哈工大天线实验报告.docx
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哈工大天线实验报告.docx
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哈工大天线实验报告
HarbinInstituteofTechnology
天线原理实验报告
课程名称:
天线原理
班级:
姓名:
学号:
同组人:
指导教师:
实验时间:
实验成绩:
注:
本报告仅供参考
哈尔滨工业大学
一、实验目的
1.掌握喇叭天线的原理。
2.掌握天线方向图等电参数的意义。
3.掌握天线测试方法。
二、实验原理
1.天线电参数
(1).发射天线电参数
a.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。
b.方向性系数:
在相同辐射功率,相同距离情况下,天线在该方向上的辐射功率密度Smax与无方向性天线在该方向上的辐射功率密度S0之比值。
c.有效长度:
在保持该天线最大辐射场强不变的条件下,假设天线上的电流均匀分布时的等效长度。
d.天线效率:
表征天线将高频电流或导波能量转换为无线电波能量的有效程度。
e.天线增益:
在相同输入功率、相同距离条件下,天线在最大辐射方向上的功率密度Smax与无方向性天线在该方向上的功率密度S0之比值。
f.输入阻抗:
天线输入端呈现的阻抗值。
g.极化:
天线的极化是指该天线在给定空间方向上远区无线电波的极化。
h.频带宽度:
天线电参数保持在规定的技术要求范围内的工作频率范围。
(2).接收天线电参数:
除了上述参数以外,接收天线还有一些特有的电参数:
等效面积和等效噪声温度。
a.等效面积:
天线的极化与来波极化匹配,且负载与天线阻抗共轭匹配的最佳状态下,天线在该方向上所接收的功率与入射电波功率密度之比。
b.等效噪声温度:
描述天线向接收机输送噪声功率的参数。
2.喇叭天线
由逐渐张开的波导构成,是一种应用广泛的微波天线。
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。
(1).H面扇形喇叭:
若保持矩形波导窄边尺寸不变,逐渐张开宽边可得H面扇形喇叭。
(2).E面扇形喇叭:
若保持矩形波导宽边尺寸不变,逐渐张开窄边可得H面扇形喇叭。
(3).角锥喇叭:
矩形波导宽边和窄边同时张开所形成的。
(4).圆锥喇叭:
圆波导半径逐渐张开形成。
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,测量过程中由于各种反射折射及其他无线电波的干扰,对实验结果有一定干扰。
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。
天线不能接收与其正交的极化分量,只有天线极化与来波极化一致时为极化匹配,接收机才可获得最大功率,极化失配时需乘以失配因子。
4.E面、H面、主瓣宽度等概念
(1).E面:
通过最大辐射方向并与电场矢量平行的平面。
(2).H面:
通过最大辐射方向并与磁场矢量平行的平面。
(3).天线的极坐标方向图呈波瓣形。
最大的波瓣叫做主瓣,其余的叫副瓣或旁瓣,与主瓣相反方向上的副瓣叫后瓣。
a.零功率点波瓣宽度:
是指主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角。
b.半功率点波瓣宽度:
是指主瓣最大值两边场强等于最大场强的0.707倍的两辐射方向之间的夹角。
波瓣参数是辐射能量在空间分布的一种表征。
三、实验仪器
发射喇叭天线:
楔形角锥喇叭
接收喇叭天线:
H面扇形喇叭、E面扇形喇叭、楔形角锥喇叭、圆锥喇叭
功率显示器:
电源、工作盘
四、实验步骤
(1).将发射角锥喇叭天线与接收喇叭天线(E面扇形喇叭)垂直固定于工作盘,使其在同一高度,并对准开口测E面方向图。
(2).左右旋转接收喇叭天线同时观察功率表找到最大值点,将该点对准刻度盘0°。
(3).向左旋转转盘,每转1°读一次示数并记录,读到电流变不再有示数显示为止。
(4).刻度盘归零,向右旋转转盘步骤同上一步。
(5).接收喇叭天线换成其他类型,测出数据,步骤同上。
(6).用matlab将所得数据换算成dB值并进行归一化处理。
在OriginPro上输入数据,画出极坐标图。
五、实验数据
将测量得到的原始数据换算成dB,再进行归一化(减去每组最大dB值)处理后得到的dB数值如下。
未测量得到的角度将其归一化dB值设为-50dB,此处仅列出测量后处理得到数值。
(1).E面喇叭
E面:
角度
归一化功率
角度
归一化功率
0
-1.76931
348
-36.10918
1
-0.5557
349
-36.10918
2
-0.13606
350
-36.10918
3
0
351
-36.10918
4
-0.5557
352
-32.05453
5
-1.6093
353
-29.17771
6
-3.33773
354
-22.24624
7
-5.66395
355
-18.19158
8
-8.38329
356
-12.13023
9
-13.08333
357
-9.02868
10
-18.19158
358
-5.66395
11
-22.24624
359
-3.52821
12
-26.94627
13
-32.05453
14
-36.10918
15
-36.10918
16
-36.10918
H面:
角度
归一化功率
角度
归一化功率
0
-0.93819
327
-42.04693
1
-1.10348
328
-42.04693
2
-1.4425
329
-42.04693
3
0
330
-35.11545
