天線參數(shù)測量簡介

定義

天線參數(shù)測量是指用場強儀、功率計、阻抗圖示儀或網(wǎng)絡(luò)分析儀等儀表與標(biāo)準(zhǔn)天線等專用測試設(shè)備來測定天線的輻射方向性圖、增益、效率、阻抗、駐波比、極化隔離度和工作頻段等電性能參數(shù)的過程。互易原理證明，同一副天線用作發(fā)射和接收時的電性能是完全相同的，具體測試中可根據(jù)儀表、場地等條件來選擇待測天線的工作狀態(tài)。

測試場地

天線在用于通信、雷達、遙控等時都處于遠場狀態(tài)，要正確測量天線的輻射特性，必須具備一個能提供均勻平面電磁波的理想測試場，要求地面平坦開闊，無金屬阻擋物和反射體。為減少入射到待測天線口徑上電磁波相位差所引起的測量誤差，要求待測天線到輔助天線之間的距離必須大于天線最小測試距離Rmin、

其中

高架天線測試場地

高架天線測試場是為消除地面反射波對測試的影響，把收、發(fā)天線架在高度為h的非金屬測試塔上，使輔助天線垂直方向性圖第一個零點指向地面反射點，避免副瓣輻射從地面反射后再投射到待測天線上。要求天線架設(shè)高度h≥λR/2d，式中R為收、發(fā)天線測試距離；d為輔助天線直徑。如果在地面反射區(qū)放置電磁波吸收屏或反射屏也能達到消除反射波影響的目的。

斜天線測試場

將收、發(fā)天線架設(shè)在不同高度，通常把待測天線架在較高測試塔上作接收天線，把輔助天線靠近地面架設(shè)，以一定仰角對準(zhǔn)待測天線，適當(dāng)調(diào)整其高度使輔助天線的零輻射方向?qū)?zhǔn)反射點地面，也能有效地抑制地面反射對測試的影響。

利用地面反射的測試場

當(dāng)發(fā)射天線垂直方向性圖比較寬，很難用上述方法消除地面反射波影響時，可把收、發(fā)天線低架在光滑平坦的地面上，用直射波與地面反射波產(chǎn)生干涉方向性圖，使其第一個瓣的最大值對準(zhǔn)待測天線口面中心，在待測天線口面上近似得到一個等幅同相場。

微波暗室

微波暗室或稱無反射室用尖齒形吸收材料作房間的襯里，能吸收入射到房間六個壁上的大部分電磁能量，較好地模擬自由空間測試條件。這種無反射室不受室外條件影響，是測量天線性能的理想場所。

測量方法

天線參數(shù)的測量方法與天線工作頻率有關(guān)。對頻率低于100MHz的天線，由于地面對天線電性能有明顯影響，且天線尺寸很大，只能在原地測量其輻射特性；對頻率在0.1～1GHz天線，常用地面反射測試場確定天線增益；對飛行器上天線，由于飛行器往往也是天線輻射體的一部分，一般用模型天線測量方向性圖；對頻率在1GHz以上的天線，常用自由空間測試場測量天線參數(shù)。下面按參數(shù)分類說明測量方法。

輻射方向性圖測量

方向性圖是天線的輔射電磁場在空遠場固定距離上隨空間角坐標(biāo)（Θ，φ）分布的圖形。測量方法通常有固定天線法和旋轉(zhuǎn)天線法兩種。

（1）固定天線法待測天線固定不動，如作發(fā)射用，帶輔助天線的場強儀在離待測天線距離大于Rmin處相互對準(zhǔn)，并圍繞待測天線沿圓周移動，測出不同方位角上各點的場強值；如待測天線作接收用，只需以帶輔助天線的高穩(wěn)定信號源代替場強儀即可以接在待測天線上的場強儀測定不同方位角上各點的場強值，由此繪出方向性圖。該方法常用于測繪大型固定地面天線方向性圖。

