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天线近代物理实验
近代物理实验实验报告成绩：
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实验B3天线的方向图测量
【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】
一．天线的原理
图B3-1传输线演变为天线
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。
任何高频电路，只要不被完全屏蔽，都可以向周围空间或多或少地辐射电磁波，或从周围空间或多或少地接收电磁波。
但是任意一个高频电路并不一定能用作天线，因为它的辐射或接收效率可能很低。
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B1-1给出由高频开路平行双导线传输线演变为天线的过程。
开始时，平行双导线传输线之间的电场呈现驻波分布，如图B3-1a。
在两根互相平行的导线上，电流方向相反，线间距离又远远小于波长，它们所激发的电磁场在两线外部的大部分空间由于相位相反而互相抵消。
如果将两线末端逐渐张开，如图B3-1b所示，那么在某些方向上，两导线产生的电磁场就不能抵消，辐射将会逐渐增强。
当两线完全张开时，如图B3-1c所示，张开的两臂上电流方向相同，它们在周围空间激发的电磁场只在一定方向由于相位关系而互相抵消，在大部分方向则互相叠加，使辐射显著增强。
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B3-2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。
在发射端，发射机产生的已调制的高频震荡电流经馈电设备传输到发射天线，发射天线将高频电流转变成无线电波——自由电磁波向周围空间辐射；在接受端，无线电波通过接收天线转变成高频电流经馈电设备传送到接收机。
从上述过程可以看出，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B3-2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，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。
三．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（或对所有方向具有同等的接受能力），而是只向某个特定的区域辐射（或只接受来自特定区域的无线电波），在其它方向不辐射或辐射很弱（接受能力很弱或不能接收），也就是说，要求天线具有方向性。
如果天线没有方向性，对发射天线来说，它说辐射的功率中只有很少一部分到达所需要的方向，大部分功率浪费在不需要的方向上；对接收天线来说，在接受到所需要的信号同时，还接收到来自其它方向的干扰和噪声，甚至使信号完全淹没在干扰和噪声中。
因此，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。
即使最简单的天线也有方向性，完全没有方向性的天线实际上不存在。
为了表示天线的方向特性，人们规定了几种方向性电参数，其中一个就是辐射方向图。
天线方向图是指与天线等距离处，天线辐射参量在空间中的相对分布随方向变化的图形。
所谓辐射参量包括辐射的功率通量密度、场强、相位和极化等。
实际应用中，我们最关心的是天线辐射能量的空间分布，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（B3-1），其中
为某方向的功率通量密度，
为最大功率通量密度。
绘制方向图可以采用极坐标，也可以采用直角坐标。
极坐标方向图形象、直观，但对于方向性强的天线难于精确表示；直角坐标方向图虽然没有极坐标方向图形象、直观，但更容易从中计算描述天线方向性的诸多参数。
图B3-3极坐标下天线方向图一般形状
（B3-1）
通过天线方向图可以方便的得到表征天线性能的电参数。
用来描述天线方向图的参数通常有主方向角、主瓣宽度、半功率角、副瓣宽度、副瓣电平等。
图B3-3是极坐标下天线方向图的一般形状。
方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣，副瓣中最大的为第一副瓣。
下面我们列举出可由天线方向图得到的天线参数：
（1）主方向角。
指主瓣最大值对应的角度；
（2）主瓣宽度。
