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1、第 10章 天線測試技術(shù),10.1 天線測試條件 10.2 方向圖測試技術(shù) 10.3 增益測量技術(shù) 10.4 常用測量儀器簡介,10.1 天線測試條件,10.1.1 天線場區(qū)的劃分 發(fā)射天線是輻射電磁波的波源，其周圍的場強(qiáng)分布一般都是距離和角坐標(biāo)的函數(shù)。通常, 根據(jù)離開天線距離的不同，將天線周圍的場區(qū)劃分為感應(yīng)場區(qū)（近區(qū)）、輻射遠(yuǎn)場區(qū)（遠(yuǎn)區(qū)）和輻射近場區(qū)（中區(qū)）。這和電基本振子產(chǎn)生的場區(qū)劃分是一致的。在近區(qū)，感應(yīng)場占優(yōu)勢，它的外邊界約為一個(gè)波長。越過感應(yīng)場區(qū)就進(jìn)入中區(qū)了。此區(qū)內(nèi)場的角分布與距離有關(guān), 天線各單元至觀察點(diǎn)的射線不平行。在各單元對(duì)場的貢獻(xiàn)中，其相對(duì)相位的相對(duì)幅度是離開天線距離的函
2、數(shù)。進(jìn)入遠(yuǎn)場區(qū)后，場的角分布與距離無關(guān)，即天線各單元至觀察點(diǎn)的射線可以認(rèn)為是平行線。嚴(yán)格地講，只有離天線無窮遠(yuǎn)才是天線的遠(yuǎn)區(qū)。但在某個(gè)距離上，當(dāng)場的角分布與在無窮遠(yuǎn)時(shí)場的角分布的誤差在允許范圍內(nèi)時(shí)，就可把該點(diǎn)至無窮遠(yuǎn)的區(qū)域稱為天線的遠(yuǎn)區(qū)。,圖10-1兩類天線的輻射場區(qū) （a） 口徑型天線; （b）電小天線,10.1.2 最小測試距離,1相位條件 收、發(fā)天線都有一定的口徑尺寸。因此，在有限距離下， 收、發(fā)天線口面各點(diǎn)距離并不相同。從圖10-2可見，收、發(fā)天線的中心距離r最小；其口徑相對(duì)邊緣的距離rmax最大，且,所以，因其距離不同而產(chǎn)生的最大相位差為,(10-1-1),式中, D1和D2分別為
3、收、發(fā)天線的口徑尺寸。,圖10-2 被測天線的最大口徑相位差,當(dāng)rD1D2時(shí)，有,(10-1-2),如果要滿足測量精度要求max/8，則相位條件要求的最小測試距離為,（10-1-3）,對(duì)于多數(shù)實(shí)用的圓口徑天線，口徑場均從中心向邊緣逐漸減弱， 因此邊緣附近的場對(duì)輻射特性的影響較小，故可把相位條件放寬。例如取max=/4，則,（10-1-4）,當(dāng)只知道被測天線的口徑尺寸為D1時(shí)，通常采用的最小測試距離公式為,（10-1-5）,2 橫向幅度條件 為確保測試精度, 通常要求被測天線的口徑邊緣處入射場的幅度相對(duì)于中心不得低于某值，例如0.25dB。這樣就要求被測天線口徑對(duì)發(fā)射天線中心的張角， 應(yīng)遠(yuǎn)小
4、于發(fā)射波瓣寬度20.5。若采用小口徑發(fā)射天線，這個(gè)要求容易實(shí)現(xiàn)。否則， 應(yīng)按發(fā)射天線的實(shí)際方向圖來計(jì)算，從而確定最小測試距離。,3. 縱向幅度條件 如果被測天線是長度為L的端射天線，由于天線上不同點(diǎn)到發(fā)射天線的距離不等，因此接收天線的各點(diǎn)場強(qiáng)不等，被測天線前后兩端的功率密度比為,其中，r0為收、發(fā)天線中心點(diǎn)之間的距離。根據(jù)測試精度，需限制S的大小，例如要求S<1 dB，則滿足縱向幅度條件的最小測試距離,在天線測量時(shí)， 應(yīng)取以上各條件所要求的最小測試距離中的最大值。,10.1.3 測試場地 當(dāng)測試天線輻射特性時(shí)，最理想的測試場地是自由空間， 但實(shí)際上難以辦到。模擬自由空間的測試場的方法之一是