（2）旋轉(zhuǎn)天線法待測天線圍繞天線本身中心軸旋轉(zhuǎn)，而輔助天線固定不動，同樣待測天線可作發(fā)射用，也可作接收用，測量過程與固定天線法相同。該方法廣泛用于天線模型自動測試。

增益測量

測量方法分為相對增益測量和絕對增益測最常用的比較法就是把待測天線增益與已知增益的標(biāo)準(zhǔn)天線進行比較測試?？上群蟀汛郎y天線和標(biāo)準(zhǔn)天線接到信號源上，并分別與輔助天線最大輻射方向?qū)?zhǔn)，調(diào)可變衰減器使接收指示器有一適當(dāng)指示，只要在兩種狀態(tài)下維持相同指示，用功率計分別測出待測天線和標(biāo)準(zhǔn)天線的輸入功率P×0、Pa0，。已知標(biāo)準(zhǔn)天線增益為Ga，則待測天線增益G×=Ga·Pa0/P×0、，此法屬相對增益測量法。用兩相同天線法、三天線法、反射屏法、輻射計法以及通過測量與增益有關(guān)的其它參數(shù)如絕對輻射場強最大值和輻射方向性圖等，均可求出待測天線增益。這些方法均屬絕對增益測量法。

阻抗測量

測量天線輸入端電壓與電流的比值稱為天線輸入阻抗。天線是饋線的終端負載，相當(dāng)于一個二端網(wǎng)絡(luò)，因此可以采用無線電中各種阻抗測量方法來測量天線輸入阻抗，常用的有①電橋法利用電橋平衡條件測量天線輸入阻抗。根據(jù)工作頻段不同，電橋可以分為集中參數(shù)電橋（長波至米波）、同軸電橋（米波至分米波）、波導(dǎo)電橋（厘米波至毫米波）和寬頻帶（2～18GHz）微波電橋。其優(yōu)點是測量精度高，方法比較簡單。②測量線法測量線是由調(diào)諧探頭、檢波器、指示器、移動裝置和一段傳輸線組成。按照傳輸線的類型不同，測量線可分為雙線、同軸、平板和波導(dǎo)四種，利用測量線可以測量傳輸線的電場分布、波長和駐波比，根據(jù)這些參數(shù)通過阻抗圓圖能確定待測天線的輸入阻抗。③掃頻法采用掃頻信號源作測試源，利用定向耦合器器把傳輸線上的入射波和反射波分別取出，并經(jīng)檢波和放大得入射波電壓Vi和反射波電壓Vr。由于反射系數(shù)是反射波電壓與入射波電壓之比，由此可連續(xù)顯示天線的阻抗頻率特性。如阻抗圖示儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀和自動網(wǎng)絡(luò)分析儀等均能快速自動給出直觀的測試結(jié)果。

效率測量

天線效率是輻射功率與輸入功率或輻射電阻與輸入電阻之比。用方向性圖積分法能確定天線的輻射功率，再用功率計測出天線輸入功率，效率即可確定。

標(biāo)準(zhǔn)增益天線

標(biāo)準(zhǔn)增益天線是指具有固定增益值的天線，在天線增益測量中作為定值標(biāo)準(zhǔn)。它的精度直接影響增益測量精度。在VHF、UHF頻段用半波偶極子天線作為標(biāo)準(zhǔn)天線，其增益與無方向性天線比較為2.15dB。在UHF頻段也用帶反射面的二元半波長偶極子天線陣作標(biāo)準(zhǔn)天線，其增益與半波偶極天線比較為7.7dB。在微波波段（0.35～90GHz），用角錐喇叭天線作標(biāo)準(zhǔn)天線，對不同頻率已設(shè)計出一套標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線，其增益在14～25dB之間。

影響天線性能的臨界參數(shù)有很多，通常在天線設(shè)計過程中可以進行調(diào)整，如諧振頻率、阻抗、增益、孔徑或輻射方向圖、極化、效率和帶寬等。另外，發(fā)射天線還有最大額定功率，而接收天線則有噪聲抑制參數(shù)。