也称零功率点波瓣宽度（BeamWidthbetweenFirstNulls,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；
（3）半功率角。
也称半功率点波瓣宽度（HalfPowerBeamWidth,HPBW）,指主瓣最大值两边功率密度等于最大值的0.5倍的两辐射方向之间的夹角，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
；
（4）副瓣宽度。
指第一副瓣两边两个零辐射方向之间的夹角；
（5）副瓣电平（SideLobeLever,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（B3-2），其中：
和
分别为最大副瓣核主瓣的功率密度最大值。
（B3-2）
天线方向图的测量方法主要有固定天线法和旋转天线法两种。
对于一些室外的大型天线通常采用固定天线法。
由于待测天线结构庞大，转动不便，所以测试工作必须在使用现场进行。
测量时，将待测天线固定，辅助测量的天线在地面或空中（靠飞行器、气球等运载工具携带）绕待测天线做圆周运动，并记录下在不同角度时待测天线接收到的相对场强大小，最后得到该平面内的方向图特性。
由于这种测量方法测试平台不易构建，操作难度又相对较大，并且受到测试现场环境影响较大，很难得到较为精确地测量数据，所以很少采用。
旋转天线法相对灵活简单，是方向图测量经常采用的一种方法。
测量时，辅助天线作为信号源固定不动，待测天线作为接收天线，装在转台上，通过在一定平面内旋转测得不同角度时的场强大小，即可得到水平方向图和垂直方向图。
【实验器材】
本实验的实验装置为AT3200天线实训系统。
本系统包括可以提供500MHz、2GHz、10GHz的RF信号源和天线方向控制器，以及可以在计算机上仿真天线复制图和特性的仿真软件。
因为本天线实训系统使用信号的频率较高，所以它能够在较窄的空间（如100m）实验天线的传播特性。
而且系统的移动和保管也比较方便。
图B3-4为本实验装置的一个示意图：
图B3-4AT3200天线实训系统设备示意图
本实验装置主要包含以下几个主要部件：
1．主控器
图B3-5是主控器面板示意图，分为接收器面板和发射器面板两个部分。
下面我们给出了面板上主要部件的名称：
（1）电源开关（主开关）；
（2）信号强度显示屏（-50dB—-10dB）；
（3）旋转角度显示屏（0°～360°）；
（4）500MHz、2GHz、10GHz振荡器开关和LED指示灯；
（5）调制器（调制器开关）；
（6）500MHz细调开关（480MHZ～650MHZ）；
（7）2GHz细调开关（1.85GHZ～2.35GHZ）；
（8）10GHz振荡器输出端；
（9）2GHz振荡器输出端；
（10）500MHz振荡器输出端；
（11）步进开关（1°/5°/10°）；
（12）原点开关；
（13）反向旋转开关；
（14）正向旋转开关；
（15）1kHz信号输入端。
图B3-5主控器
2．发射器
图B3-6是发射器示意图，发射器主要用来装备发射天线，并且由主控器控制来给出不同频率的发射信号。
它主要包括以下几部分：
图B3-6发射器
3．接收器
图B3-7是接收器示意图，接收器主要用来装备接收天线，并且将接收到的信号经主控器传输到计算机中。
它主要包括以下几部分：
图B3-7接收器
4．天线的种类
在本实验设备中，天线主要有500MHz、2GHz和10GHz三类，共16种。
表B3-1给出了各种天线的中英文名称和数量。
在本实验中，每一组同学任意选取一种天线进行研究，其余天线可以作为扩展实验，供有兴趣的同学研究。
表B3-1天线类型
使用频率
天线类型
数量
500MHz
DipoleAnt.偶极子天线
1
FoldedDipoleAnt.折合偶极子天线
1
YagiAnt.八木天线
2
MonopoleAnt单极子天线
1
DroopingAnt.下垂天线
1
CircularLoop圆环天线
1
SquareLoop方形环天线
1
DiamondLoop菱形环天线
1
2GHz
DipoleAnt.偶极子天线
2
SpiralAnt.螺旋天线
1
MonopoleAnt.单极子天线
1
10GHz
HelicalAnt.螺旋线天线
1
HornAnt.喇叭型天线
2
RectangularPatchAnt.矩形贴片天线
1
MicroStripPlanarArrayAnt.（Rectangular）
微带平面天线阵
1
MicroStripPlanarArrayAnt.（Circular）
微带平面圆形天线阵
1
AT3200天线实训系统通过旋转天线法测量天线的辐射方向图，其中发射天线主要有八目天线，喇叭型天线2种，可被测量的接收天线有以上16种。