5、建造電波暗室。它是一個(gè)室內(nèi)每面均覆蓋吸波材料的電磁屏蔽房間。 其房間大小應(yīng)滿足天線測試場的尺寸要求。例如其長度應(yīng)大于最小測試距離。吸波材料能吸收投射來的電波而不產(chǎn)生反射， 以便達(dá)到模擬自由空間的目的。由于造價(jià)等原因，電波暗室方案通常適用于微波波段，所以通常稱作微波暗室。,常見測試場地都選擇空曠地。不應(yīng)有高架的輸電線、電話線、樹木以及建筑物等，以消除周圍物體產(chǎn)生的反射波。對(duì)于地面反射的影響，可采取措施讓其減至最低程度。例如選用高架天線測試場和斜天線測試場，可在一定程度上消除地面反射對(duì)天線測試場的影響。如圖10-3所示的高架天線法，就采用強(qiáng)方向性天線作發(fā)射天線，并使其第一個(gè)零點(diǎn)方向指向反射點(diǎn)。為了
6、進(jìn)一步消除地面反射波的影響，可在反射點(diǎn)附近設(shè)置反射屏，反射屏的存在使反射波偏離被測天線；或者在反射點(diǎn)附近設(shè)置電波吸收材料，減少射向被測天線的反射波強(qiáng)度。圖10-4所示的斜天線測試法，是把被測試天線高架并作為接收天線，輔助的發(fā)射天線靠近地面架設(shè)，適當(dāng)調(diào)整發(fā)射天線高度，使自由空間方向圖的最大輻射方向?qū)?zhǔn)被測天線中心，零輻射方向?qū)?zhǔn)地面反射點(diǎn)，可使地面反射減至最小。它實(shí)質(zhì)上是高度不等的高架測試場。,圖10-3 高架天線測試場,圖10-4 斜天線測試場,,10.2 方向圖測試技術(shù),10.2.1 固定天線法 本法用于測量大型固定天線或安裝完畢的天線方向圖。 測試時(shí), 被測天線固定不動(dòng)并作為發(fā)射天線使
7、用。輔助天線作為接收天線，它與發(fā)射天線保持某一固定距離（大于最小測試距離）， 在所需的平面上測試天線的方向圖。,10.2.2 旋轉(zhuǎn)天線法 旋轉(zhuǎn)天線法是最基本也是最常用的方向圖測量方法，如圖10-5所示。圖中被測天線為接收狀態(tài)，可在水平面內(nèi)繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)； 輔助天線為發(fā)射狀態(tài)，固定不動(dòng)。設(shè)收、發(fā)天線均為同向線極化或同旋向圓極化，在被測天線步進(jìn)式繞軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周的過程中不斷地記錄指示器的指示，可以得到該天線的水平面方向圖。 如果將兩天線口徑同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)90，就可測出被測天線的另一個(gè)平面的方向圖。,圖 10-5 用旋轉(zhuǎn)天線法測方向圖,,10.3 增益測量技術(shù),增益測量分為相對(duì)增益測量和絕對(duì)增益測量。 它們都是
8、以自由空間的功率傳輸公式為基礎(chǔ)，即,（10-3-1）,式中: Pr為接收天線的最大接收功率；Pin為發(fā)射天線的輸入功率；Gt為發(fā)射天線的增益；Gr為接收天線的增益。 式(9 -3-1)是在收、發(fā)兩天線極化匹配，無失配損耗時(shí)得出的。,10.3.1 用比較法測量天線增益 實(shí)際測量時(shí)，可按先后次序把被測天線和標(biāo)準(zhǔn)增益天線接到信號(hào)源上，并調(diào)整它們使之分別與輔助接收天線的最大輻射方向?qū)?zhǔn)，調(diào)可變衰減器使接收指示裝置（電表、選放或接收機(jī)）有一個(gè)合適指示。在兩種狀態(tài)下維持相同的指示電平， 用功率計(jì)分別測得被測天線的輸入功率PinX和標(biāo)準(zhǔn)天線的輸入功率PinS。因標(biāo)準(zhǔn)天線增益Gs已知，則被測天線的增益
