主要特性参量

微波天线与技术课程报告汇总《微波技术与天线》课程考察报告姓名：专业班级：学号：指导老师：许焱平绪论1．微波技术是研究微波信号的产生、传输、变换、发射、接收和测量的一门学科，它的基本理论是经典的电磁场理论，研究电磁波沿传输线的传播特性有两种分析方法。

一种是“场”的分析方法，即从麦克斯韦方程出发，在特定边界条件下解电磁波动方程，求得场量的时空变化规律，分析电磁波沿线的各种传输特性；另一种是“路”的分析方法，即将传输线作为分布参数电路处理，用克希霍夫定律建立传输线方程，求得线上电压和电流的时空变化规律，分析电压和电流的各种传输特性。

2．微波的定义：把波长从1m 到0.1mm 范围内的电磁波称为微波。

微波波段对应的频率范围为: 300MHz ～3000GHz 。

在整个电磁波谱中，微波介于超短波与红外线之间，是频率最高的无线电波，它的频带宽度比所有普通无线电波波段总和宽1000倍。

一般情况下，微波又可划分为分米波、厘米波和毫米波和亚毫米四个波段。

3．微波具有如下主要特点：（1)似光性；（2)穿透性；（3)宽频带特性；（4)热效应特性；（5）散射特性；（6）抗低频干扰特性；（7）视距传输特性；（8）分布参数的不确定性；（9）电磁兼容和电磁环境污染。

4．微波技术的主要应用：（1)在雷达上的应用；（2)在通讯方面的应用；（3)在科学研究方面的应用；（4)在生物医学方面的应用；（5)微波能的应用。

f λ31081051010(m)(Hz)3103231063109-13101210-43101510-73101810-10无线电波宇宙射线射频目录绪论 (1)目录 (2)一、均匀传输线理论 (3)二、规则金属波导 (4)三、微波集成传输线……………………5四、微波网络基础 (5)五、微波元器件 (6)六、天线辐射与接收的基本理论 (7)七、电波传播概论 (8)八、线天线 (9)九、面天线 (10)十、微波应用系统 (11)心得体会 (12)本课程我们共学习了十章，主要学习了均匀传输线理论、规则金属波导、微波集成传输线、微波网络基础、微波元器件、天线辐射与接收理论、电波传播概论、线天线、面天线、微波应用系统。

