天线方向图测量范文

第一篇：天线方向图测量范文

天线的方向图测量(设计性)试验

理学院材料物理专业

近代物理实验(设计性)试验报告

2012年6月23号 中国石油大学 近代物理 实验报告

班级： 材料物理10-2 姓名： 同组者：

设计性实验

不同材质天线的方向图测量

(measurement of antenna parameters)

【 中国石油大学(华东)理学院材料物理专业10-2 】

摘要：

天线的作用首先在于辐射和接收无线电波，但是能辐射或接收电磁波的东西不一定都能用来作为天线。任何高频电路，只要不被完全屏蔽，都可以向周围空间或多或少地辐射电磁波，或从周围空间或多或少地接收电磁波。但是任意一个高频电路并不一定能用作天线，因为它的辐射或接收效率可能很低。

天线辐射的是无线电波，接收的也是无线电波，然而发射机通过馈线送入天线的并不是无线电波，接收天线也不能把无线电波直接经馈线送入接收机，其中必须进行能量的转换。

研究天线问题，实质上是研究天线所产生的空间电磁场分布，以及由空间电磁场分布所决定的天线特性。我们知道电磁场满足麦克斯韦(Maxwell)方程组。因此，求解天线问题实质上是求解满足一定边界条件的电磁场方程，它的理论基础是电磁场理论。

研究天线主要是得到天线的相关特性，天线特性一般由电路特性和辐射特性两个方面表征。电路特性包括天线的输入阻抗、效率、频率宽度和匹配程度等;辐射特性包括方向图、增益、极化、相位等，为了达到最佳的通信效果，要求天线必须具备一定的方向性，较高的转换效率，以及满足系统工作的频带宽度。

根据无线电技术设备的任务不同，常常要求天线不是向所有方向均匀地辐射(或对所有方向具有同等的接受能力)，而是只向某个特定的区域辐射(或只接受来自特定区域的无线电波)，在其它方向不辐射或辐射很弱(接受能力很弱或不能接收)，也就是说，要求天线具有方向性。

天线所辐射的无线电波能量在空间方向上的分布，通常是不均匀的，这就是天线的方向性。即使最简单的天线也有方向性，完全没有方向性的天线实际上不存在。

通过天线方向图可以方便的得到表征天线性能的电参数。用来描述天线方向图的参数通常有主方向角、主瓣宽度、半功率角、副瓣宽度、副瓣电平等。

关键词：天线、无线电波、能量转换、电磁场、辐射或接收 引言：

通信、雷达、导航、广播、电视等无线电技术设备，都是通过无线电波来传播信息，都需要有无

线电波的辐射和接收。在无线电技术设备中，用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。天线和发射机、接收机一样，是无线电技术设备的一个重要组成部分。

图1是测量通过天线相位中心各平面内的方向图的方案之一。图中天线1为被测天线，与信号发生器相连用作发射,它装在旋转平台上能作360°转动;天线2为辅助天线，它与电场强度计相连以便测得离被测天线一定距离处的场强。两天线的极化特性要求相同，为了近似满足远场条件，两天线间的距离应满足,式中&λ为测试工作波长;r和D的意义见图1。当转动被测天线1时，可在天线2处测得以转动角θ表示的函数的电场强度E(θ)，于是就可画出转动平面内的天线 1的方向图。若被测天线为半波天线，它的子午面内的方向图如图2a，当把天线转动90°使之垂直于转动平面时,可测得赤道面内的方向图(图2b)。若把天线任意倾斜安装，则可测得任意面内的方向图。此外，也可固定被测天线1，而把辅助天线2沿以被测天线为中心,距离为半径的圆周运动，同样可以测得天线的方向图。若把收发条件互换，即把被测天线用作接收，辅助天线用作发射，最终测得的天线方向图并无变化，这是符合天线互易定理的。

