天线特性测量实验一、偶极子天线特性实验【实验目的】1、理解半波偶极子天线的基本功能2、测量半波偶极子天线E面的辐射模式3、测量半波偶极子天线H面的辐射模式【实验原理】图1所示的是半波偶极子天线的结构模型和电流分布图。

在图a中，总长度是半个波长，b中，电流的分布为在馈点值为最大，在两端点值为0。

半波偶极子天线是一种谐振天线，它的输入阻抗为70+j0Ω。

半波偶极子天线的辐射电阻为70Ω与输入阻抗中的电抗大小一样。

通过调整天线的长度可以使输入阻抗变成纯电阻。

下面的公式将解释长度为λ/2的一个半波偶极子天线的电流。

电流流过Z轴，电流的分布由下面的公式（1）进行计算。

在方程（1）中，馈点的电流大小为10，端点的大小为0。

电流引起的辐射电场由以下公式进行计算波函数从公式2到下面的公式3中功率的计算公式如下根据公式4可绘出下面的2辐射图。

电流从南边流向北，沿着着Z轴的正方向。

在这个图中，最大辐射发生在θ=±90°的方向上，而在θ=0°,180°的方向上没有辐射。

在试验中使用的半波偶极子天线为914.5125MHz和2.45GHz，其波长大小如下频率：914.5125GHz波长:λ=c/f=3×108/9.15×109=328.04mm半波长:λ/2=164.02mm频率：2.45GHz波长:λ=c/f=3×108/2.45×109=122.45mm半波长:λ/2=61.22mm为了将天线的输入阻抗中电抗部分去掉，根据公式，我们只需使天线的长度稍短于半个波长即可。

这个比率称为天线的缩短比例，根据相对绝缘比例，波长的缩减比例大小如下所示：在这个公式中，λ0代表在开阔场地的波长大小，λeff 代表有效波长。

这个实验中使用的半波偶极子天线就是印刷在一个绝缘板上的。

图3所示的是对测量的辐射面的定义。

这里方便地命名为E面和H面是为了更好的理解，实际的辐射面则在笛卡尔坐标系中定义。

图a在笛卡尔坐标系中的定义，粗的黑线画出的偶极子天线。

图b所示的是当φ=00、θ从00到1800旋转时，在xz面测得的正面辐射图。

测量结果显示在θ=900时辐射最大，在θ=00或θ=1800时辐射最小。

图C显示在xz面上当角固定在θ=900、φ角从00旋转到3600时辐射模式的测量结果。

测量结果显示当φ角为任意角时的全方向性特性。

【实验仪器】微波天线实验系统：主机分别连接发射天线、接收天线和电脑。

主机采用微控制器通过电脑采用步进电机控制接收天线的转动，同时采集接收天线的数据，从而绘制和分析天线辐射图、测量各种天线的特性、研究和设计天线、研究移动通信传输特性、移动通信传输环境影响研究等内容。

【实验步骤】一、E面辐射的测量1、分别在发射天线支架的一边和接收天线支架的顶端放置天线，保持发射天线和接收天线互相平行、正对，间距为1到2M之间；2、选择频率为2.45GHz，点击CAL图标。

选择并记录一个AGC刻度值。

选择的这个值略小于最大的辐射值－10【dBm】，按自动方式测量E面辐射方向图。

3、记录按自动方式测量的辐射的方向图；记录天线平行极化，垂直极化以及自旋时的方向图。

4、记录最大功率的角度，低于最大功率的左边和右边半功率－3【dB】的角度大小；计算半功率波瓣宽度（左边和右边半功率点的角度不同）。

（1）平行极化图4 E面平行极化的方向图由表可知，10.8度时有最大辐射功率-11.3dBm，对应左右半功率的角度分别为323.1度和52.2度，半功率波瓣宽度为36.9+52.2=89.1度。

其方向系数计算公式为MAXavePDP=（-11.3）/((-14.3-14.5)*0.5)=0.785以下为平行极化时不是十分精确的方向图图5 E面平行极化有误差的方向图（2）垂直极化图6 E面垂直极化时的方向图由表可知，60.3度时有最大辐射功率-23.1dBm，对应左右半功率的角度分别为45度和80.1度，半功率波瓣宽度为80.1-45=35.1度。

其方向系数计算公式为MAXavePDP=（-23.1）/((-26.2-25.8)*0.5)=0.888以下为垂直极化时不是十分准确的图图7 E面垂直极化时不精确的方向图（3）自旋图8 E 面自旋时的方向图 辐射角度与辐射功率数据记录如下表度，半功率波瓣宽度为205-128=77度。

其方向系数计算公式为MAXaveP DP=（-16.6）/((-19.7-19.5)*0.5)=0.847 以下为自旋时不是十分准确的图图9 E 面自旋时不精确的方向图 (4)分析与讨论由实验可得，电场的辐射强度大，E 面辐的三种模式都可以有较强的反应，三种模式分别为平行极化、垂直极化、自旋。

而由我们的实验结果可知，在误差允许的范围之内，实验结果还算比较可靠。

但是由于我们在最后打开各个实验保存记录时，使用的是914MHz 这一频率，可能会导致图像有一定的变化。

二、H面辐射的测量将发射天线向上旋转90度来得到垂直极化波，保持接收天线位置不变，测量接收波的大小，记录接收数据的最大值；记录按自动方式测量914MHz和2.45GHz时辐射的方向图；并分析与讨论在这两个频率下H面辐射的异同。

（1）频率为914MHz图10 H面914MHz时的方向图由表可知，66.6度时有最大辐射功率-39.3dBm，对应左右半功率的角度分别为52,2度和82.8度，半功率波瓣宽度为82.8-52.2=30.6度。

