文档介绍：近代物理实验实验报告成绩:
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天线的方向图与极化特性测量
【实验目的】
1、了解天线的基本工作原理。
2、绘制并理解天线方向图。
3、根据方向图研究天线的辐射特性。
【实验原理】
1、天线的原理
天线的作用首先在于辐射和接收无线电波,但是能辐射或接收电磁波的东西不一定都能用来作为天线。要能够有效地辐射或者接收电磁波,天线在结构和形式上必须满足一定的要求。图1给出由高频开路平行双导线传输线演变为天线的过程。
这样的结构被称为开放式结构。由末端开路的平行双导线传输线张开而成的天线,就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,然而发射机通过馈线送入天线的并不是无线电波,接收天线也不能把无线电波直接经馈线送入接收机,其中必须进行能量的转换。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。天线除了能有效地辐射或者接收无线电波外,还能完成高频电流到同频率无线电波的转换,或者完成无线电波到同频率的高频电流的转换。所以,天线还是一个能量转换器。
研究天线问题,实质上是研究天线所产生的空间电磁场分布,以及由空间电磁场分布所决定的天线特性。我们知道电磁场满足麦克斯韦(Maxwell)方程组。因此,求解天线问题实质上是求解满足一定边界条件的电
磁场方程,它的理论基础是电磁场理论。图1传输线演变为天线
发射机
馈线
发射天线
接收机
馈线
接收天线
传播电磁波
发射机
馈线
发射天线
接收机
馈线
接收天线
传播电磁波
图
图2 无线电通信系统中的信号通道简单方框图
2、天线的分类
天线的形式很多,为了便于研究,可以根据不同情况进行分类。
按用途分类,有发射天线,接收天线和收发公用天线。
按使用范围分类,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。
按使用波段分类,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。
从便于分析和研究天线的性能出发,可以将大部分天线按其结构形式分为两大类:一类是由半径远小于波长的金属导线构成的线状天线——称为线天线,另一类是用尺寸大于波长的金属或介质面构成的面状天线——称为面天线。线天线主要用于长、中、短波波段,面天线主要用于微波波段,超短波波段则两者兼用。线天线和面天线的基本辐射原理是相同的,但分析方法则有所不同。
3、天线的辐射方向图
研究天线主要是得到天线的相关特性,天线特性一般由电路特性和辐射特性两个方面表征。电路特性包括天线的输入阻抗、效率、频率宽度和匹配程度等;辐射特性包括方向图、增益、极化、相位等,为了达到最佳的通信效果,要求天线必须具备一定的方向性,较高的转换效率,以及满足系统工作的频带宽度。
根据无线电技术设备的任务不同,常常要求天线不是向所有方向均匀地辐射,而是只向某个特定的区域辐射,在其它方向不辐射或辐射很弱,也就是说,要求天线具有方向性。一副好的天线,在有效地辐射或接收无线电波的同时,还应该具有为完成某种任务而要求的方向特性。天线所辐射的无线电波能量在空间方向上的分布,通常是不均匀的,这就是天线的方向性。在没有特别指明的情况下,辐射方向图一般均指功率通量密度的空间分布。方向图还可以用分贝(dB)表示,功率方向图用分贝表示后就称为分贝方向图,它表示某方向的功率通量密度相对于最大值下降的分贝数。天线某方向的分贝数的计算方法见公式(1):
其中为某方向的功率通量密度,为最大功率通量密度。
通过天线方向图可以方便的得到表征天线性能的电参数,下面我们列举出可由天线方向图得到的天线参数:
主方向角。指主瓣最大值对应的角度;
主瓣宽度。也称零功率点波瓣宽度(Beam Width between First Nulls, BWFN),指主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角,即。主瓣宽度越窄,方向性越好,作用距离越远,抗干扰能力越强;
半功率角。也称半功率点波瓣宽度(Half Power Beam Width, HPBW),,又叫3分贝波束宽度(将功率密度转化成分贝数后,会发现功率密度变成最大功率密度1/2的地方对应的分贝数比最大功率处小3dB(-3dB=10*lg<1/2>dB),即;
副瓣宽度。指第一副瓣两边两个零辐射方向之间的夹角;
副瓣电平(Side Lobe Lever, SLL)。指副瓣最大值与主瓣最大值之比,一般也以分贝表示,见公式(2),
其中:和分别为最大