4
-1.79341
331
-35.11545
5
-2.15709
332
-35.11545
6
-2.53449
333
-35.11545
7
-2.9267
334
-31.0608
8
-3.76051
335
-28.18398
9
-4.67023
336
-25.95255
10
-5.67106
337
-24.12933
11
-6.49345
338
-22.58782
12
-7.38957
339
-21.25251
13
-8.03495
340
-20.07468
14
-8.72488
341
-19.02108
15
-9.85817
342
-17.19786
16
-11.1365
343
-15.65635
17
-12.0896
344
-14.32104
18
-14.32104
345
-12.0896
19
-15.65635
346
-10.26639
20
-17.19786
347
-8.37397
21
-19.02108
348
-7.70705
22
-20.07468
349
-6.49345
23
-21.25251
350
-5.93775
24
-24.12933
351
-5.15813
25
-25.95255
352
-4.43493
26
-28.18398
353
-3.54545
27
-31.0608
354
-2.53449
28
-35.11545
355
-2.15709
29
-35.11545
356
-1.79341
30
-35.11545
357
-1.4425
31
-42.04693
358
-1.27155
32
-42.04693
359
-1.10348
33
-42.04693
(2).H面喇叭
E面:
角度
归一化功率
角度
归一化功率
0
-1.25163
356
-0.60625
1
-2.68264
357
-0.60625
2
-3.48307
358
-1.25163
3
-3.48307
359
-1.25163
4
-4.35318
5
-5.30628
6
-5.30628
7
-5.30628
8
-5.30628
9
-6.35989
10
-6.35989
11
-5.30628
12
-6.35989
13
-6.35989
14
-7.53772
15
-10.41454
16
-12.23775
17
-12.23775
18
-14.46919
19
-14.46919
20
-17.34601
21
-17.34601
22
-21.40066
23
-21.40066
24
-28.33213
25
-28.33213
26
-28.33213
27
-28.33213
28
-28.33213
H面:
角度
归一化功率
角度
归一化功率
0
0
340
-28.90372
1
0
341
-28.90372
2
-1.17783
342
-28.90372
3
-1.82322
343
-28.90372
4
-3.25422
344
-21.97225
5
-4.05465
345
-21.97225
6
-5.87787
346
-17.91759
7
-6.93147
347
-17.91759
8
-8.1093
348
-15.04077
9
-9.44462
349
-12.80934
10
-10.98612
350
-10.98612
11
-15.04077
351
-8.1093
12
-15.04077
352
-6.93147
13
-17.91759
353
-5.87787
14
-21.97225
354
-4.05465
15
-21.97225
355
-2.51314
16
-28.90372
356
-2.51314
17
-28.90372
357
-1.82322
358
-1.17783
359
-0.57158
(3).圆锥喇叭
E面:
角度
归一化功率
角度
归一化功率
0
-0.44452
315
-35.40959
1
-0.14599
316
-35.40959
2
0
317
-31.35494
3
-0.14599
318
-31.35494
4
-0.44452
319
-28.47812
5
-1.06972
320
-26.24669
6
-1.56569
321
-26.24669
7
-2.45122
322
-26.24669
8
-3.22083
323
-26.24669
9
-4.72906
324
-26.24669
10
-5.9652
325
-26.24669
11
-7.68371
326
-26.24669
12
-9.3827
327
-26.24669
13
-11.43064
328
-26.24669
14
-14.00893
329
-26.24669
15
-15.95049
330
-26.24669
16
-19.31521
331
-26.24669
17
-21.54665
332
-26.24669
18
-24.42347
333
-26.24669
19
-26.24669
334
-24.42347
20
-28.47812
335
-22.88196
21
-31.35494
336
-21.54665
22
-31.35494
337
-20.36882
23
-35.40959
338
-20.36882
24
-35.40959
339
-20.36882
340
-20.36882
341
-19.31521
342
-16.69157
343
-15.26056
344
-13.43735
345
-12.89668
346
-12.38374