r【实验目的】

1.了解天线的基本工作原理。 2.绘制并理解天线方向图。

3.根据方向图研究天线的辐射特性。

4、通过对不同材质的天线的方向图的研究，探究其中的联系与规律。

【实验原理】

一.天线的原理

天线的作用首先在于辐射和接收无线电波，但是能辐射或接收电磁波的东西不一定都能用来作为天线。任何高频电路，只要不被完全屏蔽，都可以向周围空间或多或少地辐射电磁波，或从周围空间或多或少地接收电磁波。但是任意一个高频电路并不一定能用作天线，因为它的辐射或接收效率可能很低。要能够有效地辐射或者接收电磁波，天线在结构和形式上必须满足一定的要求。图B1-1给出由高频开路平行双导线传输线演变为天线的过程。开始时，平行双导线传输线之间的电场呈现驻波分布，如图B3-1a。在两根互相平行的导线上，电流方向相反，线间距离又远远小于波长，它们所激发的电磁场在两线外部的大部分空间由于相位相反而互相抵消。如果将两线末端逐渐张开，如图B3-1b所示，那么在某些方向上，两导线产生的电磁场就不能抵消，辐射将会逐渐增强。当两线完全张开时，如图B3-1c所示，张开的两臂上电流方向相同，它们在周围空间激发的电磁场只在一定方向由于相位关系而互相抵消，在大部分方向则互相叠加，使辐射显著增强。这样的结构被称为开放式结构。由末端开路的平行双导线传输线张开而成的天线，就是通常的对称振子天线，是最简单的一种天线。

天线辐射的是无线电波，接收的也是无线电波，然而发射机通过馈线送入天线的并不是无线电波，接收天线也不能把无线电波直接经馈线送入接收机，其中必须进行能量的转换。图B3-2是进行无线电通信时，从发射机到接收机信号通路的简单方框图。在发射端，发射机产生的已调制的高频震荡电流经馈电设备传输到发射天线，发射天线将高频电流转变成无线电波——自由电磁波向周围空间辐射;在接受端，无线电波通过接收天线转变成高频电流经馈电设备传送到接收机。从上述过程可以看出，天线除了能有效地辐射或者接收无线电波外，还能完成高频电流到同频率无线电波的转换，或者完成无线电波到同频率的高频电流的转换。所以，天线还是一个能量转换器。

研究天线问题，实质上是研究天线所产生的空间电磁场分布，以及由空间电磁场分布所决定的天线特性。我们知道电磁场满足麦克斯韦(Maxwell)方程组。因此，求解天线问题实质上是求解满足一定边界条件的电磁场方程，它的理论基础是电磁场理论。

发射天线传播电磁波接收天线馈线发射机馈线接收机 图B3-2 无线电通信系统中的信号通道简单方框图

二.天线的分类

天线的形式很多，为了便于研究，可以根据不同情况进行分类。 按用途分类，有发射天线，接收天线和收发公用天线。

按使用范围分类，有通信天线，雷达天线，导航天线，测向天线，广播天线，电视天线等。 按馈电方式分类，有对称天线，不对称天线。

按使用波段分类，有长波、超长波天线，中波天线，短波天线，超短波天线和微波天线。 按天线外形分类，有T形天线，V形天线，菱形天线，鱼骨形天线，环形天线，螺旋天线，喇叭天线，反射面天线等等。

从便于分析和研究天线的性能出发，可以将大部分天线按其结构形式分为两大类：一类是由半径远小于波长的金属导线构成的线状天线——称为线天线，另一类是用尺寸大于波长的金属或介质面构成的面状天线——称为面天线。线天线主要用于长、中、短波波段，面天线主要用于微波波段，超短波波段则两者兼用。线天线和面天线的基本辐射原理是相同的，但分析方法则有所不同。

三.天线的辐射方向图

研究天线主要是得到天线的相关特性，天线特性一般由电路特性和辐射特性两个方面表征。电路特性包括天线的输入阻抗、效率、频率宽度和匹配程度等;辐射特性包括方向图、增益、极化、相位等，为了达到最佳的通信效果，要求天线必须具备一定的方向性，较高的转换效率，以及满足系统工作的频带宽度。

根据无线电技术设备的任务不同，常常要求天线不是向所有方向均匀地辐射(或对所有方向具有同等的接受能力)，而是只向某个特定的区域辐射(或只接受来自特定区域的无线电波)，在其它方向不辐射或辐射很弱(接受能力很弱或不能接收)，也就是说，要求天线具有方向性。如果天线没有方向性，对发射天线来说，它说辐射的功率中只有很少一部分到达所需要的方向，大部分功率浪费在不需要的方向上;对接收天线来说，在接受到所需要的信号同时，还接收到来自其它方向的干扰和噪声，甚至使信号完全淹没在干扰和噪声中。因此，一副好的天线，在有效地辐射或接收无线电波的同时，还应该具有为完成某种任务而要求的方向特性。