天线参数的度量单位天线参数是描述天线性能的指标，包括增益、方向性、频率响应等。

这些参数通常以特定的单位进行度量，以便对天线进行准确的评估和比较。

下面将介绍几个常用的天线参数及其度量单位。

一、增益(Gain)增益是衡量天线辐射电磁波能力的重要参数，它表示天线相对于理想点源天线的辐射能力。

增益是以分贝(dB)为单位进行度量，通常用dBi表示。

例如，一个天线的增益为3dBi，意味着它相对于一个理想点源天线具有3dB的辐射能力。

二、方向性(Directivity)方向性是指天线在特定方向上辐射或接收信号的能力，它描述了天线辐射或接收模式的空间分布。

方向性通常用无量纲的方向图来表示，其中最大增益处对应的方向被定义为主瓣方向。

方向性也可以用分贝(dB)来度量，称为定向性因子。

例如，一个天线的定向性因子为10dB，表示它在主瓣方向上的增益是无方向性天线的10倍。

三、频率响应(Frequency Response)频率响应是指天线在不同频率下的辐射或接收能力。

它通常用功率或电压的响应值来表示，单位可以是瓦特(W)或伏特(V)。

例如，一个天线的频率响应为100W，表示它在特定频率下的辐射功率为100瓦特。

四、驻波比(VSWR)驻波比是评估天线匹配性能的重要指标，它表示天线输入端的驻波功率与匹配负载时的最小功率之比。

驻波比是无量纲的，通常用比值表示。

例如，一个天线的驻波比为1.5:1，表示驻波功率是匹配负载时最小功率的1.5倍。

五、极化(Polarization)极化是指电磁波的电场矢量相对于地面的方向。

常见的极化方式有水平极化、垂直极化等。

极化通常用线性极化度量，单位可以是分贝(dB)或无量纲的极化度。

例如，一个天线的极化度为20dB，表示它的极化效果比无极化天线好20dB。

天线参数的度量单位包括分贝(dB)、瓦特(W)、伏特(V)等。

这些参数和单位的准确描述和度量，有助于科学家、工程师和无线通信领域的专业人士对天线性能进行准确的评估和优化。

雷达天线雷达用来辐射和接收电磁波并决定其探测方向的设备。

雷达在发射时须把能量集中辐射到需要照射的方向；而在接收时又尽可能只接收探测方向的回波，同时分辨出目标的方位和仰角，或二者之一。

雷达测量目标位置的三个坐标（方位、仰角和距离）中，有两个坐标（方位和仰角）的测量与天线的性能直接有关。

因此，天线性能对于雷达设备比对于其他电子设备(如通信设备等)更为重要。

主要参量雷达天线的主要参量有方向图、增益和有效面积。

方向图雷达天线具有一定形状的波束。

由于波束是立体的，常用水平截面的波束形状(即水平方向图)和垂直截面的波束形状（即垂直方向图）描述。

方向图呈花瓣状，故又称波瓣图(图1)。

常规方向图只有一个主瓣和多个副瓣。

副瓣电平通常低于主瓣20分贝以上，这样才可能用主瓣来分辨目标的方位和仰角。

主瓣半功率点（0.707场强点）间的宽度称为波束宽度。

增益雷达天线在最大辐射方向所辐射的功率与一假想的各向均匀辐射的天线在同一方向辐射的功率之比(其条件为两天线输入的功率相同)。

增益G 表示雷达天线在发射时聚束的能力。

有效面积雷达天线接收到的信号功率与来自最大辐射方向的信号的功率密度之比，即天线接收到的信号功率Pr=S×Ae。

式中S为信号功率密度；Ae为天线有效面积，表示雷达天线在接收时捕获空中信号的能力。

由互易定理可证明G＝4πAe/λ2，式中λ为信号波长。

对一定形式的天线，天线有效面积Ae与实际几何面积A 成正比，即Ae=ηA。

式中η为利用系数，一般小于1。

雷达天线设计的主要问题是：①提高天线增益和有效面积,以加大雷达探测距离；②压低天线副瓣电平,以减小测向模糊和提高抗干扰能力；③提高波束扫描速率，以便能同时观察多个目标;④展宽天线系统工作频带,以提高反有源干扰的能力；⑤采用多种技术提高测角精度。

