第三章-方向图测量

第三章方向图测量第一节引言天线的方向图是表征天线辐射特性(场强振幅、相位、极化)与空间角度关系的图形。完整的方向图是一个三维的空间图形，如图3.1所示。它是以天线相位中心为球心（坐标原点），在半径r足够大的球面上，逐点测定其辐射特性绘制而成。测量场强振幅，就得到场强方向图；测量功率，就得到功率方向图；测量极化，就得到极化方向图；测量相位，就得到相位方向图。若不另加说明，本书说述方向图均指场强振幅方向图。三维空间方向图的测绘十分麻烦，实际工作中，一般只需测得水平面和垂直面（即XY平面和XZ平面）的方向图就行了。图3.1测量方向图的坐标天线方向图可以用极坐标绘制，也可以用直角坐标绘制。极坐标方向图的特点是直观、简单，从方向图可以直接看出天线辐射场强的空间分布特性。但当天线方向图的主瓣窄而副瓣电平低时，直角坐标绘制法显示出更大的优点。因为表示角度的横坐标和表示辐射强度的纵坐标均可任意选取，例如即使不到的主瓣宽度也能清晰地表示出来，而极坐标却无法绘制。图3.2所示为同一天线方向图的两种坐标表示法。o1图3.2方向图的表示法(a)极坐标(b)直角坐标一般绘制方向图时都是经过归一化的，即径向长度(极坐标)或纵坐标值(直角坐标)是以相对场强max),(ΕΕϕθ表示。这里，),(ϕθΕ是任一方向的场强值，maxΕ是昀大辐射方向的场强值。因此，归一化昀大值是1。对于极低副瓣电平天线的方向图，大多采用分贝值表示，归一化昀大值取为零分贝。图3.3所示为直角坐标中用归一化场强和分贝值表示的同一天线方向图。图3.3归一化方向图另外，还有一种用等值线绘制方向图的方法，它象地图上的经线和纬线一样，将直角坐标或极坐标建立成平面网，在它上面绘制场强相等的闭合曲线，其数值用昀大场强的百分数或分贝数表示。这种方向图表示法的优点是可以在简单的纸平面上看出空间的方向特性，如图3.4所示。等值线方向的主瓣象一个高山，而副瓣则象一个个小的山头。第二节昀小测试距离第一章已经指出，天线辐射特性的测试必须在远场区内进行，才能保证足够的测试精度。因此，辅助天线和待测天线之间应保持的昀小距离为多少才恰当，便是本节讨论的主要内容。一般来说，昀小测试距离与收、发天线的方向特性及我们对测试精度的要求等因素有关。下面分几种情况讨论。一、收、发天线一付为弱方向性，一付为强方向性天线如图3.5所示，电尺寸较小的弱方向性源天线S所辐射的电磁波可视为球面波，经距离r到达孔径昀大尺寸为D的待测接收天线时，到达中心O点与边缘A点射线之行程差为rΔ，由几何关系，有图3.5昀小测试距离的确定422)(2222222DrrrrrDrrr+=Δ+Δ+⎟⎠⎞⎜⎝⎛+=Δ+考虑到故,,rDrrΔΔ2rΔ可以忽略，于是得rDrΔ≈82（3﹒1）由式（3﹒1）可知，时，则0→Δr∞→r，这意味着要达到平面波照射待测天线孔径，所要求的测试距离为无穷大，这显然不现实，也无必要。因此，人们往往根据测试精度的要求，规定一个允许的行程差rΔ。例如，令16λ=Δr，这表明待测接收天线孔径中心O点与边缘A点之间的允许相位差为8)16)(2(πλλπϕ==Δ=Δrk。这里，k是相位常数。于是，由式（3﹒1）得到昀小测试距离为λ2min2Dr≥（3﹒2）若允许行程差32λ=Δr，（即16πφ=Δ），则由式（3﹒1）得λ2min4Dr≥（3﹒3）实践表明，一般选取16λ=Δr时，所测得的天线方向图已有足够精度，这是因为一方面它满足了远场条件，另方面照射接收天线孔径的场强已比较均刀。表3﹒1列出了不同rΔ要求情况下，接收天线孔径面功率的变化情况。表3.1允许行程差rΔ昀小距离minr接收天线功率比OAPP8λλ2D0.9416λλ22D0.99AP是接收天线孔径边缘（A点）的功率OP是接收天线孔径中心（O点）的功率二、收、发天线均刀强方向性天线辅助源天线和待测接收天线均为强方向性天线时，除待测天线孔径上要满足平面相位波前条件外，场强振幅分布的均刀性也显得重要。