实验报告课程名称：天线技术院系：电子于信息工程学院班级：姓名：学号：指导教师：授课教师：试验时间：2012年6月演示实验一超宽带天线的测试一、实验目的1、了解超宽带天线的概念及特点2、了解现代天线测试系统的组成3、了解现代天线测试仪器设备及其使用方法4、了解超宽带天线的测试方法二、实验原理超宽带天线是一种具有极宽阻抗带宽的天线，其比带宽一般可以达到2：1 以上，现代超宽带天线的阻抗带宽可以达到30：1 以上，可以覆盖多个波段，能够实现传统的多个天线的功能，所以受到了研究者的广泛关注。
超宽带天线不仅需要具有极宽的阻抗带宽，即它的阻抗要在极宽的频带内保持在一个范围内，还需要具有极宽的方向图带宽、增益带宽以及极化带宽。
现代的超宽带天线还需要具有稳定的相位中心，即可以不失真地辐射时域脉冲信号。
根据以上对超宽带天线的要求，可以结合所学习的天线原理进行如下天线测试的内容：（1）天线阻抗带宽的测试：测试天线的反射系数（S11），需要用到公式（1-1）：根据公式（1-1），只要测试出来的|Γ|值低于某个特定的值，就可以说明在此条件下天线的阻抗Z A 接近于所要求的阻抗Z0（匹配），在天线工程上，Z0 通常被规定为75Ω 或者50Ω，本实验中取Z0=50Ω。
天线工程中通常使用电压驻波比（VSWR）ρ 以及回波损耗（Return Loss，RL）来描述天线的阻抗特性，它们和|Γ|的关系可以用公式（1-2）和（1-3）描述：对于不同要求的天线，对阻抗匹配的要求也不一样，该要求列于表1-1 中。
（2）主极化方向图的测试方向图的测试需要测试天线在阻抗带宽内的各个频点的远场的方向图，一般最少要测试3 个频点，即下限频点f1、上限频点f2 和中心频点f0，对于更宽的频带，要根据具体情况多测试一些频点的方向图，以便全面了解天线的参数。
在工程上，一般不需要远场的三维方向图，而只需要测试两个主平面的方向图曲线，对于线极化天线来说，这两个主平面为E 面和H 面。
因此，在天线测试前，还需要判断天线的极化方式。
在满足天线测试的极化匹配和阻抗匹配的条件下，所测试的方向图为单一频点的功率方向图，所依据的原理为公式（1-4）：在不同角度θ 的时候，接收天线接收的功率与自身的功率方向性函数P(θ)有关，因此将待测天线作为接收天线放置在一个可以接收到单一方向传播的均匀平面波的区域，并且绕自身轴线转动一周，这样不同角度θ 处就可以接收到不同大小的功率，据此天线的功率方向图就可以绘制出来。
以上的测试方法涉及到了以下的条件：①天线可以接收到单一方向传播的均匀平面波的区域，这需要一个无外界干扰的模拟自由空间的环境，还需要一个均匀平面波的发射源；②天线可以绕着自身轴线转动，这需要一个转台；③天线的接收功率可以测试，这需要一个功率计。
上述三条的解决方法是：①无外界干扰的模拟自由空间的环境：在微波暗室内测试，微波暗室的工作频带需要符合天线测试所需要的频率范围，微波暗室的大小需要满足天线工作的远场条件，这个远场条件需要用公式（1-5）进行判定。
式中：d min 是最小测试距离，λ 是工作波长，D t 是发射天线的口径最大尺寸，D r 是待测天线（接收天线）的口径最大尺寸。
②将天线安装在一个可以进行360°转动的转台上，转台的转动参数要满足所需要的测试精度。
③发射源和接收装置可以共用一个网络分析仪，因为发射天线（输入端可视为端口1）和接收天线（输入端可视为端口2）合起来组成了一个二端口网络，对于这个二端口网络来说，|S21|即为1 端口发射时，2 端口接收所得到传输系数，天线的不同的方向所得到的|S21|也是不同的。
