实验6天线的辐射特性测量 - 副本

实验报告
课程名称：电磁场与微波实验指导老师：_____成绩：__________________
实验名称：波导传输线与负载特性测量实验类型：验证型同组学生姓名：
一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）
三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤
五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）
七、讨论、心得
一、实验目的
1、揭示喇叭天线的辐射特性
2、覆盖的基本概念：
●天线辐射方向图
●波束宽度
●天线的极化特性
●电磁波在空间传播中与距离的关系
二、实验原理和内容
描述天线的参量很多，择其主要有：天线方向性、辐射方向图、波束宽度、旁瓣电平、工作频率与响应、频率等等。

除此之外，天线发射（或接收）的电磁波都具有极化特性，所谓极化是指电磁波电磁矢量的方向，所以接收机接收到的信号大小跟收、发天线的安装方向有关（以下简称发射天线的极化方向或接收天线的极化方向）。

如果发射天线所发射电磁波的极化方向与接收天线的极化方向一致，接收信号最大，若两者正交，接收机则接收不到信号。

实验用3公分波段（8-12GHz）喇叭天线揭示天线方向性、波束宽度、波的极化特性。

实验装置包括三部分：分别是信号发射端、接收端和天线移动架。

发射端由固态振荡器、微波衰减器、小喇叭天线连接组成，并装在一个云台上。

发射端喇叭天线可以绕矩形波导轴向旋转，由此可以改变发射电磁波的极化方向，其极化角度可从指示刻度盘读出；发射功率的大小可用微波衰减器来调节。

云台可在垂直面和水平面上转动，用于测量发射天线的方向性特性；发射端还装有一个可移动的金属栅栏；天线移动架可以使发射端沿着移动架轨道平移，从而改变收、发喇叭天线之间的距离，其测量值可以从移动架上的刻度读取。

接收端将喇叭天线与微波晶体检波器连接在一起固定不动。

用到的方程为：
P r=P t G t G rλ2/（4πR）2（W）
其中R为收、发天线间距离
最佳角锥喇叭天线增益：
G=0.51*4πA P/λ2（AP为喇叭口的面积）
喇叭天线半功率波束宽度：
H面：2θ0.5≈1.18*λ/D H（rad）
E面：2θ0.5≈0.89*λ/D E（rad）
远区场条件：R>>2D H D E/λ
三、主要仪器设备
固态振荡器、微波衰减器、小喇叭天线、天线移动架、选频放大器、金属栅网。

四、操作方法和实验步骤
1．电磁波在空间传播中与距离的关系测量：
工作频率：9.375GHz
拧松天线移动架的锁紧螺栓，调节两天线之间距离为1.0m，然后拧紧锁紧螺栓使发射端位置固定。

（注意：实验中两喇叭口之间的距离近似作为两天线之间的距离。

）
接收端的波导检波器输出通过馈线接到选频放大器。

（1）将发射天线极化方向调整到与接收天线的极化方向为一致，即同为垂直极化方式
（2）开启固态振荡源与选频放大器，调节波导检波器调配螺钉或短路活塞位置使选频放大器上指示的检波输出最大，选频放大器的分贝旋钮选择为40dB或50dB档位，调节发射端的微波衰减器使选频放大器输出满量程，即归一化为0dB。

（3）依次改变两天线间距离，记录所测出的数据。

2.天线极化测量：
（1）调整收、发天线的极化方向为一致，此时记极化刻度盘上的角度值为相对值o
0；
（2）依次拧松云台的水平与垂直锁紧螺栓，调节天线的水平与垂直指向，找到选频放大器指示的最大位置后锁紧螺栓，然后调节发射端的微波衰减器使选频放大器输出满量程，即相对归一化数值为0dB ；
（3）依次绕矩形波导轴向旋转发射喇叭天线，从o
0到o 90，每隔o
10记录选频放大器指示的读数。

3.极化栅网特性测量：
极化栅网是在一块铜板上开了很多槽缝，如果金属条的宽度与缝的宽度都比波长小得多， 则投射到开槽铜板上电磁波，对于电场具有平行于缝槽方向的电磁波将被全反射，而具有垂直于缝槽方向的电磁波将能顺利通过。

所以将极化栅网放到发射天线前面，则接收天线所接收到的信号大小随着极化栅网旋转角度的改变而改变。

（1）调整发射喇叭天线的极化方向与接收天线一致后锁紧螺栓，即极化角度值为o
0位置。

（2）将极化栅网移至发射机喇叭天线前面，旋转极化栅网使选频放大器的读数最大，然后调节发射端的微波衰减器使选频放大器输出满量程，即相对归一化数值为0dB ，并记栅网上的角度为相对o
0；
（3）依次将极化栅网转过o
90和o
45，分别记录选频放大器读数。

4.喇叭天线辐射方向图测量
（1）调整收、发天线间距离为1.2米，移开极化栅网，调整两天线极化角度一致，选频放大器的分贝旋钮选择为40dB 或50dB 档位；
（2）拧松云台中水平旋转锁紧旋钮，在水平方向上旋转发射喇叭天线，找到选频放大器读数最大点位置后锁紧旋钮。

用同样的方法在垂直面上找到选频放大器读数最大点位置，然后调节发射端的微波衰减器使选频放大器输出满量程，即相对归一化数值为0dB ，此时分别记水平面和垂直面上刻度盘的读数为相对o
0。

记选频放大器读数为天线方向性特性的最大点，即相对归一化数值为0dB ；
（3）拧松云台水平旋转锁紧旋钮，在水平方向上旋转发射喇叭天线，从-o
90到o
90，每隔o
10记录选频
放大器指示的读数，并测出-3dB 功率时的波束宽度。