搜索雷达天线搜索雷达又称警戒雷达，用于及时发现远距离目标。

搜索雷达天线相当大，面积一般为数十至数百平方米。

探测距离达几千公里的预警雷达的天线面积可达几千或几万平方米。

微波技术与天线复习知识要点绪论●微波的定义：微波是电磁波谱介于超短波与红外线之间的波段,它属于无线电波中波长最短的波段;●微波的频率范围：300MHz~3000GHz ,其对应波长范围是1m~●微波的特点要结合实际应用：似光性,频率高频带宽,穿透性卫星通信,量子特性微波波谱的分析第一章均匀传输线理论●均匀无耗传输线的输入阻抗2个特性定义：传输线上任意一点z处的输入电压和输入电流之比称为传输线的输入阻抗注：均匀无耗传输线上任意一点的输入阻抗与观察点的位置、传输线的特性阻抗、终端负载阻抗、工作频率有关;两个特性：1、λ／2重复性：无耗传输线上任意相距λ／2处的阻抗相同Z in z= Z in z+λ／22、λ／4变换性: Z in z- Z in z+λ／4=Z02证明题：作业题●均匀无耗传输线的三种传输状态要会判断1.行波状态：无反射的传输状态▪匹配负载：负载阻抗等于传输线的特性阻抗▪沿线电压和电流振幅不变▪电压和电流在任意点上同相2.纯驻波状态：全反射状态▪负载阻抗分为短路、开路、纯电抗状态3.行驻波状态：传输线上任意点输入阻抗为复数●传输线的三类匹配状态知道概念▪负载阻抗匹配：是负载阻抗等于传输线的特性阻抗的情形,此时只有从信源到负载的入射波,而无反射波;▪源阻抗匹配：电源的内阻等于传输线的特性阻抗时,电源和传输线是匹配的,这种电源称之为匹配电源;此时,信号源端无反射;▪共轭阻抗匹配：对于不匹配电源,当负载阻抗折合到电源参考面上的输入阻抗为电源内阻抗的共轭值时,即当Z in=Z g﹡时,负载能得到最大功率值;共轭匹配的目的就是使负载得到最大功率;●传输线的阻抗匹配λ／4阻抗变换P15和P17●阻抗圆图的应用与实验结合史密斯圆图是用来分析传输线匹配问题的有效方法;1.反射系数圆图：Γz=|Γ1|e jΦ1-2βz= |Γ1|e jΦΦ1为终端反射系数的幅度,Φ=Φ1-2βz是z处反射系数的幅角;反射系数圆图中任一点与圆心的连线的长度就是与该点相应的传输线上某点处的反射系数的大小;2.阻抗原图点、线、面、旋转方向：➢在阻抗圆图的上半圆内的电抗x＞0呈感性,下半圆内的电抗x＜0呈容性;➢实轴上的点代表纯电阻点,左半轴上的点为电压波节点,其上的刻度既代表r min又代表行波系数K,右半轴上的点为电压波腹点,其上的刻度既代表r max又代表驻波比ρ;➢|Γ|=1的圆图上的点代表纯电抗点;➢实轴左端点为短路点,右端点为开路点,中心点处是匹配点;➢在传输线上由负载向电源方向移动时,在圆图上应顺时针旋转,；反之,由电源向负载方向移动时,应逆时针旋转;3.史密斯圆图：将上述的反射系数圆图、归一化电阻圆图和归一化电抗圆图画在一起,就构成了完整的阻抗圆图;4.基本思想：➢特征参数归一阻抗归一和电长度归一；➢以系统不变量|Γ|作为史密斯圆图的基底；➢把阻抗或导纳、驻波比关系套覆在|Γ|圆上;●回波损耗、功率分配等问题的分析✓回波损耗问题：1.定义为入射波功率与反射波功率之比通常以分贝来表示,即Lrz=10lgP in／Pr dB对于无耗传输线,ɑ=0,Lr与z无关,即Lrz=-20lg|Γ1| dB2.插入损耗：定义为入射波功率与传输功率之比3.|Γ1|越大,则| Lr |越小；|Γ1|越小,则| L in|越大;P21:有关回波损耗的例题例1-4✓功率分配问题：1.入射波功率、反射波功率和传输功率计算公式反映出了它们之间的分配关系;P192.传输线的传输效率：η=负载吸收功率／始端传输功率3.传输效率取决于传输线的损耗和终端匹配情况第二章规则金属波导●导波系统中的电磁波按纵向场分量的有无,可分为TE波、TM波和TEM波三种类型;知道概念➢TEM波：导行波既无纵向磁场有无纵向电场,只有横向电场和磁场,故称为横电磁波;E z=0而H z=0➢TM波E波：只有纵向电场,又称磁场纯横向波;E z≠0而H z=0➢TE波H波：只有纵向磁场,又称电场纯横向波;E z=0而H z≠0●导行条件：k c＜k时,f＞f c为导行波;●矩形波导、圆波导主要模式的特点及应用✧矩形波导：将由金属材料制成的、矩形截面的、内充空气的规则金属波导称为矩形波导;1)纵向场分量E z和H z不能同时为零,不存在TEM波;2)TE波：横向的电波,纵向场只有磁场;➢TE波的截止波数k c,➢矩形波导中可以存在无穷多种TE导模,用TE