9、為,（10-3-2）,如果用精密可變衰減器的讀數(shù)表示被測天線的增益，則式（10-3-2）可改為,（10-3-3）,式中, AS和AX分別為保持接收天線輸出指示不變時(shí)，接入標(biāo)準(zhǔn)天線和被測天線的可變衰減器的相應(yīng)分貝讀數(shù)。,圖 10-6 把被測天線作為發(fā)射天線來測量天線增益的框圖,10.3.2 用雙天線法測量天線增益 有A、B兩個(gè)相同天線，其增益為G，設(shè)A、B中一個(gè)作為發(fā)射天線， 另一個(gè)作為接收天線， 收、發(fā)相距r。根據(jù)功率傳輸公式（10-3-1）可得被測天線的增益為,（10-3-4）,式中，Pr為接收天線的最大接收功率，PA為發(fā)射天線的輸入功率。 由此可見，只要測出功率比Pr/PA，距離r和
10、波長，就能計(jì)算出被測天線增益。為了消除測量誤差，通常把收發(fā)天線互換， 再測一遍，取平均值。,10.3.3 用鏡像法測量天線增益 用鏡像法測量天線增益只需用一副天線，但還需要一個(gè)尺寸足夠大的良導(dǎo)電金屬板。鏡像法實(shí)際上是將雙天線法中的第二副天線視為無限大理想導(dǎo)電平面另一側(cè)的鏡像。圖10-7是用鏡像法測量天線增益的示意圖。在放入金屬反射屏之前使天線與饋線匹配，放入金屬屏后天線接收到屏的反射波，在傳輸線中形成駐波。根據(jù)駐波的大小，可以得出天線增益的大小。天線接收到的屏反射回的功率為,所以,（10-3-5）,即,式中，是反射系數(shù)，是電壓駐波比。已知工作波長，天線到平板的距離r/2，測出反射系數(shù)||或電
11、壓駐波比，即可得到被測天線的增益。,圖 10-7 用鏡像法測量天線增益的示意圖,,10.4 常用測量儀器簡介,10.4.1 BIRD牌天饋測試儀 圖10-8 所示的BIRD牌天饋測試儀是手持式的電纜和天線測試儀，主要應(yīng)用于各種通信基站天饋線系統(tǒng)的測試，包括集群、 GSM、PCS/DCS、CDMA、GPRS、3G、尋呼和主干電纜等系統(tǒng)的應(yīng)用。在天饋線系統(tǒng)安裝、調(diào)試及日常維護(hù)時(shí)，可進(jìn)行駐波比（VSWR）、回波損耗、電纜損耗、功率及故障定位等測試。 其測試頻率范圍為254000 MHz。,圖 10-8 BIRD牌天饋測試儀,1. BIRD牌天饋測試儀的特點(diǎn) (1) 抗干擾能力強(qiáng)， 對(duì)測試無限
12、制條件。 較高的干擾信號(hào)電平將會(huì)影響其他同類測試儀的使用，而BIRD天饋測試儀具有較高的抗干擾能力，它在現(xiàn)場測試能夠抑制+13 dBm/+22 dBm 的干擾信號(hào)，因此可在無需關(guān)閉通信設(shè)備的情況下進(jìn)行現(xiàn)場天線分析。 其測量精確度及再現(xiàn)性高。,(2) 運(yùn)行速度快, 易于操作。 BIRD設(shè)計(jì)的現(xiàn)場分析對(duì)初學(xué)者、偶爾使用者及常用者均易操作。其測試范圍廣泛，可以用于天饋系統(tǒng)的細(xì)微調(diào)整， 具有極快的切換速率和優(yōu)越的測試能力，運(yùn)行速度快。即使是沒有經(jīng)驗(yàn)的技工也可以掌握。,(3) 快速識(shí)別細(xì)小的問題， 防患于未然。 其優(yōu)點(diǎn)還包括： 60 dB的高動(dòng)態(tài)范圍保證了細(xì)小故障的定位。 高分辨率的
13、標(biāo)記讀出駐波比數(shù)據(jù)， 與昂貴的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備具有相同的精度。 使用該儀器可對(duì)現(xiàn)存的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換， 利用PC機(jī)進(jìn)行分析。 可進(jìn)行電纜插入損耗測量。 擁有功率測量能力。,(4) 分析軟件可以生成規(guī)范的報(bào)告。 該現(xiàn)場分析儀自帶分析和報(bào)告功能，可無限制查詢測試報(bào)告。