天线增益测量

编辑:戎装网互动百科 时间:2020-06-04 09:51:12
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一般把测量天线增益的方法分成相对增益测量和绝对增益测量两类。就具体测量方法而言,又可分为比较法、两相同天线法、三天线法、波束宽度法、方向图积分法、射电源法等。
用什么方法确定天线增益在很大程度上取决于天线的工作频率。例如,对工作在1GHz频段以上的天线,常用自由空间测试场地,把喇叭作为标准增益天线,用比较法测量天线增益。对工作在(0.1~1)GHz频段上的天线,由于很难或者无法模拟自由空间测试条件,故此时常用地面反射测试场确定天线的增益。对飞行器(飞机、导弹、卫星、火箭等)天线,由于飞行器往往是天线辐射体的一部分,在此情况下多采用模型天线理论。按照天线模型理论,除要求按比例选择天线的电尺寸、几何形状及它的工作环境外,还必须按比例改变天线和飞行器导体的电导率,而后者在实际中却无法实现,故一般只用模型天线模拟实际天线的方向图,再由实测方向图用方向图积分法确定实际天线的方向增益。如果能用其他方法确定天线的效率,把方向增益与效率相乘就得到了实际天线的功率增益。对工作频率低于0.1GHz的天线,由于地面对天线的电性能有明显的影响,加之工作在该频段上定向天线的尺寸又很大,所以只能在原地测量它的增益。对工作频率低于1MHz的天线,一般不测量天线增益,只测量天线辐射地波的场强。
中文名
天线增益测量
外文名
Antenna gain measurement
应用学科
通信

天线增益测量比较法

比较法测量天线增益的实质就是将待测天线的增益与已知天线的标准增益进行比较而得出待测天线的增益。由天线互易原理可知,可以把待测天线用作接收,也可用作发射。该法所用的增益标准天线是天线增益测量的主要误差源,必须谨慎选择,认真标校。

天线增益测量1.1测量条件

要想精确地进行天线增益的测量,须满足以下测量条件:
(1)满足远场条件
被测天线与源天线之间测量距离应满足相应条件。
(2)合理地利用地形地物,设计和选择实用于待测天线的测试场地
对于工作频率低于1GHz的宽波束天线,在无法或很难消除地面反射的情况下,常用地面反射测试场地来校准低频中等天线的增益。
被测天线应安装于场强基本均匀的区域内,场强应预先用一个偶极天线在被测天线的有效天线体积内进行检测,如果电场变化超过1.5dB,则认为试验场是不可用的。此外,增益基准天线在两个正交极化面上测得的场强差值应小于1dB。
(3)关于天线的架设高度
调整天线的架设高度,使直射波和反射波同相到达接收天线处。
为保证接收天线孔径垂直面场振幅分布的不均匀性小于0.25dB,且接收天线与它在地面上镜像天线间的互耦低于40dB,为此必须按照下述原则确定接收天线的架设高度
hr,...4D (6.2.2)
hr....4λ (6.2.3)
式中:D——接收天线口径尺寸,m;
λ——工作波长,m。

天线增益测量1.2测试系统

比较法测量天线增益的原理方框图如图1所示。实际上和天线方向图的测量系统基本相同。只不过在测量天线增益时,在靠近待测天线的旁边要放置一个标准增益天线。
图1比较法测量增益原理方框图