如图3.6所示，辅助源天线的D′DDD′图3.6收、发天线为强方向性时，昀小测试距离的确定波瓣宽度假设为5.02θ，而其相位中心对待测天线孔径所张的角为β，其近似为rD≈β（3﹒4）通常，角度β远小于辅助源天线D′的波瓣宽度5.02θ，即5.02θβ（3﹒5）如果令昀大允许的β值为5.021θβN=（3﹒6）则由式（3﹒4）得昀小允许测试距离5.0min2θNDr=（3﹒7）而对强方向天线而言，有D′≈λθ5.02（3﹒8）将式（3﹒8）代入式（3﹒7）得λDNDr′≥min（3﹒9）表3.2给出了不同N值所相对应的昀小测试距离和待测电线孔径接收功率的昀大变化关系。表3.2βθ5.02=N昀小测试距离minr接收天线功率比OAPP2λDD′20.92.5λDD′5.20.946λDD′60.99三、收、发天线均刀弱方向性天线这种情况下，只要在天线的远区辐射场中进行测试就已满足均刀平面波前照射待测天线孔径的要求了。由于小电流元天线的辐射场正比于rπλ2，而感应场正比于2)2(rπλ，因此，由λ=r时，感应场已比辐射场低16分贝，其影响已可忽略。故昀小测试距离可视天线孔径昀大线尺寸D的大小用下式计算当2λD时λ≥minr（3﹒10）当λλD2时（3﹒11）Dr2min≥如果λD时，则应使用式（3﹒2）进行计算昀小测试距离。如果要求感应场与辐射场之比比-16分贝还应低，即要求感应场对辐射场的影响更小些时，可将昀小测试距离选得更大些。表3.3给出了选取不同昀小测试距离时，感应场与辐射场比值的变化。表3.3昀小测试距离minr感应场/辐射场(dB)λ-16λ2-22λ3-25λ5-30λ10-36四、低副瓣天线对测试距离的要求若在普通测试距离上进行低副瓣天线测量时，其第一、二副瓣将会有较大的误差，增益也会有所变化。对中等旁瓣电平（-25dB）天线而言，在λ22D距离上测试的方向图误差是可忽略的，增益误差也在0.1dB以内。不同测试距离上测试的天线方向图所引起的副瓣升高量不同，这种升高导致第一副瓣变成了主瓣的“肩膀”。例如，若要求第一副瓣的测试误差，则对于-40dB天线而言，要求的测试距离为dB1≤λ26D；而对于-60dB的天线而言，则要求的测试距离为λ212D。因此，对不同副瓣电平的天线及对副瓣电平测试误差的要求，所需的测试距离也不同。第三节场强测量如前所述，天线方向图是指天线辐射特性（场强振幅、相位、极化）与空间角度关系的图形。因此，测取天线的方向图就是在半径大于昀小测试距离的球面上不同角度位置处测取场强振幅值（场强方向图）、相位值（相位方向图）、极化特性（极化方向图）。故在讨论天线方向图的具体测试方法之前，必须了解场强的测试方法。天线在自由空间辐射的电场和磁场振幅之间有如下关系Hπ120=Ε（3﹒12）只要测得其中的一个量（电场或磁场），另一个量（磁场或电场）就可以从式（3.12）计算得到。因此，我们通常所说的场强测量均指电场的测量。场强振幅测量的常用方法有标准天线法和标准场法两类。标准天线法是由标准天线的尺寸、型式及测得的电压来计算场强振幅值。标准场法是由待测场强字天线中感应的电压与标准场强在天线中感应的电压相比较而求得场强振幅值。其标准场由发射天线的尺寸、电流分布、待测天线的距离、地面影响等计算得到。测试设备事先经过校准后，两类方法均可用于测取绝对场强值。在空间任一点，场的相位随时间按正弦规律变化；但空间各点之间场的相对相位关系却是固定的，不随时间而改变。因此，可以用比较的方法测取各点之间的相对相位差，或者令某一点的相位为零，相对该点测取空间各不同点的相位值。极化的测量将在第五章中专门讲述，本节不作介绍。一、场强振幅的测量1．标准天线法⑴原理标准天线法是用感应电压易于计算的一些天线型式作标准天线，待测场强E与其在标准天线中所感应的电压U之间有如下关系elU=Ε)(mV(3﹒13)式中，是天线的有效长度。el)(m若已知标准天线的有效长度，并测得在标准天线中感应的电压U，就可以由式(3.13)计算得到待测场强值elE。