使用者可以將測試數(shù)據(jù)下載至PC機(jī)上進(jìn)行分析。BIRD測試儀具有用戶界面友好、兼容性強(qiáng)的特點(diǎn)，使用Windows 95/98/NT兼容軟件可以完成大量的跟蹤測試分析，也可以對(duì)其他電纜和天線測試儀生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析， 便于攜帶, 分析能力強(qiáng)。 (5) 先進(jìn)可靠的電池技術(shù)， 手提操作。 全新的現(xiàn)場分析儀帶有先進(jìn)的電源系統(tǒng)，
14、使用手提式操作。 一個(gè)內(nèi)置電池每次充電可以提供至少3小時(shí)的操作時(shí)間。用一個(gè)可選的外接電池組可以延長操作時(shí)間。,2. 兩款BIRD牌天饋測試儀的性能及參數(shù) 1) SA-4000便攜式電纜及天線測試儀 (1) 頻率特性： 測試頻率范圍： 254000 MHz。 頻率分辨率： 在25800 MHz， 分辨率為25 kHz； 在8002500 MHz，分辨率為 50 kHz； 在25004000 MHz，分辨率為1000 kHz。 (2) 測試特性： 回?fù)p為0-60 dB,(3) 測試端口： N型（陰）。 (4) 阻抗： 50 。 (5) 掃描速度： 每3秒一次多頻掃描， 采樣點(diǎn)為
15、238個(gè)。 (6) 抗干擾性： 最高抑制信號(hào)達(dá)+13 dBm（偏離中心載頻10 kHz）; 最高抑制信號(hào)達(dá)+22 dBm（偏離中心載頻1 MHz）。 (7) 最大輸入信號(hào)： +22 dBm。 (8) 外設(shè)端口： 數(shù)據(jù)傳輸：9針RS-232，與計(jì)算機(jī)串口兼容，可選擇波特率、 奇偶性及信號(hào)交換。 打印機(jī)： 25針并行口， 內(nèi)置驅(qū)動(dòng)程序， 支持惠普打印機(jī)。,(9) 電源： 內(nèi)部：可充電鋰電池（最少可用3小時(shí)， 具有自動(dòng)關(guān)機(jī)功能， 延長電池壽命）。 外部直流： 916。 外部交流： 100220 V， 5060 Hz。 (10) 環(huán)境： 工作溫度： -1050。 儲(chǔ)
16、藏溫度： -4080。 濕度： 95%5%。 海拔高度： 最高4572 m。,(11) 外形尺寸： 267 mm216 mm83 mm。 (12) 重量： 2 kg。 (13) 附件：標(biāo)準(zhǔn)配置包括軟包、 用戶手冊(cè)、 串口電纜、 基于Internet的升級(jí)軟件以及交流充電器/適配器。,2) SA-2500A便攜式電纜及天線測試儀 (1) 頻率特性： 測試頻率范圍： 7802500 MHz。 頻率分辨率： 50 kHz。 (2) 測試特性： 回?fù)p為 0-60 dB。 (3) 測試端口： N型（陰）。 (4) 掃描速度： 每4秒一次多頻掃描， 采樣點(diǎn)為238個(gè)。
17、(5) 抗干擾性： 最高抑制信號(hào)達(dá)+13 dBm（偏離中心載頻10 kHz）；最高抑制信號(hào)達(dá)+22 dBm（偏離中心載頻1 MHz) 。,(6) 最大輸入信號(hào)：+22 dBm。 (7) 外設(shè)端口： 數(shù)據(jù)傳輸： 9針RS-232， 與計(jì)算機(jī)串口兼容， 可選擇波特率、 奇偶性及信號(hào)交換。 打印機(jī)： 25針并行口， 內(nèi)置驅(qū)動(dòng)程序支持惠普打印機(jī)。 (8) 電源： 內(nèi)部： 可充電鋰電池（最少可用3小時(shí)， 具有自動(dòng)關(guān)機(jī)功能， 延長電池壽命）。 外部直流： 916 V。 外部交流： 10022 V， 5060 Hz。,(9) 環(huán)境： 工作溫度： -1050。 儲(chǔ)藏溫度： -4080。