天線14.1 諧振頻率

“諧振頻率”和“電諧振”與天線的電長度相關(guān)。電長度通常是電線物理長度除以自由空間中波傳輸速度與電線中速度之比。天線的電長度通常由波長來表示。天線一般在某一頻率調(diào)諧，并在此諧振頻率為中心的一段頻帶上有效。但其它天線參數(shù)（尤其是輻射方向圖和阻抗）隨頻率而變，所以天線的諧振頻率可能僅與這些更重要參數(shù)的中心頻率相近。

天線可以在與目標(biāo)波長成分?jǐn)?shù)關(guān)系的長度所對應(yīng)的頻率下諧振。一些天線設(shè)計有多個諧振頻率，另一些則在很寬的頻帶上相對有效。最常見的寬帶天線是對數(shù)周期天線，但它的增益相對于窄帶天線則要小很多。

天線14.2 增益

“增益”指天線最強輻射方向的天線輻射方向圖強度與參考天線的強度之比取對數(shù)。如果參考天線是全向天線，增益的單位為dBi。比如，偶極子天線的增益為2.14dBi 。偶極子天線也常用作參考天線（這是由于完美全向參考天線無法制造），這種情況下天線的增益以dBd為單位。

天線增益是無源現(xiàn)象，天線并不增加激勵，而是僅僅重新分配而使在某方向上比全向天線輻射更多的能量。如果天線在一些方向上增益為正，由于天線的能量守恒，它在其他方向上的增益則為負。因此，天線所能達到的增益要在天線的覆蓋范圍和它的增益之間達到平衡。比如，航天器上碟形天線的增益很大，但覆蓋范圍卻很窄，所以它必須精確地指向地球；而廣播發(fā)射天線由于需要向各個方向輻射，它的增益就很小。

碟形天線的增益與孔徑（反射區(qū)）、天線反射面表面精度，以及發(fā)射/接收的頻率成正比。通常來講，孔徑越大增益越大，頻率越高增益也越大，但在較高頻率下表面精度的誤差會導(dǎo)致增益的極大降低。

“孔徑”和“輻射方向圖”與增益緊密相關(guān)?？讖绞侵冈谧罡咴鲆娣较蛏系摹安ㄊ苯孛嫘螤睿嵌S的（有時孔徑表示為近似于該截面的圓的半徑或該波束圓錐所呈的角）。輻射方向圖則是表示增益的三維圖，但通常只考慮輻射方向圖的水平和垂直二維截面。高增益天線輻射方向圖常伴有“副瓣”。副瓣是指增益中除主瓣（增益最高“波束”）外的波束。副瓣在如雷達等系統(tǒng)需要判定信號方向的時候，會影響天線質(zhì)量，由于功率分配副瓣還會使主瓣增益降低。

增益是指：在輸入功率相等的條件下，實際天線與理想的輻射單元在空間同一點處所產(chǎn)生的信號的功率密度之比。它定量地描述一個天線把輸入功率集中輻射的程度。增益顯然與天線方向圖有密切的關(guān)系，方向圖主瓣越窄，副瓣越小，增益越高?？梢赃@樣來理解增益的物理含義------為在一定的距離上的某點處產(chǎn)生一定大小的信號，如果用理想的無方向性點源作為發(fā)射天線，需要100W的輸入功率，而用增益為 G = 13 dB = 20 的某定向天線作為發(fā)射天線時，輸入功率只需 100 / 20 = 5W 。換言之，某天線的增益，就其最大輻射方向上的輻射效果來說，與無方向性的理想點源相比，把輸入功率放大的倍數(shù)。