347
-10.15231
348
-9.7601
349
-9.7601
350
-9.7601
351
-9.3827
352
-8.00119
353
-6.23189
354
-5.70545
355
-5.20534
356
-3.22083
357
-2.26773
358
-1.39762
359
-0.75223
H面:
角度
归一化功率
角度
归一化功率
0
0
340
-28.90372
1
0
341
-28.90372
2
-1.17783
342
-28.90372
3
-1.82322
343
-28.90372
4
-3.25422
344
-21.97225
5
-4.05465
345
-21.97225
6
-5.87787
346
-17.91759
7
-6.93147
347
-17.91759
8
-8.1093
348
-15.04077
9
-9.44462
349
-12.80934
10
-10.98612
350
-10.98612
11
-15.04077
351
-8.1093
12
-15.04077
352
-6.93147
13
-17.91759
353
-5.87787
14
-21.97225
354
-4.05465
15
-21.97225
355
-2.51314
16
-28.90372
356
-2.51314
17
-28.90372
357
-1.82322
358
-1.17783
359
-0.57158
(4).角锥喇叭
E面:
角度
归一化功率
角度
归一化功率
0
-1.37201
336
-36.63562
1
-1.97826
337
-29.70414
2
-3.31357
338
-25.64949
3
-4.05465
339
-22.77267
4
-4.85508
340
-18.71802
5
-6.67829
341
-15.8412
6
-7.7319
342
-14.66337
7
-8.90973
343
-13.60977
8
-11.78655
344
-11.78655
9
-12.65666
345
-9.55511
10
-14.66337
346
-7.7319
11
-15.8412
347
-6.67829
12
-18.71802
348
-4.85508
13
-20.54124
349
-4.05465
14
-22.77267
350
-3.31357
15
-25.64949
351
-1.97826
16
-29.70414
352
-1.37201
17
-36.63562
353
-0.80043
354
-0.25975
355
-0.25975
356
0
357
-0.25975
358
-0.52644
359
-0.80043
H面:
0
0
342
-36.37586
1
0
343
-36.37586
2
0
344
-29.44439
3
0
345
-25.38974
4
-0.54067
346
-22.51292
5
-0.82238
347
-22.51292
6
-1.7185
348
-18.45827
7
-2.36389
349
-15.58145
8
-3.7949
350
-13.35001
9
-5.02092
351
-11.5268
10
-6.41854
352
-8.64997
11
-8.04373
353
-7.47214
12
-9.98529
354
-5.93064
13
-13.35001
355
-4.59532
14
-15.58145
356
-2.36389
15
-20.28148
357
-1.7185
16
-22.51292
358
-1.11226
17
-29.44439
359
-0.26668
18
-29.44439
19
-36.37586
20
-36.37586
21
-36.37586
六、实验结果
因为所画的极坐标为功率归一化后结果所画的图,所以只需求出两个和最大值相差3dB的点之间的夹角即为
(1).E面喇叭
E平面
H平面
(2).H面喇叭
E平面
H平面
(3).圆锥喇叭
E平面
H平面
(4).角锥喇叭
E平面
H平面
E面喇叭的E面半功率点波瓣宽度小于H面;H面喇叭E面波瓣宽度大于H面;单从这次实验数据中圆锥喇叭E面大于H面,而角锥喇叭E面H面波瓣宽度相等。
E面喇叭方向图中E平面能量集中在最大辐射方向上,而H面在较大角度内的能量变化不大(半功率点波瓣宽度更宽);而H面喇叭情况恰好相反。
圆锥喇叭和角锥喇叭的方向图中E面和H面情况大致相同。
七、实验总结
通过本次实验对四种不同喇叭天线的功率测量,并且通过实验数据来观测方向图,使我对天线的原理有了更深刻的理解。
在实验中通过读取与接收天线相连的电流表的示数(此处电流表示数等价于功率值,是功率值相对大小的一种表征)来确定每个相位角的辐射能力的大小。
由E面喇叭和H面喇叭两种天线可以看出E面和H面的辐射场分别与天线开口口径有线性关系,因此可以通过调整天线口径大小从而调整天线的辐射方向图的主瓣的宽度,适应不同的需求。
在实验中也学会了如何利用excel处理大批量数据,也熟悉了OriginPro软件的使用,方便快捷的得到所需要的方向图。
实验中把E面喇叭的E面与H面弄反了,经过老师提醒改正了过来。
做实验时得到数据后,自己还缺少分析数据与理论值这一过程导致出错。
另由于实验中,实验设备以及实验环境的影响导致实验结果与理论间确实存在一定的差距。
通过对实验原理的学习和测量的结果的分析,可以知道天线的方向性图与天线喇叭口径的尺寸和形状有关系。
实验二、演示实验
1.通过观看“微波暗室测试天线”视频教学内容你了解了几个问题?