天线增益测量1.3测试步骤

(1)线极化天线增益的测试步骤
①按图1连接测试系统,仪器设备加电预热;
②正确设置信号源、频谱仪或矢量网络分析仪的各参数,如频率、功率、带宽、扫描时间等;信号源发射一连续单载波信号,调整源天线极化与待测天线极化匹配,并使源天线瞄准待测天线;
③驱动待测天线与源天线对准,此时频谱仪接收的信号功率电平最大,记录频谱仪测试的信号功率电平为Px;
④标准天线安装在一可匀速运动的升降装置上,尽量靠近待测天线,以减少由测试距离引起的测试误差;
⑤将标准天线升到待测天线口面中心的位置,并将射频电缆从待测天线转接到标准天线上,调整标准天线与源天线对准,且极化匹配;
⑥驱动升降装置在待测天线口面上下运动,由频谱仪测试地面反射曲线,确定地面反射曲线的极大值和极小值的算术平均值,记为Ps;
⑦计算待测天线增益:
G=GS+(Px-PS) (6.2.6)
式中:
G——待测天线增益,dBi;
GS——标准天线增益,dBi;
Px——待测天线接收的信号功率电平,dBm;
PS——标准天线接收的信号功率电平,dBm。
(2)圆极化天线增益的测试步骤
①按图6.2.1连接测试系统,加电预热使仪器设备工作正常;
②按产品规范的规定设置信号源的工作频率,信号源发射一连续的单载波信号,调整源天线与待测天线对准,旋转源天线极化,记录待测天线长轴方向接收的信号功率电平为Px;
③驱动待测天线的方位和俯仰,使待测天线与源天线对准,旋转源天线极化一周,测试待测天线轴比,记为AR;
④将标准天线升到待测天线口面中心的位置,把待测天线的信号传输电缆接到标准天线上,并调整标准天线与源天线对准,且极化匹配;
⑤驱动升降装置在待测天线口面上下运动,由频谱仪测试地面反射曲线,确定地面反射曲线的极大值和极小值的算术平均值,记为Ps;
⑥计算待测天线增益;
G=GS+Px-PS+K (6.2.7)
(6.2.8)
式中:
K—轴比修正因子,dB;
AR—待测天线轴比,dB。

天线增益测量两相同天线法

天线增益测量2.1测量原理和方法

两相同天线法测试原理方框图与图1相同。
假定两天线AB的极化和阻抗均匹配,且满足远区条件,由传输公式得
Pt=(λ/4πR)2P0GAGB (6.2.9)
把式(6.2.10)用dB表示
GA(dB)+GB(dB)=20lg(4πR/λ)-10lg(P0/Pr) (6.2.10)
假定AB天线完全相同,即GA=GB=G
则 G(dB)= 1/2[20lg(4πR/λ)-10lg(P0/Pr)] (6.2.11)
考虑到收发链路的馈线损耗,并令其总损耗为Ltr,信号源输出功率为Pt,源天线输入功率P0,则为:P0=Pt-Ltr
将式(6.2.13)展开,得:G(dB)=[Ld-(P0-Pr)]/2 (6.2.12)
举例:P0=0dBm,Ld=80dB,Pr=-40dBm
G(dB)=[80-(0+40)]/2=20dBi
可见,只要测出了功率比P0/Pr、距离R和波长λ,就能计算出待测天线的增益。为了消除由于加工引起的测量误差,可把收发天线互换,另测一遍,取平均值。

天线增益测量2.2测量方法步骤

①在规定频段分别测试收发馈线、源天线、待测天线、信号源及接收机(频谱仪或矢网)等系统配置的所有器件的电压驻波比,尽量使收发各链路良好匹配;
②收发馈线短接,对应工作频点测试其损耗值,并记录测试结果;
③连接源天线和待测天线,调整两天线极化状态相同,同时调整收发天线的方位俯仰,使两天线轴向对准;
④在规定频段至少测试低、中、高三个频点;
⑤数据处理,按式(6.2.12)计算待测天线增益。

天线增益测量三天线法

天线增益测量3.1测量原理

两天线法的缺点是要求两天线必须完全相同,如果没有两个完全相同的天线,可以采用三天线法。设三个天线的增益分别为GA、GB和GC,把它们按两相同天线法两两组合,就能得出下面三组方程
GA(dB)+GB(dB)=20lg(4πRAB/λ)-10lg(P0/Pr)AB (6.2.13)
GB(dB)+GC(dB)=20lg (4πRBC/λ)-10lg(P0/Pr)BC(6.2.14)
GC(dB)+GA(dB)=20lg (4πRCA/λ)-10lg(P0/Pr)CA(6.2.15)
联立求解上面三组方程,就能求出每个天线的增益。在保证测量距离相同的情况下(即RAB=RBC=RCA=R),其值分别为
GA(dB)=[Lt-Pt+(Prab+Prac-Prbc)] (6.2.16)
GB(dB)=[Lt-Pt+(Prbc+Prab-Prac)] (6.2.17)
GC(dB)=[Lt-Pt+(Prbc+Prac-Prab)] (6.2.18)
式中:Lt=Ld+Lct+Lcr
其中:
Ld=自由空间损耗;Lct=发射支路馈线损耗;Lcr=接收支路馈线损耗。