天线所辐射的无线电波能量在空间方向上的分布，通常是不均匀的，这就是天线的方向性。即使最简单的天线也有方向性，完全没有方向性的天线实际上不存在。为了表示天线的方向特性，人们规定了几种方向性电参数，其中一个就是辐射方向图。天线方向图是指与天线等距离处，天线辐射参量在空间中的相对分布随方向变化的图形。所谓辐射参量包括辐射的功率通量密度、场强、相位和极化等。实际应用中，我们最关心的是天线辐射能量的空间分布，在没有特别指明的情况下，辐射方向图一般均指功率通量密度的空间分布。方向图还可以用分贝(dB)表示，功率方向图用分贝表示后就称为分贝方向图，它表示某方向的功率通量密度相对于最大值下降的分贝数。天线某方向的分贝数的计算方法见公式(B3-1)，其中P为某方向的功率通量密度，Pmax为最大功率通量密度。绘制方向图可以采用极坐标，也可以采用直角坐标。极坐标方向图形象、直观，但对于方向性强的天线难于精确表示;直角坐标方向图虽然没有极坐标方向图形象、直观，但更容易从中计算描述天线方向性的诸多参数。

p(dB)10lgPPmax(dB)

(B3-1)

00.52020.50主轴主瓣第一副瓣图B3-3 极坐标下天线方向图一般形状

通过天线方向图可以方便的得到表征天线性能的电参数。用来描述天线方向图的参数通常有主方向角、主瓣宽度、半功率角、副瓣宽度、副瓣电平等。图B3-3是极坐标下天线方向图的一般形状。方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣，副瓣中最大的为第一副瓣。下面我们列举出可由天线方向图得到的天线参数：

(1) 主方向角。指主瓣最大值对应的角度;

(2) 主瓣宽度。也称零功率点波瓣宽度(Beam Width between First Nulls, BWFN),指主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角，即20。主瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强;

(3) 半功率角。也称半功率点波瓣宽度(Half Power Beam Width, HPBW),指主瓣最大值两边功率密度等于最大值的0.5倍的两辐射方向之间的夹角，又叫3分贝波束宽度(将功率密度转化成分贝数后，会发现功率密度变成最大功率密度1/2的地方对应的分贝数比最大功率处小3dB(-3dB=10*lg<1/2>dB)，即20.5;

(4) 副瓣宽度。指第一副瓣两边两个零辐射方向之间的夹角;

(5) 副瓣电平(Side Lobe Lever, SLL)。指副瓣最大值与主瓣最大值之比，一般也以分贝表示，见公式(B3-2)，其中：Pmax2和Pmax分别为最大副瓣核主瓣的功率密度最大值。

SLL10lgPmax2Pmax(dB)

(B3-2)

【实验器材】

本实验的实验装置为AT3200天线实训系统。本系统包括可以提供500MHz、2GHz、10GHz的RF 信号源和天线方向控制器，以及可以在计算机上仿真天线复制图和特性的仿真软件。 因为本天

线实训系统使用信号的频率较高，所以它能够在较窄的空间(如100m)实验天线的传播特性。而且系统的移动和保管也比较方便。图B3-4为本实验装置的一个示意图：

本实验装置主要包含以下几个主要部件： 1. 主控器 2. 发射器 3. 接收器

4. 各种天线的类型：铝线、镍铬合金和铁线

发射器主控器接收器计算机 图B3-4 AT3200天线实训系统设备示意图

【数据处理】

图

1、极坐标系下的八木天线图

图

2、直角坐标系下的八木天线图

图

3、3D下的八木天线方向图

图

4、极坐标系下的八木(铝线)天线图

图

5、直角坐标系下的八木(铝线)天线图

图

6、3D下的八木天线(铝线)方向图

图

7、极坐标系下的八木(铁线)天线图

图

8、直角坐标系下的八木(铝线)天线图

图

9、3D下的八木天线(铁线)方向图

图

10、极坐标系下的八木(镍铬合金线)天线图

图

11、直角坐标系下的八木(镍铬合金线)天线图

图

12、3D下的八木天线(镍铬合金线)方向图

图

13、八木(水平——铝线)

图

14、八木(水平——镍铬合金线)

图

15、八木(水平——铁线)

分析：虽然一般情况下，对于金属材料都满足天线的条件，但从以上图像中，我们可以发现，当将八木天线换成不同的材料之后，天线的方向性将会发生改变，其主方向角和主瓣宽度等都会发生变化，而且变化较为明显，接收信号的宽度也就会相应的改变，但我们也可以发现铁线，铝线和镍铬合金线形成的方向图明显的不规则，这也和在替换材料时的人为因素有关，因为替换材料之后，和原来的八木天线相比，天线必然会出现不直，长短不一，分布不均匀等现象，这些会直接影响到信号的接收。 一：因为空间的信号分布是不均匀的;

二：由于改变过的天线方向性会严重减低，所以才会导致方向图的不均匀。 但是我们还是可以总结出，不同的材料所对应的主瓣大小是不同的，方向角是不同的，因为不同材料的天线对信号的接收能力是有差别的!