因此，根据所得到的|S21|也可以得到天线的功率方向图。
所测试的方向图曲线均需要进行归一化处理。
（3）交叉极化方向图的测试在主极化的方向图测试完毕后，需要测试交叉极化的方向图，此时要将天线的极化状态与发射天线的极化状态正交，然后测试天线方向图，这样可以得到天线的交叉极化电平，交叉极化电平根据公式（1-6）进行计算。
交叉极化方向图一般与主极化方向图绘制在一个坐标系中，并且要相对于主极化方向图绘制。
(4)增益的测试本实验的增益测试使用的是比较法。
将接收天线的最大辐射方向和发射天线对准，保证极化匹配和阻抗匹配时，测试此时的|S21|，记录为|S21|X，然后用标准增益天线（通常为喇叭天线）重复上述测试，记录的值为|S21|S，然后按照公式（1-7）（或者公式1-8）进行增益计算。
三、实验步骤（1）驻波系数的测试环境：微波暗室设备：Agilent E8363B 型矢量网络分析仪、固定天线夹具操作步骤：①打开矢量网络分析仪，选择导入全波段校准数据，界面选择测试S11，显示格式为SWR，显示比例为每纵格0.5，将起始频率和终止频率设置为1GHz 和16GHz，并设置频点f1=3.1GHz、f2=10.6GHz、f0=6.85GHz，此时矢网的输出功率电平应保持默认值（-17dBm）。
②将天线装入固定夹具，然后将网络分析仪的Port A 端口与天线馈电端口相连，将天线辐射体置于远离周围障碍物的地方（超过50cm），测试此时的驻波系数，重点观察f1、f2 和f0 频点的驻波系数，并记录到表I-1 中。
③设置Mark，观察天线在3.1-10.6GHz 频带范围内驻波系数的最大值和最小值，并记录到表I-1 中。
④观察天线的驻波系数低于2.0 时的下限频率和上限频率，记录到表I-1 中。
⑤晃动天线，观察此时矢网屏幕的驻波系数曲线的变化。
（2）主极化方向图的测试环境：微波暗室设备：Agilent E8363B 型矢量网络分析仪、固定天线夹具、10 米低损耗电缆两根、1米低损耗电缆一根、工控机（含天线测试系统软件）、GPIB 线、串口线、天线测试转台、发射天线及专用支架、天线测试专用夹具、低噪声放大器（选件）。
工具：激光笔①将天线安装至固定天线夹具上，然后将天线按照垂直极化的方式安装在转台上，安装时需保证天线辐射体中心的铅垂投影线通过转台中心的偏差在3cm 以内（用激光笔测试），保证天线垂直极化；②将一根10m 低耗电缆的一端连接在天线的馈电端口上，另一端连接低噪声放大器的输入口上，然后用1m 低耗电缆将低噪声放大器的输出口与矢量网络分析仪的PORT B 端口相连接（若无低噪放则将10m 电缆的另一端通过1m 低耗电缆与矢量网络分析仪的PORT B 端口相连接）；③将与发射天线相连接的另一根10m 低耗电缆的与矢量网络分析仪的PORT A 端口向连接；④调整发射天线的高度、极化，使发射天线为垂直极化，口面中心与待测天线辐射体中心同一高度，用激光笔测试偏差不超过5cm；⑤将工控机与矢量网络分析仪通过GPIB 线连接在一起，开启计算机，进入到天线测试系统软件界面，点“初始化”键，然后进行测试频点设置，分别设置频点3 个：f1=3.1GHz、f2=10.6GHz、f0=6.85GHz。
⑥进行天线方向图的自动测试，转台水平旋转一周，计算机自动根据采集的数据输出待测频点方向图，做好存档，此时测得的为天线H 面方向图；⑦更换夹具，将天线按照水平极化的方式安装在转台上，安装时需保证天线辐射体中心的铅垂投影线通过转台中心的偏差在3cm 以内（用激光笔测试），保证天线水平极化；⑧调整发射天线的高度、极化，使发射天线为水平极化，口面中心与待测天线振子中心同一高度，用激光笔测试偏差不超过5cm；⑨按照步骤⑤、⑥进行测试，做好计算机输出方向图的存档，此时测得的为天线E 面方向图；⑩继续其余频点的测试，根据存档的E 面和H 面方向图，观察记录如下内容，并记录到表I-2 中。