mn表示;➢最低次波形为TE10,截止频率最低;3)TM波➢TM11模是矩形波导TM波的最低次模,其他均为高次模;4)主模TE10的场分布及其工作特性➢主模的定义：在导行波中截止波长最长截止频率最低的导行模➢特点：场结构简单、稳定、频带宽和损耗小等;✧圆波导：若将同轴线的内导体抽走,则在一定条件下,由外导体所包围的圆形空间也能传输电磁能量,这就是圆形波导;➢应用：远距离通信、双极化馈线以及微波圆形谐振器等;➢圆形波导也只能传输TE和TM波形;➢主模TE11,截止波长最长,是圆波导中的最低次模;圆波导中TE11模的场分布与矩形波导的TE10模的场分布很相似,因此工程上容易通过矩形波导的横截面逐渐过渡变为圆波导;即构成方圆波导变换器;➢圆对称TM01模：圆波导的第一个高次模,由于它具有圆对称性故不存在极化简并模;因此常作为雷达天线与馈线的旋转关节中的工作模式;➢低损耗的TE01模：是圆波导的高次模式,它与TM11模是简并模;它是圆对称模,故无极化简并;当传输功率一定时,随着频率升高,管壁的热损耗将单调下降;故其损耗相对于其他模式来说是低的,故可将工作在此模式下的圆波导用于毫米波的远距离传输或制作高Q值的谐振腔;●熟悉模式简并概念及其区别1.矩形波导中的E-H简并：对相同的m和n,TE mn和TM mn模具有相同的截止波长或相同的截止频率;虽然它们的场分布不同,但是具有相同的传输特性;2.圆波导中有两种简并模：➢E-H简并：TE0n模和TM1n模的简并➢极化简并模：考虑到圆波导的轴对称性,因此场的极化方向具有不确定性,使导行波的场分布在φ方向存在cosmφ和sinmφ两种可能的分布,它们独立存在,相互正交,截止波长相同,构成同一导行模的极化简并模;●熟悉矩形波导壁电流分布及应用●波导激励的几种类型1.电激励2.磁激励3.电流激励●方圆波导转换器的作用圆波导中TE11模的场分布与矩形波导的TE10模的场分布很相似,因此工程上容易通过矩形波导的横截面逐渐过渡变为圆波导;即构成方圆波导变换器;第三章微波集成传输线●带状线、微带线的结构及特点1.带状线：➢是由同轴线演化而来的,即将同轴线的外导体对半分开后,再将两半外导体向左右展平,并将内导体制成扁平带线;➢主要传输的是TEM波;可存在高次模;➢用途：替代同轴线制作高性能的无源元件;➢特点：宽频带、高Q值、高隔离度➢缺点：不宜做有源微波电路;2.微带线：➢是由双导体传输线演化而来的,即将无限薄的导体板垂直插入双导体中间,再将导体圆柱变换成导体带,并在导体带之间加入介质材料,从而构成了微带线;微带线是半开放结构;➢工作模式：准TEM波●带状线、微带线特征参数的计算会查图➢带状线和微带线的传输特性参量主要有：特性阻抗Z0、衰减常数ɑ、相速v p和波导波长λg ●介质波导主模及其特点➢主模HE11模的优点：a)不具有截止波长；b)损耗较小；c)可直接由矩形波导的主模TE10激励;第四章微波网络基础●熟练掌握阻抗参量、导纳参量、转移参量、散射参量结合元件特性和传输参量的定义P84-P93➢阻抗矩阵Z➢导纳矩阵Y➢转移矩阵A➢散射矩阵S➢传输矩阵T●掌握微波网络思想在微波测量中的应用三点法的条件➢前提条件：令终端短路、开路和接匹配负载时,测得的输入端的反射系数分别为Γs,Γo和Γm,从而可以求出S11, S12, S22;第五章微波元器件●匹配负载螺钉调配器原理、失配负载；衰减器、移相器作用➢匹配负载作用：消除反射,提高传输效率,改善系统稳定性；➢螺钉调配器：螺钉是低功率微波装置中普遍采用的调谐和匹配原件,它是在波导宽边中央插入可调螺钉作为调配原件;螺钉深度不同等效为不同的电抗原件,使用时为了避免波导短路击穿,螺钉·都设计成为了容性,即螺钉旋入波导中的深度应小于3b/4b为波导窄边尺寸;➢失配负载：既吸收一部分微波功率又反射一部分微波功率,而且一般制成一定大小驻波的标准失配负载,主要用于微波测量;➢衰减器,移相器作用：改变导行系统中电磁波的幅度和相位；●了解定向耦合器的工作原理P106➢定向耦合器是一种具有定向传输特性的四端口元件,它是由耦合装置联系在一起的两对传输系统构成的;➢利用波程差;●熟练掌握线圆极化转换器的工作原理及作用●了解场移式隔离器的作用P122➢根据铁氧体对两个方向传输的波型产生的场移作用不同而制成的;●了解铁氧体环行器的分析及作用P123➢环行器是一种具有非互易特性的分支传输系统;第六章天线辐射与接收的基本理论第七章电波传播概论●天波通信、地波通信、视距波通信的概念1.天波通信：指自发射天线发出的电波在高空被电离层反射后到达接收点的传播方式,也成为电离层电波传播;主要用于中波和短波波段2.地波通信：无线电波沿地球表面传播的传播方式;主要用于长、中波波段和短波的低频段;3.视距波通信：指发射天线和接收天线处于相互能看见的视距距离内的传播方式;地面通信、卫星通信以及雷达等都可以采用这种传播方式;主要用于超短波和微波波段的电波传播●天线的作用●无线电波传输是产生失真的原因无线电波通过煤质除产生传输损耗外,还会使信号产生失真——振幅失真和相位失真两个原因：1.煤质的色散效应：色散效应是由于不同频率的无线电波在煤质中的传播速度有差别而引起的信号失真;2.随机多径传输效应：会引起信号畸变;因为无线电波在传输时通过两个以上不同长度的路径到达接收点;接收天线收到的信号是几个不同路径传来的电场强度之和;。