图

16、3D下八木(水平——铝线)天线方向图

图

16、3D下八木(水平——镍铬合金线)天线方向图

图

16、3D下八木(水平——铁线)天线方向图

【思考题】

1. 什么是天线方向性图?

答：天线方向图就是通过测量天线在空间不同角度的相关残参量值，在绘制在直角坐标系或者极坐标系中，表示天线相关参量在空间不用角度分布情况的坐标图片。 2. 测量天线方向图的方法分别有几种，并说明?

答：测量天线方向图的方法主要有两种，分别为固定测量法和旋转测量法，固定测量法主要用于大型天线，由于转动不便，故待测天线固定，辅助天线在空中或地面绕待测天线旋转，得到不同角度的辐射强度，即可绘制出天线方向图。另一种方法是旋转测量法，待测天线旋转，辅助天线固定不动，然后通过测量得到方向图。

【原始数据】

八木(水平——铝线).atn

八木铝.atn

八木(水平——铁线).atn八木铁.atn

八木(水平——镍铬合金) .atn

镍铬.atn

【参考文献】

【1】 魏文员，宫德明。《天线原理》 国防工业出版社，1985. 【2】 深圳安泰信电子有限公司，AT3200天线实训是同实验参考书。 【3】 王石安。《天线的参数测量》(中国大百科)北京百科网络出版社。 【4】 任朗：《天线理论基础》，人民邮电出版社，北京，1980。 【5】 谢处方：《电波与天线》第二版，人民邮电出版社，北京，1966。

第二篇：×××××××××治理项目河道恢复治理现状图现状图测量报告

×××××××××治理项目

河道恢复治理现状图现状图测量报告

××××××××

二00五年十二月十五日

××××××××××治理项目

河道恢复治理现状图现状图测量报告

编 制 人：×××

测 量 人：×××

编 辑 人：×××

审 核 人：×××

总工程师：×××

总 经 理：×××

二00五年十二月十五日

目录

一、工程概况

1、目的任务

2、测区位置及工作量

二、可利用性资料

三、数字地形图的测制

四、总结

五、成果资料

一、工程概况

1、目的任务

为满足×××××治理、河道恢复治理项目的需要，受×××××土地管理局的委托，我单位承担完成了××××××治理、河道恢复治理项目的测量工程。

2、测区位置及工作量

本测量工程位于×××××××××××××，河道全长4344米。测区内地势平坦，高差起伏不大，通视情况良好。交通不便利，测量工作存在一定难度。

二、可利用性资料

该测区有施工方提供的高程点，此平面系统为1956年黄海高程系。经检核该资料精度可靠，其成果可以作为本次测量的起算数据。坐标系为任意直角坐标系。

三、数字地形图的测制

本工程外业采用拓普康单频GPS接收机和局部使用索佳530R全站仪相接合。拓普康单频GPS接收机的精度指标为：基线精度为3mm+0.5ppm(L1+L2)5mm+1.4ppm(L1)、RTK精度为10mm+1.0ppm(L1+L2 )<60秒;索佳530R全站仪的精度指标为：测角精度度5″、综合精度为±1.05㎜，仪器经过检核。

外业采集的地物点坐标值由仪器自动记录，领尺员绘制地物、地貌的草图。测量过程中严格执行各项规范和要求，各要素注记表示完整、合理，高程点注

记均匀分布;图形编辑软件使用南方公司的CASS测绘软件，按照领尺员绘制的草图进行分层编辑成图，最后形成1：5000的数字化地形图。

测量中得到各土管部门的大力支持，在次表示感谢。

四、总结

GPS数据采集操作步骤规范，加密控制测量精度可靠，达到了规范要求;碎部点的精度良好、综合取舍合理、作业方法正确、测量地物位置准确、内容齐全;编辑过程中，各种符号表示正确、处理得当、注记准确完整;完全符合技术要求。

五、成果资料(附图)

第三篇：GB_T 15967-2008_1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形图航空摄影测量数字化测图规范

GB/T 15967-2008 1∶500 1∶1 000 1∶2 000地形图航空摄影

测量数字化测图规范

基本信息

【英文名称】Specifications for aerial photogrammetric digital mapping of 1∶500 1∶1 000 1∶2 000 topographic maps 【标准状态】现行 【全文语种】中文简体 【发布日期】1995/12/19 【实施日期】2008/12/1 【修订日期】2008/6/20 【中国标准分类号】A77 【国际标准分类号】07.040

关联标准

【代替标准】GB 15967-1995 【被代替标准】暂无

【引用标准】GB/T 6962,GB/T 7930,GB/T 7931,GB/T 13923,GB/T 17158,GB/T 20257.1,CH/T 1001,CH 1002,CH 1003,CH/T 1004

适用范围&文摘

本标准规定了用解析航空摄影测量方法进行1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形图数字化测图作业的基本要求和成果精度要求。