实验过程中，应首先连接好主控器、发射/接收天线位置固定器和电脑等主要设备，然后选择合适的发射、接收天线进行测量。
一般来说发射、接收天线应工作在各自的额定使用频率下，并且尽量保证两者频率一致。
实验中，应调整控制杆的高度，使发射、接收天线中心相对并且使其中轴都经过底座的中心，两天线之间的距离调整为约1.5m。
该天线实训系统主要记录的是接收天线的接收辐射方向图，也就是以接收天线为中心的某个面上的接收功率的大小，该接收功率被转换成了分贝（dB）表示，并且可在主控器的“信号强度显示屏”上读出。
接收天线的旋转由其底座内的步进电机控制（切不可手动旋转），通过主控器上的“步进开关”可以控制接收天线旋转的步长，通过“正反向旋转开关”可以控制旋转方向，已旋转的角度在“角度显示屏”上读出，“原点开关”可将旋转角度归零。
连接好各个装置后就可进行方向图的测量，将接收天线旋转一圈（360度），根据选定的步长，每旋转一次记录下旋转角度和信号强度就可以得到各个角度的天线辐射强度，将这些数据画在直角坐标系中，并且用平滑的曲线将其连接起来就得到天线的方向图。
另外，AT3200天线实训系统还提供了计算机软件可以自动测量和分析天线方向图，相关软件在计算机桌面的“天线实验”文件夹内，主要包括两个程序，一个是“方向图获取程序”；一个是“方向图分析程序”。
通过这两个程序可以比较容易的得到极坐标下的天线辐射方向图，学生应自行尝试，学会使用这些程序。
【预习问题】
1．什么是天线？
答：
在无线电技术设备中，用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。
2．AT3200天线实训系统有那几部分组成，分别都有什么作用？
答：
AT3200天线实训系统有主控器、发射器、接收器、计算机组成。
主控器分为接收器面板和发射器面板两个部分，用以控制发射器并将接收器接收的信号传输到计算机中。
发射器主要用来装备发射天线，并且由主控器控制来给出不同频率的发射信号。
接收器主要用来装备接收天线，并且将接收到的信号经主控器传输到计算机中。
计算机主要用来收集由主控器传输来的信号并将其进行处理。
3．与AT3200天线实训系统配套的软件有几个，分别有什么作用？
答：
与AT3200天线实训系统配套的软件有两个，一个是将接收到的数据分析以获取方向图的软件，另一个是分析方向图的软件。
【基础性实验内容】
1．任意选取一种接收天线进行研究，并根据接收天线选取合适的发射天线以及额定工作频率，记录下发射、接收天线的名称及频率大小。
2．使发射、接收天线同时与地面平行，调节主控器上的旋转控制开关使接收天线旋转一圈，每隔一定角度测量一次，记录下信号强度和旋转角度，将数据在直角坐标系中画出并用平滑曲线连接，得到直角坐标系下的E-Plane天线方向图。
3．保持发射、接收天线与地面平行，利用计算机中的“方向图获取程序”自动获得极坐标下的E-Plane天线方向图，将其保存，然后利用“方向图分析程序”打开方向图并对其分析。
4．分别利用两种坐标下的E-Plane天线方向图计算出天线的主方向角、主瓣宽度、半功率角、副瓣宽度、副瓣电平，并且做出分析比较。
5．将发射、接收天线同时调整为与地面垂直，重复2-4步，得到直角坐标和极坐标下H-Plane下的天线方向图，并对其进行分析比较，最终建立起一个三维立体的天线方向图像。
【实验数据处理】
1.选取喇叭型天线作为发射、接收天线
发射天线名称：
HornAnt.喇叭型天线
使用频率：
10GHz
接收天线名称：
HornAnt.喇叭型天线
使用频率：
10GHz
实验所测数据
表一喇叭型天线分贝接收数据表
表二有干扰时分贝接收数据表
角度
水平分贝
/dB
垂直分贝
/dB
角度
水平分贝
/dB
垂直分贝
/dB
0
-4.20
0
0
-7.25
0
1
-4.15
0
1
-7.25
0
2
-4.2
0
2
-7.25
0
3
-4.05
0
3
-7.25
0
4
-4.05
0
4
-7.25
0
5
-4.05
0
5
-7.25
0
6
-4.05
0
6
-7.25
0
7
-4.05
0
7
-7.3
0
8
-4.05
0
8
-7.4
0
9
-4.05
0
9
-7.95
0
10
-4.2
0
10
-8
0
11
-4.2
0
11
-8.65
0
12
-4.65
0
12
-9.2
0
13
-5.65
0
13
-9.65
0
14
-5.65
0
14
-10.35
0
15
-7.25
0
15
-10.8
0
16
-7.25
0
16
-12.05
0
17
-8
0
17
-12.65
0
18
-7.85
0
18
-13.65
0
19
-9.45
0
19
-14
0
20
-9.45
0
20
-15.85
0
21