天线相关参数解释天线相关参数解释1、天线的输⼊阻抗天线的输⼊阻抗是天线馈电端输⼊电压与输⼊电流的⽐值。

天线与馈线的连接，最佳情形是天线输⼊阻抗是纯电阻且等于馈线的特性阻抗，这时馈线终端没有功率反射，馈线上没有驻波，天线的输⼊阻抗随频率的变化⽐较平缓。

天线的匹配⼯作就是消除天线输⼊阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗。

匹配的优劣⼀般⽤四个参数来衡量即反射系数，⾏波系数，驻波⽐和回波损耗，四个参数之间有固定的数值关系，使⽤那⼀个纯出于习惯。

在我们⽇常维护中，⽤的较多的是驻波⽐和回波损耗。

⼀般移动通信天线的输⼊阻抗为50Ω。

2、驻波⽐它是⾏波系数的倒数，其值在1到⽆穷⼤之间。

驻波⽐为1，表⽰完全匹配；驻波⽐为⽆穷⼤表⽰全反射，完全失配。

在移动通信系统中，⼀般要求驻波⽐⼩于1.5，但实际应⽤中VSWR应⼩于1.2。

过⼤的驻波⽐会减⼩基站的覆盖并造成系统内⼲扰加⼤，影响基站的服务性能。

3、回波损耗它是反射系数绝对值的倒数，以分贝值表⽰。

回波损耗的值在0dB的到⽆穷⼤之间，回波损耗越⼤表⽰匹配越差，回波损耗越⼩表⽰匹配越好。

0表⽰全反射，⽆穷⼤表⽰完全匹配。

在移动通信系统中，⼀般要求回波损耗⼤于14dB。

4、天线的极化⽅式所谓天线的极化，就是指天线辐射时形成的电场强度⽅向。

当电场强度⽅向垂直于地⾯时，此电波就称为垂直极化波；当电场强度⽅向平⾏于地⾯时，此电波就称为⽔平极化波。

由于电波的特性，决定了⽔平极化传播的信号在贴近地⾯时会在⼤地表⾯产⽣极化电流，极化电流因受⼤地阻抗影响产⽣热能⽽使电场信号迅速衰减，⽽垂直极化⽅式则不易产⽣极化电流，从⽽避免了能量的⼤幅衰减，保证了信号的有效传播。