本标准适用于解析航空摄影测量方法进行1∶500、1∶1 000、1∶2 000地形图数字化测图作业。

第四篇：微带天线

微带缝隙天线的分析

班级：0413101 学号：041300425 姓名：袁振宇

摘 要

微带缝隙天线具有结构简单、加工方便、体积小、宽频带等特性，在微波毫米波系统应用广泛。文中计算了天线的回波损耗和方向图，与文献结果比较吻合，证明了方法的正确性，可为微带缝隙天线的设计工作提供一定的参考。

关键词 微带缝隙天线 回波损耗 方向图

Abstract

Slot antenna has a simple structure, easy to process, small size, broadband andother characteristics, widely used in microwave, millimeter wave systems. The paper calculated the return loss and antenna radation pattern.Good agreement with the literature results proved the correctness ofthe simulation method can provide some reference for the design of the microstrip slot antenna. Keywordsmicrostrip slot antennaS11radiation pattern

第一章

绪论

1.1研究背景及意义

天线是在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，凡是利用电磁波来传递信息的，都依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线。一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线。同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的。这就是天线的互易定理。

天线按工作性质可分为发射天线和接收天线。按用途可分为通信天线、广播天线、电视天线、雷达天线等。按工作波长可分为超长波天线、长波天线、中波天线、短波天线、超短波天线、微波天线等。按结构形式和工作原理可分为线天线和面天线等。描述天线的特性参量有方向图、方向性系数、增益、输入阻抗、辐射效率、极化和频

微带天线的概念早在1953年就由G.A.DeSchamps提出，在20世纪50年代和60年代只有一些零星的研究。直到20世纪70年代初期，当微带传输线的理论模型及对敷铜的介质基片的光刻技术发展之后，第一批具有许多设计结构的实用的微带天线才被制造出来。缝隙天线最早是在1946年H.G.Booker提出的，同微带天线一样最初没有引起太多的注意。缝隙天线可以借助同轴电缆很方便地馈送能量，也可用波导馈电来实现朝向大平片单侧的辐射，还可以在波导壁上切割出缝隙的阵列。缝隙开在导电平片上，称为平板缝隙天线;开在圆柱面上，称为开缝圆柱天线。开缝圆柱导体面是开缝导体片至开缝圆柱导体面的进化。波导缝阵天线由于其低损耗、高辐射效率和性能等一系列突出优点而得到广泛应用;而平板缝隙天线却因为损耗较大，功率容量低，效率不高，导致发展较为缓慢。到1972年，Y.Yoshimura明确提出微带馈电缝隙天线的概念。

从微带天线的概念提出以来，由于它剖面薄、重量轻、可与载体共形、易与有源器件集成等优点，已经被广泛地应用于卫星通信、导航等领域。但是，微带天线频带较窄的突出缺点又限制了它的实际应用。目前在高频应用上，采用更多的是微带缝隙天线，它具有对加工精度要求低，可用标准的光刻技术在敷铜电路板上进行生产的优点，尤其是微带宽缝天线更是有效地拓宽了频带。目前缝隙天线(包括波导缝隙天线)已被广泛地应用于无线移动通信天线以及卫星直播电视天线。

1.2天线特性的主要参数

天线的特性参数主要有方向函数或方向图，极化特性，频带宽度，输入阻抗等，为了方便对天线的方向图进行比较，就需要规定一些表示方向图特性的参数。这些参数有：天线增益G(或方向性Gd)、波束宽度(或主瓣宽度)、旁瓣电平等。下面就简单介绍一下天线特性参数。

1.极化特性

指天线在最大辐射方向上电场矢量的方向随时间变化的规律。按天线所辐射的电场的极化形式，可将天线分为线极化天线、圆极化天线和椭圆极化天线。线极化又可分为水平极化和垂直极化;圆极化和椭圆极化都可分为左旋和右旋。

2.输入阻抗

天线阻抗简单地讲就是在天线部分上的电压和电流比率。由于在天线各点的电压和电流的分配不尽相同，各点的阻抗也不相同，其中馈电点的阻抗最为重要，对半波长偶极子天线来说就是中央天线。为使无线电收发器具有最佳的功率传送，这点的阻抗应该和馈线电缆的阻抗相同。

天线的输入阻抗等于传输线的特性阻抗，才能使天线获得最大功率。

3.带宽

天线的电参数都与频率有关，当工作频率偏离设计频率时，往往要引起天线参数的变化。当工作频率变化时，天线的有关电参数不应超出规定的范围，这一频率范围称为频带宽度，简称为天线的带宽。