半波對稱振子的增益為G=2.15dBi。

4個半波對稱振子沿垂線上下排列，構(gòu)成一個垂直四元陣，其增益約為G=8.15dBi ( dBi這個單位表示比較對象是各向均勻輻射的理想點源)。

如果以半波對稱振子作比較對象，其增益的單位是dBd。

半波對稱振子的增益為G=0dBd（因為是自己跟自己比，比值為1，取對數(shù)得零值。）垂直四元陣，其增益約為G=8.15–2.15=6dBd。

增益特性：

⑴天線是無源器件，不能產(chǎn)生能量，天線增益只是將能量有效集中向某特定的方向輻射或接收電磁波能力。

⑵天線增益由振子疊加而產(chǎn)生，增益越高，天線長度越長。

⑶天線增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄。

天線14.3 帶寬

天線的帶寬是指它有效工作的頻率范圍，通常以其諧振頻率為中心。天線帶寬可以通過以下多種技術(shù)增大，如使用較粗的金屬線，使用金屬“網(wǎng)籠”來近似更粗的金屬線，尖端變細的天線元件（如饋電喇叭中），以及多天線集成的單一部件，使用特性阻抗來選擇正確的天線。小型天線通常使用方便，但在帶寬、尺寸和效率上有著不可避免的限制。

天線14.4 阻抗

“阻抗”類似于光學(xué)中的折射率。電波穿行于天線系統(tǒng)不同部分（電臺、饋線、天線、自由空間）是會遇到阻抗差異。在每個接口處，取決于阻抗匹配，電波的部分能量會反射回源，在饋線上形成一定的駐波。此時電波最大能量與最小能量比值可以測出，稱之為駐波比（SWR）。駐波比為1:1是理想情況。1.5:1的駐波比在能耗較為關(guān)鍵的低能應(yīng)用上被視為臨界值。而高達6:1的駐波比也可出現(xiàn)在相應(yīng)的設(shè)備中。極小化各處接口的阻抗差（阻抗匹配）將減小駐波比并極大化天線系統(tǒng)各部分之間的能量傳輸。

天線的復(fù)阻抗涉及該天線工作時的電長度。通過調(diào)節(jié)饋線的阻抗，即將饋線當(dāng)作阻抗變換器，天線的阻抗可以和饋線和電臺相匹配。更為常見的是使用天線調(diào)諧器、巴倫、阻抗變換器、包含電容和電感的匹配網(wǎng)絡(luò)，或者如伽馬匹配的匹配段。

天線14.5 輻射方向圖

半波雙極子天線（同上）增益（dBi）輻射方向圖是天線發(fā)射或接受相對場強度的圖形描述。由于天線向三維空間輻射，需要數(shù)個圖形來描述。如果天線輻射相對某軸對稱（如雙極子天線、螺旋天線和某些拋物面天線），則只需一張方向圖。

不同的天線供應(yīng)商/使用者對于方向圖有著不同的標(biāo)準(zhǔn)和制圖格式。

天線14.6 特性阻抗

無限長傳輸線上各處的電壓與電流的比值定義為傳輸線的特性阻抗，用Z0 表示。同軸電纜的特性阻抗的計算公式為

Z。=〔60/√εr〕×Log ( D/d ) [ 歐]。

式中，D 為同軸電纜外導(dǎo)體銅網(wǎng)內(nèi)徑； d 為同軸電纜芯線外徑；

εr為導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)。

通常Z0 = 50 歐 ，也有Z0 = 75 歐的。

由上式不難看出，饋線特性阻抗只與導(dǎo)體直徑D和d以及導(dǎo)體間介質(zhì)的介電常數(shù)εr有關(guān)，而與饋線長短、工作頻率以及饋線終端所接負載阻抗無關(guān)。

天線14.7 衰減系數(shù)

信號在饋線里傳輸，除有導(dǎo)體的電阻性損耗外，還有絕緣材料的介質(zhì)損耗。這兩種損耗隨饋線長度的增加和工作頻率的提高而增加。因此，應(yīng)合理布局盡量縮短饋線長度。

單位長度產(chǎn)生的損耗的大小用衰減系數(shù) β 表示，其單位為 dB / m （分貝/米），電纜技術(shù)說明書上的單位大都用 dB / 100 m（分貝/百米） .