因此，在移动通信系统中，⼀般均采⽤垂直极化的传播⽅式。

另外，随着新技术的发展，最近⼜出现了⼀种双极化天线。

就其设计思路⽽⾔，⼀般分为垂直与⽔平极化和±45°极化两种⽅式，性能上⼀般后者优于前者，因此⽬前⼤部分采⽤的是±45°极化⽅式。

天线测量报告1、 简介天线参量是描述天线特征的量，可用实验的方法测定。

天线参量的测量（简称为天线测量）是设计天线和调整天线的重要手段。

因为天线的特征是多方面的，所以一个天线有很多个参量。

在这些参量中，大多数情况下要着重测量的是方向图、输入阻抗和增益。

超宽带 (UWB) 是一项快速发展的技术，它用于传输大带宽 (>500 MHz) 范围内的信息，以便进行短距离、宽带宽通信。

通过使用近期由管理机构批准的极低的发射电平，UWB技术作为个人局域网 (PAN) 连通性 (例如无线 USB) 所使用的核心技术正在引起人们的关注。

近来，用于PAN应用的商用器件正逐渐应用到小于10.6 GHz的频率范围。

对于商用天线 (例如 WLAN) 或那些在蜂窝系统中使用的天线来说，矢量网络分析仪 (VNA)的射频型号 (例如E5071C ENA (4.5 GHz/8.5 GHz) 和E5061/62A ENA-L (1.5 GHz/3 GHz) 网络分析仪)已广泛应用于设计流程和生产线上，以测量回波损耗或VSWR。

然而，由于UWB系统使用更宽的频率范围，UWB天线测量需要在生产线上使用更高频率的VNA。

本文讨论了使用20 GHz ENA网络分析仪进行UWB天线测量的优势，并给出了使用ENA选通功能的测量实例。

2、 二、测量注意事项1、20 GHz ENA可最大程度地降低测试成本在2008年8月，安捷伦推出了一款频率高达20GHz的ENA。

秉承该系列产品的优良传统，20 GHz ENA在同类产品中具有出色的性能和测量速度， 可最大程度地降低测试成本。

例如， ENA在所有频率范围内的迹线噪声仅为传统VNA (例如8719或8720 (10 MHz至20 GHz，51 pts，IFBW 1 kHz) 的十分之一，而测量速度却是传统VNA的十倍。

2、快速利用您当前的ENA程序20 GHz ENA提供与当前ENA (4.5 GHz/8.5 GHz选件)一样的用户界面和编程命令，有效地保护您的软件投资。

天线一、定义：用金属导线、金属面或其他介质材料构成一定形状，架设在一定空间，将从发射机馈给的射频电能转换为向空间辐射的电磁波能，或者把空间传播的电磁波能转化为射频电能并输送到接收机的装置。

天线（antenna)是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换。

在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。

二、天线的分类：①按工作性质可分为发射天线和接收天线。

②按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等。

③按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等。

④按结构形式和工作原理可分为线天线和面天线等。

三、描述天特性参量有：（1）方向图（2）方向系数（3）增益（4）输入阻抗（5）辐射效率（6）极化和频宽（7）驻波比（1）方向性：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。

（2）增益：1、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磁波能力大小的表现。

2、在输入功率相等的条件下，实际天线与理想天线的辐射单元在空间同一个点所产生的信号的功率密度之比，增益显然与天线的方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。

注：半波对称振子的增益为G=2.15dBi。

如果以半波对称振子作比较对象，其增益的单位是dBd。

半波对称振子的增益为G=0dBd（因为是自己跟自己比，比值为1，取对数得零值。

）垂直四元阵，其增益约为G=8.15–2.15=6dBd。

（3）驻波比：天线输入阻抗和馈线的特性阻抗不一致时，产生的反射波和入射波在馈线上叠加形成的磁波，其相邻电压的最大值和最小值之比是电压驻波比，它是检验馈线传输效率的依据，电压驻波比小于1.5，在工作频点的电压驻波比小于1.2，电压驻波比过大，将缩短通信距离，而且反射功率将返回发射机功放部分，容易烧坏功放管，影响通信系统正常工作。