4.远区场

如果所观测点离开波源很远、很远，波源可近似为点源。从点源辐射的波其波阵面是球面。因为观测点离开点源很远很远，在观察者所在的局部区域，其波阵面可近似为平面，当作平面波处理。符合这一条件的场通常称为远区场。这里所谓很远很远都是以波长来计量的。

5.方向函数或方向图

离开天线一定距离处，描述天线辐射的电磁场强度在空间的相对分布的数学表达式，称为天线的方向性函数;在离开天线一定距离处，描述天线辐射的电磁场强度在空间的相对分布的图形就叫天线的方向图。最大辐射波束通常称为方向图的主瓣。主瓣旁边的几个小的波束叫旁瓣。

天线增益是在波阵面某一给定方向天线辐射强度的量度。它是被研究天线在最大辐射方向的辐射强度与被研究天线具有同等输入功率的各向同性天线在同一点所产生的最大辐射强度之比。 G单位立体角最大辐射功率(1.1天线方向性GD与天线增益G类似但与天线馈入天线总功率4增益定义略有不同。

GD单位立体角最大辐射功率(1.2) 总的辐射功率4因为天线总有损耗，天线辐射功率比馈入功率总要小一些，所以天线增益总要比天线方向性小一些。

理想天线能把全部馈入天线的功率限制在某一立体角B内辐射出去，且在B立体角内均匀分布。这种情况下天线增益与天线方向性相等。

GGD4(1.3) B理想的天线辐射波束立体角B及波束宽度B

实际天线的辐射功率有时并不限制在一个波束中，在一个波束内也非均匀分布。在波束中心辐射强度最大，偏离波束中心，辐射强度减小。辐射强度减小到3db时的立体角即定义为B。波束宽度B与立体角B关系为 : B42(1.4) B旁瓣电平是指主瓣最近且电平最高的。第一旁瓣电平，一般以分贝表示。方向图的旁瓣区一般是不需要辐射的区域，其电平应尽可能的低。

天线效率A定义为：

APP

(1.5) PiPP11为欧姆损耗;P为辐射功率。 式中，Pi为输入功率;P天线的辐射电阻R用来度量天线辐射功率的能力，它是一个虚拟的量，定义如下：设有一个电阻R，当通过它的电流等于天线上的最大电流时，其损耗的功率就等于辐射功率。显然，辐射电阻越大，天线的辐射能力越强。由上述定义得辐射电阻与辐射功率的关系为 P12ImR(1.6) 2即辐射电阻为

R2P(1.7) 2Im仿照引入辐射电阻的办法，损耗电阻R1为

R12P1(1.8) 2Im将上述两式代入效率公式，得天线效率为

AR1(1.9)

RR11R1/R可见，要提高天线效率，应尽可能提高R，降低R1。

6.驻波系数和行波系数

为了定量描述传输线上的行波分量和驻波分量，引入驻波系数和行波系数。 传输线上最大电压(或电流)与最小电压(或电流)的比值，定义为驻波系数或驻波比，表示为

UUmaxminIImaxmin(1.10)

驻波系数和反射系数的关系可导出如下

UzUzUzUz1z(1.11)

故得

Umax12UU2min12(1.12) U2UUmaxmin1212(1.13)

行波系数定义为传输线上最小电压(或电流)与最大电压(或电流)的比值，即

KUUminmaxIIminmax(1.14)

显然： K11212(1.15)

7.效率

效率有辐射效率与天线效率之分。由于入射波反射的存在，天线不可能把入射功率全部提供到天线的输入端口作为天线的输入功率。同时，天线也不可能把从馈线输入给他的输入功率全部辐射出去，总有一部分要损耗掉，如天线导线中的热损耗、介质中的介质损耗、地电流的损耗以及天线近旁物体吸收电磁波一起的损耗等等。

为了便于对概念的理解，先将天线的有关的基本功率定义如下： 入射功率P入：指发射机等提供给天线的功率。

反射功率P反：指天线反射回来的功率。 输入功率Pin：指收发机等提供给天线的功率。

损耗功率Pd：指由于导线、介质或者地电流等存在而损耗的功率。 辐射功率P：指天线把发射机提供的功率扣除损耗辐射出去的功率。 根据以上定义，很容易得到：

PinP入P反PPd (1.16)