設(shè)輸入到饋線的功率為P1 ，從長度為 L（m ）的饋線輸出的功率為P2 ，傳輸損耗TL可表示為：

TL = 10 ×Lg ( P1 /P2 ) ( dB )

衰減系數(shù)為

β = TL / L ( dB / m )

例如， NOKIA 7 / 8英寸低耗電纜， 900MHz 時衰減系數(shù)為 β= 4.1 dB / 100 m ，也可寫成 β=3 dB / 73 m ， 也就是說， 頻率為 900MHz 的信號功率，每經(jīng)過 73 m 長的這種電纜時，功率要少一半。

而普通的非低耗電纜，例如， SYV-9-50-1， 900MHz 時衰減系數(shù)為 β = 20.1 dB / 100 m ，也可寫成β=3dB / 15 m ，也就是說， 頻率為 900MHz 的信號功率，每經(jīng)過15 m 長的這種電纜時，功率就要少一半。

天線14.8 輸入阻抗

定義：天線輸入端信號電壓與信號電流之比，稱為天線的輸入阻抗。 輸入阻抗具有電阻分量 Rin 和電抗分量 Xin ，即 Zin = Rin j Xin 。電抗分量的存在會減少天線從饋線對信號功率的提取，因此，必須使電抗分量盡可能為零，也就是應(yīng)盡可能使天線的輸入阻抗為純電阻。事實上，即使是設(shè)計、調(diào)試得很好的天線，其輸入阻抗中總還含有一個小的電抗分量值。

輸入阻抗與天線的結(jié)構(gòu)、尺寸以及工作波長有關(guān)，半波對稱振子是最重要的基本天線 ，其輸入阻抗為 Zin = 73.1 j42.5 (歐) 。當(dāng)把其長度縮短（3～5）%時，就可以消除其中的電抗分量，使天線的輸入阻抗為純電阻，此時的輸入阻抗為 Zin = 73.1 (歐) ,（標(biāo)稱 75 歐） 。注意，嚴(yán)格的說，純電阻性的天線輸入阻抗只是對點頻而言的。

順便指出，半波折合振子的輸入阻抗為半波對稱振子的四倍，即 Zin = 280 (歐) ,（標(biāo)稱300歐）。

有趣的是，對于任一天線，人們總可通過天線阻抗調(diào)試，在要求的工作頻率范圍內(nèi)，使輸入阻抗的虛部很小且實部相當(dāng)接近 50 歐，從而使得天線的輸入阻抗為Zin = Rin = 50 歐------這是天線能與饋線處于良好的阻抗匹配所必須的。

天線14.9 工作頻率

無論是發(fā)射天線還是接收天線，它們總是在一定的頻率范圍（頻帶寬度）內(nèi)工作的，天線的頻帶寬度有兩種不同的定義：

一種是指：在駐波比SWR ≤ 1.5 條件下，天線的工作頻帶寬度；

一種是指：天線增益下降 3 分貝范圍內(nèi)的頻帶寬度。

在移動通信系統(tǒng)中，通常是按前一種定義的，具體的說，天線的頻帶寬度就是天線的駐波比SWR 不超過 1.5 時，天線的工作頻率范圍。

一般說來，在工作頻帶寬度內(nèi)的各個頻率點上, 天線性能是有差異的，但這種差異造成的性能下降是可以接受的。

影響天線性能的臨界參數(shù)有很多，通常在天線設(shè)計過程中可以進行調(diào)整，如諧振頻率、阻抗、增益、孔徑或輻射方向圖、極化、效率和帶寬等。另外，發(fā)射天線還有最大額定功率，而接收天線則有噪聲抑制參數(shù)。

垂直天線諧振頻率

“諧振頻率”和“電諧振”與天線的電長度相關(guān)。電長度通常是電線物理長度除以自由空間中波傳輸速度與電線中速度之比。天線的電長度通常由波長來表示。天線一般在某一頻率調(diào)諧，并在此諧振頻率為中心的一段頻帶上有效。但其它天線參數(shù)（尤其是輻射方向圖和阻抗）隨頻率而變，所以天線的諧振頻率可能僅與這些更重要參數(shù)的中心頻率相近。

