八木天线天线方向图的测试

天线方向图是描述天线辐射特性的重要参数，不同用途的无线电设备往往要求天线具有不同的方向特性，也就是说天线方向图的形状往往决定了无线电设备的技术性能，因此准确地测量天线方向图是研制和生产天线过程中不可缺少的工作。

振子天线是一种结构简单、使用方便的线状天线，它几乎在全部无线电波段中，特别是在长、中、短波及超短波波段有广泛的应用。振子天线既可用作单独的天线，也可和金属反射器等配合组成复合天线（如作为抛物面天线的馈源），还可用来组成天线阵，例如米波和分米波雷达天线，以及近代发展的相控阵天线，因此掌握天线方向图的测试及了解影响振子天线方向性的因素是极其重要的。实验目的为研究对称子天线的电长度与方向图的关系。

实验内容：

①分别测量对称振子天线电长度为2l/λ=0.5（半波振子）、2l/λ=1（全波振子）、2l/λ=2时的E面方向图。

②利用所测半波振子的方向图数据描绘晶体校准曲线（即对实验使用的检波晶体进行定标）。

1）实验原理和方法

任一线极化天线在远区空间所辐射的电场一般可表示为：

φ是与辐射功率和工作波长等有关的比例因子；

f（θ，φ）称为天线场强方向性函数，f2（θ，φ）为天线的功率方向性函数，它表示远区同一距离上辐射场强（或功率密度）与空间角度的关系；

φ称为天线相位方向性函数，它表示远区同一距离上辐射场的相位与空间角度的关系。

为了形象地表示天线的这种方向特性，通常将天线的方向性函数绘制成图形称为天线的辐射方向图（简称方向图），它表征天线辐射特性（场强、相位等）与空间角度的关系。完整的天线方向性图是一个三维空间的立体图形，是以天线相位中心为球坐标原点，在半径R足够大（远区）的球面上，逐点测定场强、相位等辐射特性绘制而成，显然这是十分困难的。通常都是分别测量出场强（功率）方向图和相位方向图等，在工程上使用最广泛的是场强（功率）方向图，它们也是一个空间立体图。测绘三维空间方向图是十分麻烦的，在实际工作中一般只需测量E面（和电场平行的平面）和H面（和电场平行的平面）两个正交面的方向图就足以描述天线的辐射场强特性。

平面方向图既可以绘制在极坐标上也可以绘制在直角坐标上，前者比较直观、简单，可以直接形象地看出天线的辐射场或功率密度的空间分布状况；但当主瓣窄而付瓣电平又低时，后者比前者更方便而且精确。在绘制方向图时，往往把最大辐射方向的场强或功率密度取为1，这样的方向图称为归一化方向图。对于极低付瓣电平天线的方向图又大多采用分贝值表示，归一化最大值取为零分贝。

方向图的测量，通常有现场测量和测试场（包括微波暗室）测量两种方法。对于某些结构庞大、笨重而又不便搬动和运转的天线（如广播、电视天线，干线通讯天线，地面站天线等）或者某些天线方向图受放置天线场地的影响很大而实际工作又必须包含这些影响因素在内的天线（如机载、车载和舰载天线等）通常测试工作需在天线使用场地进行，其方法一般是待测天线固定不动，而让辅助天线绕待测天线在需要的平面内做圆周（或圆弧）运动以测取该平面的方向图。这种测量方法代价高、精度差而且十分麻烦，除特殊情况外一般采用测试场测量法。

测试场测量法不仅适用于超短波及微波波段的实际天线，也可对其他波段的缩尺模型天线进行测试，只要测试场地满足天线的测试条件，这种方法不仅简单方便，而且能保证测试精度。有关测试场地（包括微波暗室）的构成和性能有较详细的介绍。测试场测量天线方向图时辅助天线通常是固定不动的，待测天线绕自身通过相位中心的轴旋转；一般辅助天线作发射，待测天线作接收（当然也可以作发射，要视情况而定），待测天线装在一特制的有角度指示的转台上。测试水平面方向图时可让待测天线在水平面内旋转，记下不同方位角和相应的场强响应，然后在适当坐标纸上绘出方向图；若测垂直面方向图，可将待测天线绕水平轴转90°后（收、发天线的极化方向要一致），仍可按水平面方向图测试方法测得垂直面方向图。

2）最小测试距离的确定

要找一个能保证有足够精度的最小测试距离rmax，它由待测天线照射幅度条件和相位条件确定。由相位条件确定的，由于收发天线之间距离有限，入射到待测天线口面的相位并不相同。

入射场相位不均匀使天线方向图零点消失，付瓣电平增高，增益降低，由振幅条件确定的最小测试距离rmax，r=2D2/λ当辅助天线和待测天线都是强方向性天线时要考虑。(www.xing528.com)

3）振幅方向图的测量实验设备和步骤

（1）天线互易测量

互易原理对天线参数测量是很重要的，它说明待测天线在发射和接收状态下测得的参数是一样的，可以根据仪表场地条件来选择待测天线方便的工作状态。

注意以下几点：

①若把待测天线和辅助天线工作状态互换，并保持接收信号不变，要求信号源检波器必须与馈线保持匹配。

②天线中包含晶体管匹配网络、电子管、铁氧体等有源或非线性元件时，只能在指定工作状态测量。

③天线上的电流或电场分布并不互易。

（2）旋转天线法

如图10-16所示待测天线作发射天线时测量装置方框图，待测天线和辅助天线互换可得待测天线用作接收时的测量方框图。接收天线为带有检波器的八木天线，收发天线均安装在可以在360°内旋转的带有角度指示的圆盘上，圆盘有安装在高低可调的三脚支架上，具体实验步骤如下：

①按照图10-17连接实验线路，将微波信号源工作频率调到900 MHz上，发射天线的电缆接到最大输出，开机前高频控制旋钮放到合适功率。

②让接收天线旋转一周，接收可用频谱分析仪来观察在最大接收方向的指示值。

图10-16　旋转天线法测量天线方框图

图10-17　旋转天线法测量天线原理图

③对准收发天线的电轴，即找出接收的最大方向。测量天线的方向图时，将收发天线的最大辐射方向对准，同时缓慢地改变收发天线的方位角，使指示值最大，则电轴已对好。由于对称振子方向图比较宽，可以根据天线的方向图的对称性。采用交叉读数法来确定最大辐射方向，即在最大辐射方向两侧取相同指示值。以θ0为0°，然后每隔5°或10°记录相应的指示值，依次将天线旋转360°即可测出方向图数据，并按表10-3列出：

表10-3　测量数据

方向图的表示法：空间方向图是三维方向图，为了得到二维方向图，用经过主最大方向的两个互相垂直的平面去切割三维方向图，一般取E面H面相对功率方向图，确定BW、旁瓣电平、功率方向图分辨率高，专门测试低边瓣电平和前后辐射比。相对场强方向图，给出较大的边瓣电平分贝方向图：分贝代表非常大的相对功率刻度的压缩，在一张曲线上，研究低付瓣、旁瓣、零值深度分贝方向图是必须的。