1.3微带细缝天线的应用

微带缝隙天线在航天器飞行、卫星直播电视以及医学诊断中得到了应用。 在卫星直播电视接受中，11.17~12.5GHz频带内的宽缝微带天线阵得到了应用。人们以矩形宽缝微带天线作为作为阵元，作出了2，4，16，64以及512单元平面阵。在H面内，单元缝隙间距为λ，E面缝隙间距为λ/2。缝隙是由微带分路器馈电。图1.2表示512单元宽缝隙组成的阵方向图和增益。这种天线的缺点是单元多，馈电网络复杂。

(a)方向图 (b)增益与频率的关系

图1.2512单元缝阵的方向图和增益

近来，人们制作了一种宽带高增益圆缝阵。阵元圆缝结构如图1.3所示。

图1.3 圆缝的结构

圆缝直径与波长可比，因此它也属于宽缝。他是由两介质板之间带线激励的，下面有一段圆波导状金属导体。调整带线宽度和深入缝中的长度可以获得带宽匹配。为了提到增益，在圆缝上金属表面加一层直径大一些的厚金属板，形成短圆喇叭状。

一个4×4圆缝阵的实验数据是：基板厚度1.75mm;相对介电常数2.32;用50欧姆带线馈电。缝隙的工作模式为TEM，中心频率为12GHz，驻波系数为2：1的带宽可达2GHz;单缝增益为10dB。阵的增益为20.6dB。在11.17~12.5GHz频率范围内，天线效率可达到57%~67%。交叉极化低于最大增益25 dB。上述数据表明，在同样指标要求下，圆缝隙阵优于矩形宽缝隙阵。

图1.4为医用宽缝隙微带天线结构示意图。单缝的增益可达到6dB。工作频率为S波段。

图1.4医用宽缝微带天线结构示意图

这种天线放在人体组织附近进行诊断。因此，场强随缝隙表面与人体组织间距离变化的数据是重要的。图表示场强随缝隙表面与水平面距离的变化。在医疗诊断和治疗中，把微带缝隙天线表面贴在人体有关部位或与有关部委保持一定距离，目的是在人体有关部位上产生一定形状和强度的热区。

第二章 缝隙天线的理论分析

如果在同轴线、波导管或空腔谐振器的导体壁上开一条或数条窄缝，可使电磁波通过缝隙向外空间辐射，而形成一种天线，这种天线称为缝隙天线。这种天线可以单独使用，也可以作天线阵的辐射单元。

2.1理论缝隙天线

实际上理想缝隙天线是有外加电压或场激励的。不论激励方式如何，缝隙中的电场垂直于缝的长边，并在缝的中点呈上下对称分布，如图2.1(a)所示。不过，由于JmnE，缝隙内外两表面的等效磁流反向，理想缝隙天线的场与前述磁流源激励时的场若在y>0的半空间相同，则在y<0的半空间相差一个负号。由于在同一表面上，等效磁流亦对缝中点呈上下对称分布，理想缝隙天线可等效为由磁流源激励的对称缝隙，如图2.1(b)所示。当然，这个磁流源的方向在内外两表面上也应当相反。与之互补对称的显然是尺寸相同的板状对称振子。 

图2.1 理想缝隙天线与板状对称阵子

2.2微带缝隙天线

1.微带缝隙天线的结构

在50年代，人们在三板线的一个接地板上开缝构成辐射器，这就是微带缝隙天线，并且以此为阵元构成缝阵。许多人对这种天线进行了研究。随着微波集成电路工艺的发展，人们在微带线接地板上光刻成缝隙构成微带缝隙天线。图2.5表示出了微带缝隙天线的结构。

图2.5 微带缝隙天线

微带缝隙天线产生双向辐射;对制作公差要求低;与微带振子天线组合起来可以构成圆极化天线。他也是一种比较常见的天线。微带缝隙天线常见的的缝隙形状有矩形，圆形，或者环形

(a)窄缝(b)圆环缝 (c)宽缝 (d)圆贴缝

图2.6 缝隙形状

2.微带模型

微带馈电缝隙天线的基本模型，是在微带线的接地平面上蚀刻单个缝隙或缝隙阵列作为辐射单元，该缝隙与微带线的带状导体成直角，微带线的电场经微带传播到达缝隙处通过耦合激励该缝隙，向外辐射能量。为了能有效激励缝隙，可采用两种激励方式：带状导体或者穿过介质基板到缝隙边缘并短路，如图2.7所示，或者该带状导体终止于～个远离缝隙边缘的开路短线，如图2.7所示，在缝隙外边缘实现了一个有效短路。

(a)(b)

图2.7 微带模型

3.微带天线的辐射机理

微带天线的辐射是通过金属贴片和接地平面之间的场分布来确定的，换句话说，辐射可以由会属贴片上的表面电流分布来描述。由于贴片的场分布或电流分布的精确计算非常复杂，因此一般采用简单的近似理论来建立一个微带天线的工作模型。下面简单介绍一种分析方法：