天線可以在與目標(biāo)波長成分?jǐn)?shù)關(guān)系的長度所對應(yīng)的頻率下諧振。一些天線設(shè)計有多個諧振頻率，另一些則在很寬的頻帶上相對有效。最常見的寬帶天線是對數(shù)周期天線，但它的增益相對于窄帶天線則要小很多。

垂直天線增益

天線設(shè)計中，“增益”指天線最強輻射方向的天線輻射方向圖強度與參考天線的強度之比取對數(shù)。如果參考天線是全向天線，增益的單位為dBi。比如，偶極子天線的增益為2.14dBi。偶極子天線也常用作參考天線（這是由于完美全向參考天線無法制造），這種情況下天線的增益以dBd為單位。

天線增益是無源現(xiàn)象，天線并不增加功率，而是僅僅重新分配而使在某方向上比全向天線輻射更多的能量。如果天線在一些方向上增益為正，由于天線的能量守恒，它在其他方向上的增益則為負。因此，天線所能達到的增益要在天線的覆蓋范圍和它的增益之間達到平衡。比如，航天器上碟形天線的增益很大，但覆蓋范圍卻很窄，所以它必須精確地指向地球；而廣播發(fā)射天線由于需要向各個方向輻射，它的增益就很小。

碟形天線的增益與孔徑（反射區(qū)）、天線反射面表面精度，以及發(fā)射/接收的頻率成正比。通常來講，孔徑越大增益越大，頻率越高增益也越大，但在較高頻率下表面精度的誤差會導(dǎo)致增益的極大降低。

“孔徑”和“輻射方向圖”與增益緊密相關(guān)?？讖绞侵冈谧罡咴鲆娣较蛏系摹安ㄊ苯孛嫘螤睿嵌S的（有時孔徑表示為近似于該截面的圓的半徑或該波束圓錐所呈的角）。輻射方向圖則是表示增益的三維圖，但通常只考慮輻射方向圖的水平和垂直二維截面。高增益天線輻射方向圖常伴有“副瓣”。副瓣是指增益中除主瓣（增益最高“波束”）外的波束。副瓣在如雷達等系統(tǒng)需要判定信號方向的時候，會影響天線質(zhì)量，由于功率分配副瓣還會使主瓣增益降低。

垂直天線帶寬

天線的帶寬是指它有效工作的頻率范圍，通常以其諧振頻率為中心。天線帶寬可以通過以下多種技術(shù)增大，如使用較粗的金屬線，使用金屬“網(wǎng)籠”來近似更粗的金屬線，尖端變細的天線元件（如饋電喇叭中），以及多天線集成的單一部件，使用特性阻抗來選擇正確的天線。小型天線通常使用方便，但在帶寬、尺寸和效率上有著不可避免的限制。

垂直天線阻抗

“阻抗”類似于光學(xué)中的折射率。電波穿行于天線系統(tǒng)不同部分（電臺、饋線、天線、自由空間）是會遇到阻抗差異。在每個接口處，取決于阻抗匹配，電波的部分能量會反射回源，在饋線上形成一定的駐波。此時電波最大能量與最小能量比值可以測出，稱之為駐波比（SWR）。駐波比為1:1是理想情況。1.5:1的駐波比在能耗較為關(guān)鍵的低能應(yīng)用上被視為臨界值。而高達6:1的駐波比也可出現(xiàn)在相應(yīng)的設(shè)備中。極小化各處接口的阻抗差（阻抗匹配）將減小駐波比并極大化天線系統(tǒng)各部分之間的能量傳輸。

天線的復(fù)阻抗涉及該天線工作時的電長度。通過調(diào)節(jié)饋線的阻抗，即將饋線當(dāng)作阻抗變換器，天線的阻抗可以和饋線和電臺相匹配。更為常見的是使用天線調(diào)諧器、巴倫器、阻抗變換器、包含電容和電感的匹配網(wǎng)絡(luò)，或者如伽馬匹配的匹配段。

天線類型：外置全向天線

天線數(shù)量：1根

是否可拆卸：否

天線增益：3dBi