其方向系数计算公式为MAXavePDP=（-39.3）/((-42.2-42.2)*0.5)=0.931（2）以下为914MHz时不是十分准确的图图11 H面914MHz不精确的方向图（3）频率为2.45GHz图12 H 面2,45GHz 时的方向图由表可知，351度时有最大辐射功率-19.4dBm ，对应左右半功率的角度分别为313度和32.4度，半功率波瓣宽度为47+32.4=79.4度。

其方向系数计算公式为MAXaveP D P=（-19.4）/((-22.3-22.3)*0.5)=0.0.870以下为2.45GHz 时不是十分准确的图图13 H 面2,45GHz 时不精确的方向图 （4）分析与讨论H 面辐射时，在低频情况下，辐射方向图接近于一个圆，而在高频时辐射方向图与E 面自旋辐射方向图很类似。

由于磁场十分微弱，因此在低频时辐射表现不明显，而在高频时，辐射增强，变得比较可观。

同样，在实验时由于我们打开保存文件时使用的是914MHz ，因此高频2.45GHz 的图像可能有所影响。

【误差分析】1、在最后打开保存记录时由于不注意，使用的是低频914MHz，因此，高频的图像可能会有所改变，但大体趋势应该一样。

2、由于实验器材十分敏感，而实验室或多或少有一些电磁辐射，会产生干扰，使得实验结果不是十分准确。

二、相位延迟实验实验时间：11月2号【目标】1、理解电磁波的相位延迟特性2、测量相位延迟波形3、测量相位延迟衰落【实验原理】一、路径差异引起的场强波动在移动射频电波环境条件下，接收器是可以到处移动的。

在这种条件下，接收点的电功率强度或者电场强度与传播距离和花费的时间成比例的波动，这被称之为衰落。

说得简单一些，我们假设发射点固定而接收点沿某路径运动。

接收功率的衰落与很多不同因素有关，其中最重要的因素是因为电磁波到达的路径不同，我们称之为为多径。

图1显示了由一个直射路径和一个反射路径组成的多径。

一旦发射和接收天线的增益G t和G r，以及发送功率已知，则接收功率P r为：其中，其中，η=377Ω，k=2π/λ[1/m]，w[rad/sec]为角频率。

N是到达接受点的路径数量。

X i 是第i条路径的距离。

Γi表示了第i条路径上到达接收器之前被物体反射后的反射系数。

等式（1）说明天线处在阻抗匹配和激化匹配条件下。

1、相位变化：假设有且仅有两路电磁波，一路未直射路径（E1 ）传播距离为x，另一路未反射路径（E2 ）传播距离为（X+ X0 ）。

因为（E2）比（E1 ）多走了X0，并且两路电磁波有相同的幅度，因此它们之间只有幅度不同。

利用等式（1）以及上述假设，可知总场E tot 为：三角函数的和为：将它应用到（2）式可知，其中φ=φ0/2且φ0=-Kx0是因为两路电磁波走不同的路径而引起的。

图2描述了公式（4）表现的相位矢量图。

图2说明了电磁波之间的大小和相位关系。

其中用直射波作为参考来表示反射波和总的波。

这幅图说明了当两组波之间没有相位变化的时候，总的波保持一定的振幅不变。

这保证了以时间按照正弦曲线变化。

以下是当反射波幅度变化而直射和反射波间的相位保持不变时，总的波的表达式。

其中，a是范围在0<a<1之间，表示以直射波为参考的幅度值。

图3 说明了公式（5）的相位矢量图含义：2、利萨如图利萨如图是分别把两路不同的电磁波应用到纵横两坐标轴上观察到的波形。

从利萨如图中我们可以得到幅度和相位延迟的信息。

下面是一种得到利萨如图的简单方法。

在公式（5）中，代入x=0,a=1和φ0=-Kx0=90o得到：使公式（6）中X=E0cosω t, Y=E0sinωt可以得到一个圆心在（0，0）半径为E0的圆。

圆周上的某一点，随着时间的前进，绕圆周运动，如图4。

这就是利萨如图。

二、实验过程1、测量在914MHz下的利萨如图，从0度到180度，每隔10度一次测量。

0度10度20度30度40度50度60度70度80度90度100度110度120度140度150度170度180度分析与讨论由这一系列图像可知，利萨如图在180度内从一条向右倾斜的直线逐渐变为一个正圆，然后再变为一条向左倾斜的直线，而我们通过观察它的相位延迟图像Path1 Sig（图中右方中间的波形图）的变化，可知相位延迟的起始波是一个正弦波，随着角度的增加，相位一直在发生延迟，延迟了二分之一个周期，也即发生了半波损失。

其直射波和相位延迟反射波的的合成波的幅值随着角度的增加而降低，在180度时变成了一条直线。

实时接收到的功率值，衰落波随着角度的增加而降低，但其中有几个角度会变大，而直射波的功率值的变化趋势和衰落波的相同。

2、测量在2.45GHz下的利萨如图，从0度到180度，每隔10度一次测量。

0度10度20度30度40度50度60度70度80度90度100度110度120度130度140度150度160度170度180度分析与讨论由这一系列图像可知，利萨如图在180度内从一条向右倾斜的直线逐渐变为一个正圆，然后再变为一条向左倾斜的直线，而我们通过观察它的相位延迟图像Path1 Sig（图中右方中间的波形图）的变化，可知相位延迟的起始是一个正弦波，随着角度的增加，相位一直在发生延迟，延迟了二分之一个周期，也即发生了半波损失。