天线增益测量3.2举例测试

(1)A、B、C三个天线,按如下组合分别测试:
①A发B收;②B发C收③C发A收
(2)三个天线增益理论值:GA=13dBi,GB=7dBi,GC=2.5dBi
(3)f=960MHz,P0=5dBm,d=8m,Ld=50dB
(4)测试数据
①Prab=-25.2dBm
②Prac=-29.3dBm
③Prbc=-35.2dBm
(5)数据处理结果
将测试数据代入式(6.2.19)、式(6.2.20)及式(6.2.21)得:
测量结果偏离设计值
GA=12.85dBiΔ=-0.05dB
GB=6.95dBi Δ=-0.05dB
GC=2.85dBi Δ=+0.35dB

天线增益测量波束宽度法

天线增益测量4.1测量原理与方法

波束宽度法是通过测量天线方向图的E/H面半功率波束宽度即3dB点的波束宽度及10dB波束宽、天线表面精度和馈源插入损耗,从而计算天线增益的方法。

天线增益测量方向图积分法

由式可知,利用实际测量的方向图,借助计算机软件,利用幸卜森积分法或梯形法求出式(6.2.25)的积分,即可得到天线的方向性增益。实际工程测量中,通常测量天线方位和俯仰方向图,因此可得到天线方位和俯仰方向性增益,求出两者的平均值即为天线的方向性增益。为了确定天线增益,必须对测量计算得方向性增益进行修正,即考虑各种损耗因子对天线增益的影响。例如,对于卫星通信天线主要是天线漏失及有限方向图积分区域引起的增益损失(0.15dB)。
支杆遮挡(0.05dB)
轴向交叉极化(0.05dB)
失配和馈源网络折入损耗(0.3dB)
考虑各种增益损耗因子,则方向图积分法确定天线增益的公式为:
(6.2.25)
式中
为总损耗因子,对于卫星通信天线约为±0.3dB。
测试步骤:
(1)按照第1节叙述的方向图测量方法测量天线方向图;
(2)由实测天线方向图,利用计算机采集测量数据,建立数据文件,由测试软件计算天线方向性增益;
(3)由计算的方向性增益,减去总损耗因子,即得天线增益。

天线增益测量射电源法

天线增益测量6.1用于天线测量的射电源应具备的条件

众所周知,许多天体,如太阳、月亮和行星等除发射可见光之外,还发射不同波长的电磁波,其波长范围从1mm到20m。因此,射电源是理想的宽带射频信号源,工作频率处于上述射电磁频段的天线,原则上均有可能用天体源进行天线辐射特性的测试。但用射电源测量天线时,应满足下列条件:
①射电源在天空的位置应精确知道;
②射电源的尺寸必须很小,好似一个点源;
③在测试频段内,射电源的绝对通量密度及随时间的变化规律需精确知道;
④射电源应具有尽可能大的能量密度,以便得到大的动态范围。

天线增益测量6.2用太阳源测量50m天线增益

(1)系统组成及工作原理
图2为太阳源法测量天线增益的原理方框图,测试系统主要由待测天线、低噪声放大器(LNA)、高灵敏度接收机(频谱分析仪或矢量网络分析仪)、天线伺服控制器、计算机及打印机等组成。
太阳好比是一台信号源,通过待测天线对准或偏离的两种工作状态,测量其通量密度或偏离时冷空的噪声电平,然后采用Y因子法则可测算出天线增益。
图2太阳源法

天线增益测量增益测量误差来源

增益测量的主要误差源是:阻抗失配、极化失配、近场效应、地面反射、仪器测量误差等。
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中国通信学会