然后将天线旋至水平位置，锁紧水平旋钮； （4）用上述方法测量垂直面上的方向图，记录读数； （5）测量水平面上-3dB 功率时的波速宽度以及背景噪声。

实验名称：波导传输线与负载特性测量姓名：______________学号：
五、数据记录和处理
5.1 电磁波在空间传播中与距离的关系测量
表一天线距离与接受功率关系
5.2 极化测量
表三极化栅网极化特性
P.5
实验名称：波导传输线与负载特性测量姓名：_____________学号：
5.3 喇叭天线辐射方向图测量
表四天线水平方向图测量数据
表五天线垂直方向图测量数据
六、 实验结果与分析
6.1根据实验中测得的数据作出电磁波传播与距离的关系曲线如下图所示
6.2 从图中可以看出电磁波传播和距离的关系是1/R 2，但是由于本实验中所取得的点比较少，只有5个点，所以这种逼近的情况在图中并不是十分明显。

距离R(m) 实验测量值(mV)
1/R
1/R 2 1/R 3 相对归一化功率
1.0
100 1.00 1.00 1.00 1.00 1.1
80 0.91 0.83 0.75 0.80 1.2
62 0.83 0.69 0.58 0.62 1.3
50 0.77 0.59 0.46 0.50 1.4
39 0.71 0.51 0.36
0.39
以距离为横坐标，相对归一化功率值为纵坐标。

观察得电磁波与距离的关系曲线接近
21
R。

理论上 2
2
)
4(R G G P P r t t r πλ=故应该与21R 接近，实验测试值与理论结果吻合较好。

6.3 发射喇叭天线极化曲线
6.4(1)根据数据作出发射喇叭天线极化曲线，横坐标为cosθ和cosθ2 纵坐标为相对归一化功率，列表如下：
发射喇叭角度相对归一化功率cosθcosθ2
0° 1.00 1 1
10°0.98 0.98 0.97
20°0.90 0.94 0.88
30°0.78 0.87 0.75
40°0.60 0.77 0.59
50°0.42 0.64 0.41
60°0.28 0.5 0.25
70°0.16 0.34 0.17
80°0.07 0.17 0.03
90°0.020 0
从图中以及表中都可以看到横坐标是cos 2θ的图形基本上是线性的，即接收喇叭天线接收的功率与发射喇叭天线极化角度的关系符合cos 2θ的关系。

(2)发射的信号经过极化器分解成与极化器平行、垂直的两路等幅信号，再经过接收喇叭，总信号的一半被接收到。

6.5 远区场的判断
远区场条件： R>>2D H D E /λ 由于发射喇叭2D H D E /λ=20cm
实验中发射喇叭与接收喇叭之间的距离为1.2m>>20cm ，所以符合远区场的条件。

6.6 增益、半功率波束宽度的计算 （1）发射喇叭 最佳增益：99.182
.3)
2.8*7.3(*451
.0451
.02
2
===πλπP
A G
喇叭天线半功率波束宽度： H 面：)(46.02
.82
.318
.118
.125
.0rad D H
==≈λ
θ E 面：)(77.07
.32
.389
.089
.025
.0rad D E
==≈λ
θ
（2）接收喇叭 最佳增益：66.922
.3)
1.14*5.10(*451
.0451
.02
2
===πλπP
A G
喇叭天线半功率波束宽度： H 面：)(27.01
.142
.318
.118
.125
.0rad D H
==≈λ
θ E 面：)(27.05
.102
.389
.089
.025
.0rad D E
==≈λ
θ
从结果可以看到口径越大，增益越大，半波功率波束宽度越小。

6.7 实验中用极坐标绘制发射喇叭天线在水平方向和垂直方向上的方向图。

如下图所示，其中相对归一化功率是以dB 为单位。

6.8对于接收喇叭，半功率波束宽度的计算值为0.27rad=16度，而实测值为159-140=19度，实测值偏大。

6.9在±90°的方向测得的结果并非为零，原因是背景噪声的干扰和发射处的电磁波在四周反射后被接收的结果。

七、心得体会
通过对实验数据的处理，验证了电磁场与电磁波传输的理论，包括随着距离增大，衰减增大，两者关系的平方倒数的关系，线极化的特性以及天线在水平方向和垂直方向的辐射随角度的改变关系。

实验过程人的活动会对测量产生一定的干扰，所以在测量时两人应分工，尽量减少走动给实验造成的误差影响。

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实验名称： 波导传输线与负载特性测量 姓名：_____________学号：
八、思考题
1、如果发射喇叭天线和接收喇叭天线的极化角相差90°，而极化器相对于发射喇叭天线的极化角度为 45°，极化器对系统的影响如何？
发射喇叭天线和接收喇叭天线的极化角相差90°且无极化器，发射天线与接收天线正交，接收喇叭接收到的信号功率为0。

若加上极化器，并使极化器相对于发射喇叭天线的极化角度为45，则原本的正交信号会在和接收喇叭极化方向平行的方向上产生分量，接收喇叭接收到的信号功率不为0。

2、对发射天线计算远区场距离（工作频率9.375GHz ），实验中是否符合远区场条件？
GHz f 375.9= cm cf 2.3==λ 1896.02=>>λ
E H D D R 实验中R=1.2m>>0.1896符合远区场条件。

但实验中并非真空，且受各种电磁波干扰，故测量结果有误差。

3、解释在±90°时辐射方向图测量值。

实验中，在±90°时辐射方向图测量值太小不能读数，而背景噪声为73dB,这是选频放大器不能精确读数的原因，无法说明在+90°时的测量值是否为背景噪声。

P.11。