-10.05
0
21
-16.2
0
22
-12.05
0
22
-17
0
23
-12.05
0
23
-17.45
0
24
-13.8
0
24
-18.05
0
25
-13.95
0
25
-19.65
0
26
-16.05
0
26
-17.5
0
27
-15.7
0
27
-17.2
0
28
-17
0
28
-18.05
0
29
-16.9
0
29
-18.25
0
30
-18.05
0
30
-18.45
0
31
-17.3
0
31
-18.45
0
32
-17.3
0
32
-18.05
0
33
-18.1
0
33
-17.6
0
34
-17.6
0
34
-17.45
0
35
-16.5
0
35
-17.2
0
36
-16.85
0
36
-17
0
37
-16.45
0
37
-17.45
0
38
-16.85
0
38
-17.6
0
39
-16.05
0
39
-17.2
0
40
-15.6
0
40
-17.6
0
41
-15.55
0
41
-17
0
42
-16.45
0
42
-18.05
0
43
-16.85
0
43
-17.7
0
44
-15.8
0
44
-18.05
0
45
-15.4
0
45
-17.6
0
46
-15.85
0
46
-16.85
0
47
-16.05
0
47
-17.6
0
48
-16.1
0
48
-18.5
0
49
-16.45
0
49
-18.1
0
50
-16.85
0
50
-18.45
0
51
-17.2
0
51
-19.65
0
52
-17
0
52
-19.95
0
53
-17.15
0
53
-20
0
54
-16.9
0
54
-19.4
0
55
-17.6
0
55
-20
0
56
-18.05
0
56
-19.65
0
57
-18.05
0
57
-19.65
0
58
-18.1
0
58
-19.4
0
59
-18.45
0
59
-19.4
0
60
-19.25
0
60
-19.25
0
61
-19.25
0
61
-19.25
0
62
-19.65
0
62
-20
0
63
-18.9
0
63
-18.45
0
64
-18.8
0
64
-18.5
0
65
-18.8
0
65
-18.8
0
66
-19.05
0
66
-19.85
0
67
-20
0
67
-18.75
0
68
-19.05
0
68
-19.65
0
69
-19.25
0
69
-20
0
70
-19.25
0
70
-19.3
0
71
-20
0
71
-18.5
0
72
-20
0
72
-19.05
0
73
-20
0
73
-18.8
0
74
-19.25
0
74
-18.8
0
75
-19.65
0
75
-20
0
76
-18.45
0
76
-19.7
0
77
-18.5
0
77
-18.8
0
78
-18.45
0
78
-19.25
0
79
-18.05
0
79
-20
0
80
-19.4
0
80
-19.25
0
81
-19.65
0
81
-19.7
0
82
-19.25
0
82
-20
0
83
-18.75
0
83
-20
0
84
-18.75
0
84
-19.3
0
85
-18.8
0
85
-20
0
86
-18.75
0
86
-19.85
0
87
-19.25
0
87
-19.85
0
88
-19.05
0
88
-19.65
0
89
-18.05
0
89
-19.7
0
90
-18.1
0
90
-17.45
0
91
-20
0
91
-19.4
0
92
-20
0
92
-18.6
0
93
-19.25
0
93
-19.4
0
94
-19.65
0
94
-19.4
0
95
-19.7
0
95
-20
0
96
-16.45
0
96
-18.8
0
97
-17.45
0
97
-19.85
0
98
-19.85
0
98
-19.65
0
99
-19.95
0
99
-20
0
100
-19.25
0
100
-19.9
0
101
-19.15
0
101
-19.25
0
102
-18.75
0
102
-19.65
0
103
-17.3
0
103
-19.25
0
104
-17.6
0
104
-19.65
0
105
-19.95
0
105
-19.65
0
106
-20
0
106
-19.65
0
107
-19.3
0
107
-19.05
0
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