天线增益的测量方法

增益的测量方法包括：

（1）方向图积分法；

（2）两相同天线法；

（3）三天线法；

（4）标准增益天线对比法；

（5）近场标准增益天线对比法；

（6）其他增益测量方法：如波束宽度法、射电源法等。

如果可以得到天线效率，直接与方向性系数相乘即可以得到增益，这种方法称为方向图积分法，通过方向图积分得到方向性系数再求增益。但多数情况下天线效率不容易得到，而且计算方向性系数需要进行三维方向图测量（对于圆周对称天线可只测量一个切面方向图），所以这种方法在工程中并不常用。

两相同天线法是利用两个相同的待测天线作为收发天线对准放置，在其距离满足远场条件的情况下，在一定角度范围内旋转扫描，取其中信号最大值为功率传输值（由矢量网络分析仪等仪器测得），波长、测试距离已知，从而可求出待测天线的增益。其缺点是只能认为2个天线的特性是完全一致的，在无法得到两个相同待测天线的情况下可利用三个位置天线分别相对一定距离测试，则可以根据弗利斯传播公式两两对应建立三个方程，就可以求出三个天线增益。其特点为：3个天线的增益可以各不相同。

近场测量时不满足远场条件，需要将标准天线及待测天线的数据变换至远场后进行对比，值得注意的是，近场增益对比测量时不必要求标准天线和待测天线的测量距离、位置、扫描步长相同，但是不能仅仅测试小部分扫描面内的近场数据，需要尽量覆盖待测以及标准天线的主要能量区域（边缘电平小于最大值的30 dB以上），这样变换后的主瓣最大值才有对比意义。

波束宽度法，测得两主平面波束宽度，然后根据经验公式计算增益，一般用于抛物面天线；射电源法，利用太阳等恒星作为信号源，通过对准射电源及对准冷空气两次测量，利用传播公式计算天线增益，通常用来测量大型天线。

1）增益测量比较法

天线增益的测量分为相对增益和绝对增益的测量，它们都以式（10-6）基础：

式中：Pr——接收功率；

P0——输入功率；

Gt——发射天线的增益；

Gr——接射天线的增益；

R——收发天线之间的最小测试距离。

比较法是将待测天线与已知天线增益进行比较来确定待测天线的增益（图10-20）。

图10-20　比较法测量天线的增益

如上所述，在定义天线增益时是以点源天线作为比较的标准的，实际测量时通常用有一定方向性的天线作为标准天线来进行比较。

图10-21所示出了用比较法测量天线增益的测试系统方框图，其中图中的待测天线和标准天线作为发射天线。

如果与传输线匹配的待测天线和标准天线作为发射天线，比较法测量增益的实质是通过比较被测天线相对于标准天线的增益来测量待测天线的增益。

图10-21　比较法测量天线增益方框图

（1）把待测天线接入信号源，最大方向对准，调可变衰减器，使接收指示器有一个较大的指示值，记下精密可变衰减器分贝值Ax；

（2）确定最小测试距离和架设高度；

（3）进行电道估算选择测量仪器；

（4）收发天线应架设在同一高度上，并将转台调到水平；

（5）检查周围的反射电平及必须具备的测量条件；

（6）转台转轴尽可能通过待测天线相位中心；

（7）接上标准增益天线，最大方向对准，调整精密可变衰减器的值，使接收指示同刚才一样，记下衰减器的分贝值。

接待测天线，调衰减器使指示为某一个值，记下待测天线输入功率，假定阻抗匹配、极化匹配、最大方向对准、距离相同。

在满足远区条件下，只测量待测天线的接收功率Pxr，然后接入标准天线测量接收功率Psr，则待测天线的增益Gx为标准天线增益；Gx=PAsGs/PAx。如果用精密可变衰减器测量功率，则(www.xing528.com)

2）双天线法（两天线相同）

假设两天线极化和阻抗均匹配，只要测出输入功率PA和接收功率PR，以及最小测试距离和波长λ，就能求得待测天线的增益。图10-22为两天线法测增益方框图。

图10-22　两天线法测增益方框图

由此可见，用两个相同增益的天线，只要测得收发天线之间的距离、工作波长及接收天线的接收功率与天线的输入功率之比即可确定天线的增益。

3）三天线法（图10-23）

三个天线的增益分别为GA、GB、GC：

图10-23　三天线法测增益方框图

求出距离即可求出增益G。

4）椭圆极化天线增益的测量

椭圆极化天线的增益G，可用下式表示：

式中，Gma、Gmb分别是长轴、短轴对应线极化的部分增益；γ=Em1/Em2为轴比；圆极化部分增益GdBic的表示式为：

常把称为修正因子。

在实际测量时，一般采用线极化天线测量椭圆极化长轴或短轴上的增益和轴比，由此可得出椭圆极化天线的增益；若要测量椭圆极化天线某旋向圆极化的部分增益GdBic，可只测量长轴的增益和椭圆极化的轴比，再利用式（10-14）计算。

5）有源天线的增益测量

当天线系统中含有功率放大器和灵敏接收机时，天线增益测量更加困难。因为这些非互易器件，只能在特定的发射或接收状态下测量，在分配网络中包含功放的发射天线阵列。

6）增益测量的误差

增益测量的误差主要来源于阻抗失配误差、极化失配误差、近距离效应误差、仪器测量误差以及其他误差。

（1）阻抗失配误差

在采用比较法测量天线增益时，由于被测天线与接收机之间、标准增益天线与接收机之间的阻抗失配会使接收功率电平减小，将引起测量误差。测出被测天线与标准天线及接收机的反射系数Γx，Γs，Γr，则可对实测增益引入修正项，用绝对增益测量方法，根据插入损耗法，计及阻抗失配因子后收发天线增益乘积的表达式：

Mxr、Msr失配因子为：

式中：Γg——信号源的反射系数；

Pxr——信号源接发射天线，在最小测试距离处，待测天线接收到的功率。

若能使收发天线均与馈线匹配，即Γs=Γx=0，则M=1/|1-ΓgΓr|2，可见绝对增益测量与信号源及接收机的失配有关。

（2）极化失配误差

如果收发天线的极化不匹配，就必须用极化效率Γ对传输公式进行修正。