假设微带天线贴片己接通微波信号，贴片的信号将在上、下表面以及地平面上建立一个电荷分布。由于贴片振荡在主模时大约为半波长，从而引起和特性的电荷分布，这样贴片下表面电荷之间的排斥力将一些电荷从下表面沿其边缘推到其上表面。这种电荷运动在贴片的下表面和上表面产生了相应的电流密度

jb和ji，如图2.8所示：

图2.8 微带天线上的电荷分布和电流分布

对于多数微带天线而言，h/w比值很小，因此电荷间的引力占主导地位。而且多数电荷和电流仍然在贴片的下层，只有少量的电流围绕贴片边缘流到上表面，产生一个与边缘正切的弱磁场。因此，我们可以作一个简单的近似：即正切磁场为0，让磁壁围绕贴片的四周。这种假设对于高r的薄介质基片来说是成立的。由于使用的基片厚度与介质中的波长相比很薄(h)，因此沿厚度的场可以认为是恒定的，电场几乎与贴片表面垂直。这样贴片可以近似为如下模型：顶部和底部有电场壁，沿4个矩形贴片边缘有磁场壁的一个空腔。在这种空腔中，只可能存在TM模式，图2.9所示为空腔模式的电场分布。腔体的4个侧壁代表4个窄孔径或裂缝，通过它们产生辐射。根据惠更斯(Huygens)场等效原理，微带贴片用上表面的等效电流密度j来表示，4个裂缝用等效电流密度j和磁流密度Ms表示，其对应电磁场分别为Ha和Ea，等效电流如图2.10(a)所示

图2.9 微带腔中TM10模式的电场分布

对于薄基片，顶部贴片电流jr远远小于底部贴片电流

jb，因此贴片电流的辐射可以忽略不计。类似地，沿贴片边缘的正切磁场和相应的电流密度上也可忽略不计，如图2.10(b)所示。根据镜像理论可知，地平面的存在将使等效电流密度加倍。因此，贴片的辐射可以看作是沿外围的4条磁电流在自由空间辐射而产生的，如图2.10(c)所示。

(a)

(b)

(c)

图2.10 矩形微带天线上的等效电流密度

(a)

(b)

图2.11 辐射裂缝上的电流分布

裂缝的等效磁流密度如图2.11所示。利用等效原理，每个裂缝的辐射场与电流密度为Ms的磁偶极子相同。由于裂缝上的电流大小相等、方向相反，因此沿x轴分布的裂缝产生的辐射几乎为0。但沿Y轴的裂缝却构成了一个两单元的阵列，其电流密度的幅度相等且相位相同，相隔距离为贴片长度L。因此，贴片辐射等效为两个垂直裂缝的辐射。其它微带天线结构也可以用类似的方法通过等效裂缝来分析。

参考文献

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第五篇：微带贴片天线

实验三

微带贴片天线

姓名：吕秀品

专业：通信工程

学号：2011117051

一、实验目的

1.了解天线的基本功能及其基本的特性参数;

2.掌握矩形微带贴片天线的原理，设计及分析方法;

二、实验内容

1.根据指标要求，设计矩形微带贴片天线;

2.使用CST软件对设计的矩形微带贴片天线进行仿真分析;

三、实验器材

1.计算机;

2.CST2011软件

四、实验原理

设计为带天线的第一步就是选择合适的介质基片，举行为带天线可以视作一段等于/2的低阻抗微带传输线，它的辐射场被认为是由传输线两端开路处的缝隙所形成的，因此，举行为带天线可以等效成长W，宽H，间距L的二元缝隙天线阵。

如果天线采用微带线馈电方式，则其输入导纳：

Y(z)=in2Gcos(z)2，期中，z为馈电点到辐射贴片边缘拐角处的距离，为介质中的相位常数，G是辐射电导，可见选择不同的馈电点位置可以获得不同的输入阻抗

如果采用同轴馈电方式，则输入阻抗：

Z=in1inYY=

11+j

XL,同样可见，移动同轴线馈电点位置，可使输入阻抗改变，从而获得阻抗匹配。

方向性系数：D=8I(w2)

五、实验步骤

1.按要求设置天线参数，定义变量; 2.创建介质基板; 3.创建金属底板; 4.创建辐射贴片;

5.创建1/4波长阻抗变换器; 6.创建微带线;

7.分析结果并优化处理;

六、实验结果

1.微带贴片天线模型

2.设置端口后的微带贴片天线

3.S11参数曲线

4.优化后的S参数曲线

5.2-Dport电场

6.2-Dport磁场

7.天线三维方向