18、濕度： 95%5%。 海拔高度： 最高4572 m。 (10) 外形尺寸： 267 mm216 mm83 mm。 (11) 重量： 2 kg。 (12) 附件： 標(biāo)準(zhǔn)配置包括軟包、 用戶手冊(cè)、 串口電纜、 基于Internet的升級(jí)軟件以及交流充電器/適配器。,10.4.2 AT-800型移動(dòng)通信天線特性分析儀（美國） AT-800 是專為移動(dòng)通信基站天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)的，是數(shù)字和模擬移動(dòng)通信基站、直放站安裝調(diào)試和檢驗(yàn)的最佳測試儀。它主要用來測試天線駐波比、匹配效率、回波損耗及電場強(qiáng)度， 并以數(shù)字和波形顯示在寬大的LCD屏幕上。它具有手持式菜單操作， 使用起來快速方便。,10.4.3 S330系
19、列手持式天饋線測試儀（日本） S330采用FDR最新技術(shù)，測試53300 MHz通信用天饋線的狀態(tài)，可精確定位天饋線破損（或其他問題）的位置，測量天饋線的插入損耗， 回?fù)p及駐波比, 可以以時(shí)域或頻域波形顯示測試結(jié)果。它具有Windows界面， 操作方便、 簡單， 可替代價(jià)格昂貴、笨重、復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)分析儀和TDR測試儀, 是安裝和維護(hù)發(fā)射站及RF傳輸線最佳的必備測試儀。,S330的高沖壓外殼重量輕，其耐震及符合人類工程學(xué)的外形設(shè)計(jì)便于手持式操作；其高亮度、高分辨率彩顯突出了重要測試結(jié)果，同時(shí)可清楚地組織操作功能和測試結(jié)果； 直觀的菜單鍵和菜單操作方便用戶集中精力進(jìn)行測試；四個(gè)常用用戶功能鍵提高
20、了測試速度；最多可存儲(chǔ)5組校準(zhǔn)曲線； 彈出菜單可預(yù)置70種電纜型號(hào)及30種頻率段，方便快速正確地選擇測試參數(shù)；測試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于非易失存儲(chǔ)器內(nèi)；數(shù)據(jù)標(biāo)號(hào)允許用戶描述測試數(shù)據(jù)的名稱；自動(dòng)生成的時(shí)間/日期標(biāo)識(shí)，方便用戶整理測試數(shù)據(jù)；,內(nèi)設(shè)分析功能，幫助用戶在無法使用個(gè)人電腦的情況下， 直接利用屏幕進(jìn)行兩條跡線的比較；高亮度、彩色的屏幕突出了主要的信息，幫助用戶快速定位故障；先進(jìn)的液晶技術(shù)使儀器在各種環(huán)境下都能獲得良好的視覺效果；精確的標(biāo)記提供了駐波比為0.01 dB的分辨率；自動(dòng)的標(biāo)記偏差用于比較兩條跡線， 以反映天線系統(tǒng)性能的變化；“通過/失敗”顯示，幫助用戶快速選擇是否繼續(xù)進(jìn)行測試；數(shù)字信號(hào)處理提
21、供了2 s的跡線刷新時(shí)間; 可存儲(chǔ)60組帶時(shí)間/日期標(biāo)記的測試數(shù)據(jù); 內(nèi)設(shè)打印機(jī)接口， 可進(jìn)行直接數(shù)據(jù)打印和即時(shí)記錄。,,習(xí) 題 9,10-1 以被測天線工作于接收狀態(tài)為例， 說明如何確定最小測試距離。 10-2 欲測試30cm波段矩形角錐喇叭的方向圖，已知被測和輔助喇叭天線的類型和尺寸相同，口徑尺寸為110.4cm14.4cm， 中心波長03.2 cm，試確定最小測試距離。 10-3 理想的天線測試場應(yīng)是什么樣的？ 超短波和微波天線可以選擇什么樣的測試場，并采取哪些措施消除地面反射對(duì)天線測試的影響？ 10-4 闡述用旋轉(zhuǎn)天線法測試方向圖的原理。試畫出被測天線處于發(fā)射狀態(tài)的測試框圖。,,
天線技術(shù)課件西電第二版第10章.ppt