（a）峰值电平及角度坐标；（b）主瓣宽度；（c）方向图的起伏程度（不圆度或者零值深度）（d）第一副瓣电平（3）交叉极化方向图的测试与（2）类似，只是将（2）中安装天线时收发天线两者极化方式相同安装修改为正交安装即可，涉及的操作步骤为①、④、⑦、⑧。
记录到表I-3 的内容为：（a）峰值电平；（b）与主极化方向图相比，两者电平相差的最大值和最小值，包括最值出现的角度坐标。
（4）增益测试环境：微波暗室设备：Agilent E8363B 型矢量网络分析仪、固定天线夹具、10 米低损耗电缆两根、1米低损耗电缆一根、工控机（含天线测试系统软件）、GPIB 线、串口线、标准喇叭天线、天线测试转台、发射天线及专用支架。
工具：激光笔①将天线安装至固定天线夹具上，然后将天线按照垂直极化的方式安装在转台上，安装时需保证天线辐射体中心的铅垂投影线通过转台中心的偏差在3cm 以内（用激光笔测试），保证天线垂直极化；②将一根10m 低耗电缆的一端连接在天线的馈电端口上，另一端连接在矢量网络分析仪的PORT B 端口上；③将与发射天线相连接的另一根10m 低耗电缆的与矢量网络分析仪的PORT A 端口向连接；④调整发射天线的高度、极化，使发射天线为垂直极化，口面中心与待测天线辐射体中心同一高度，用激光笔测试偏差不超过5cm；⑤调整待测天线与发射天线的最大辐射方向，让两个天线的最大辐射方向正对，具体地，调试发射天线转台，使方位角为0º，然后，使待测天线的辐射体与发射天线正对，此处需要参考（2）-⑩-（a）记录的峰值电平及角度坐标值；⑥开启网仪，界面选择测试S21，显示格式为Log，显示比例为每纵格10dB，参考电平设置为-50dB，将起始频率和终止频率设置为1GHz 和16GHz，并设置频点f1=3.1GHz、f2=10.6GHz、f0=6.85GHz，，此时矢网的输出功率电平设置为+3dBm。
⑦记录此时矢量网络分析仪的数据，具体地，就是3 个频点对应的|S21|值，记录为|S21|xi （i=0，1，2）；此时可适当地调整待测天线转台的方位角，直至各频点对应的|S21|值最大，开始记录；⑧取下待测天线，将标准天线保持垂直极化状态，安装到测试夹具上，使口面与发射天线正对，口面中心与发射天线口面中心同一高度（用激光笔测试偏差不超过5cm）；⑨仿照步骤⑦记录此时矢量网络分析仪的数据，具体地，就是3 个频点对应的|S21|值，记录为|S21|xi （i=0，1，2）；此时可适当地调整待测天线转台的方位角，直至各频点对应的|S21|值最大，开始记录；⑩将记录的数据按照如下公式进行计算，求出待测天线在频点f i 处的增益：G xi（dB）=G si（dB）-|S21|si（dB）+|S21|xi（dB）（i=0，1，2），G si（dB）是标准天线增益，可以查表求得。
记录及计算所得的数据均要存档备查（表I-4）。
四、实验记录3.1GHz 3.2GHz8GHz 8.2GHz8.4GHz线极化超宽带天线的H面方向图3.2GHz 3.5GHz5.0GHz 5.2GHz8GHz 8.2GHz8.4GHz线极化超宽带天线的E面方向图五、实验结论通过实验测试图可看出，此款线极化超宽带天线为全向辐射天线，H面辐射为圆形方向图（在任何辐射方向上归一化的辐射强度均大于-3dB），E面辐射为8字形方向图。