将这些问题概括出来并作简要回答。
(1).微波暗室构成:
a.屏蔽室:
由屏蔽壳体、屏蔽门、通风波导窗及各类电源滤波器等组成,其中门的造价最高。
吸波材料:
锥形含碳海绵吸波材料,锥形含碳海绵吸波材料是由聚氨脂泡沫塑料在碳胶溶液中渗透而成。
具有较好的阻燃特性。
其它:
主要有信号传输板、转台、天线、监控系统等。
(2).功能:
提供人为空旷的“自由空间”条件,用吸波材料来制造一个封闭空间,这样就可在暗室内制造出一个纯净的电磁环境。
在暗室内做天线、雷达等无线通讯产品和电子产品测试可以免受杂波干扰,提高被测设备的测试精度和效率。
(3).工作原理:
根据电磁波在介质中从低磁导向高磁导方向传播的规律,利用高磁导率吸波材料引导电磁波,通过共振,大量吸收电磁波的辐射能量,再通过耦合把电磁波的能量转变成热能。
2.通过观看“矢量网络分析仪的使用”视频教学内容你了解了几个问题?
将这些问题概括出来并作简要回答。
(1).什么是矢量网络分析仪?
矢量网络分析仪器是一种电磁波能量的测试设备。
矢量网络分析仪的原理与使用力直接决于系统的动态范围指标。
相位波动参数的测试是利用矢量网络分析仪的电子延迟功能来实现的。
(2).为何矢量网络分析仪这么贵?
矢量网络分析仪除信号捕获分析外还提供了一个操作系统,上面安装了一些软件。
矢量网络分析仪功能很多,被称为“仪器之王”,是射频微波领域的万用表,对使用者的专业技术要求还是比较高的;矢网主要是根据频率来划分的,频率越高,价格自然就越高。
但我觉得可以把很多功能放到外接PC机上,比如处理分析这类,完全可以依靠外界操作系统及其它软件来处理。
(3).工作原理:
矢量网络分析仪本身自带了一个信号发生器,可以对一个频段进行频率扫描。
如果是单端口测量的话,将激励信号加在端口上,通过测量反射回来信号的幅度和相位,以判断出阻抗或者反射情况。
而对于双端口测量,则还可以测量传输参数。
由于受分布参数等影响明显,所以网络分析仪使用之前必须进行校准。
3.我们使用的矢量网络分析仪可以测试二端口网络的S参数,试采用矢量网络分析仪设计一个天线方向图测试系统,并说明测试方法。
(1).测试系统:
(2).测试方法:
在室外远距离测试时,通常采用分体式矢量网络分析仪的方案进行测试,如图2所示。
其原理为:
在进行传输参数测试时,主控计算机通过总线接口控制转台和分体式矢网协调工作,根据天线在不同转动角度时测得的传输参数最终计算出天线的方向性特性参数,外部锁相,收发分置的方式来进行测试。
发射端的合成信号源输出的微波信号经微波放大器送至发射天线发射出去,测试天线和参考天线所接收信号分别送到测试混频组件和参考混频组建与本振信号进行混频,产生中频信号,参考中频信号通过电缆回送到天线测试装置中的中频放大电路进行放大后,送到AV3630型四通道幅相接收机。
测试中频信号通过使用一对双工器经测试混频组件的本振馈送电缆回送到天线测试装置中的中频放大电路进行放大,然后才送到AV3630型四通道幅相接收机中。
4.试采用矢量网络分析仪和标准增益天线及其他辅助天线设计一个天线增益测试系统,并说明测试方法。
用比较法来测量天线增益,用一个增益已知的天线作标准天线,通过与标准天线的比较来测量天线的增益。
然后再通过矢量网络分析仪来对增益测量进行误差分析,通常情况下,大多数的矢量网络分析仪通过S11比值测量来进行时域变换测量。
S11反射测量不是简单的
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- 哈工大 天线 实验 报告