实际上，测试电压表所指示的电压V往往并非直接就是感应电压U，而是根据标准天线与测试仪表的耦合方式不同而差一个称为电压转换比的因子A，即AVU=（3﹒14）式中，U是待测场在标准天线感应的电压，V是电压表测取的电压，A是电压转换比。电压转换比A可以用可变的标准电压源（通常是场强测试仪和组成部份之一）对U和进行比较测量来确定。V⑵天线型式常用的标准天线型式有环天线、垂直或水平极化半波天线、垂直极化单极天线、喇叭天线等，如图3.10所示。在它们的输出端接入高频电压表，用以测取电压值V。环天线一般用于30MHz以下的频率上，半波天线及单极天线多在高于30MHz的频率上使用，喇叭天线则用于微波波段。如果需要采用更复杂型式的天线或天线阵作标准天线时，可将它与上述标准天线相比较，事先进行校准就行了。⑶校准方法测量相对场强时，上述标准天线及其指示设备可以直接使用。但若需要测量场强绝对振幅值时，必须对天线事先进行校准。下面介绍环天线和半波偶极天线的校准方法。①环天线的校准直接代替法：屏蔽非平衡环天线的一种校准方法如图3.11所示。这种方法是将待测场在环天线中感应的射频电压直接与从标准信号发生得到的已知射频电压相比较来校准，故称为直接代替法。具体步骤如下：o1调整环天线的方向及调谐电容C，使接收的载频有昀大输出；o2调整接收机的衰减器,使输出电压表上有适当的读数V(一般以刻度的80%左右为宜)；o3将环天线转动，使输出指示昀小(即仅有微弱的残余待测场)；o90o4打开标准信号发生器并调整它，使得与残余待测场零拍；o5调整信号发生器输出的标准电压,使输出电压表仍保持先前的读数V。于是，标准信号发生器输出的电压就等于等效的感应电压。环天线的场强值为eLlU=Ε（3﹒15）式中，U是标准信号发生器输出在R两端的电压，是环天线的有效长度。eLl环天线的有效长度可由下式确定λπSNleL2≈（3﹒16）或者（3﹒17）fSNleL810096.2−×≈式中，S是环面积，它小于，N是匝数。201.0λ这种方法一般要求信号发生器的输出阻抗低，以便有环天线相串后，不显著降低Q值。有时，标准信号发生器输出的校准电压电平较高或是固定的值，为了便于与感应电压直接比较，可以在接收机混频起与第一中放级之间插入校准衰减器来进行调整。由于调谐环天线上的感应电压具有分布特性，而校准电压是在环的中心或某一端馈入的集中电压，因此，必然存在测量误差。此误差是由环天线分布电容所产生，它是待测场频率与环天线自然谐振频率之比的函数。若校准电压在环的中心馈入时，误差修正因子可以用下式近似计算227.01⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+≈offF(3﹒18)式中，是待测场频率，是环天线的自然谐振频率，F是误差修正因子。fofQ值法:Q值法是直接代替法的一种变态。它是使加到接收机(或真空管电压表)的校准电压与待测场在环天线输出端测得的电压相等效的条件下，再测量环天线的Q值，进而求得环天线中所感应的电压，据此电压和环天线的有效长度来计算场强。Q值测量法是用一个低容量精密可变电容器与调谐电容器并联，环天线调谐时，此精密可变电容器放于中间位置，然后左右调节它，使横跨电容器两端的电压降到谐振值的0.707倍，记下精密可变电容器的相应读数和，得到差值1C2C21CCC−=Δ，环天线的Q值可以用下式近似计算CCQΔ=2（3﹒19）式中，C是谐振时的总调谐电容。因此，如果测得天线调谐电容器两端的总电压为U，则场强为ClCUQlUeLeL2Δ==Ε（3﹒20）②半波偶极天线的校准校准环天线的直接代替法也使用于半波偶极天线。图3.12是校准半波偶极天线的直接代替法示意图。首先接入半波偶极天线，调整接收机的可变衰减器，使输出电压表有适当读数V，然后。用标准信号发生器取代半波偶极天线，调整校准电压输出使电压表仍保持原先的读数。当然，标准信号发生器的阻抗应等于半波偶极天线的阻抗，以便保持与接收机有相同的匹配特性。于是，信号发生器的输出电压就