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1、第 10章 天線測試技術,10.1 天線測試條件 10.2 方向圖測試技術 10.3 增益測量技術 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，其周圍的場強分布一般都是距離和角坐標的函數。通常, 根據離開天線距離的不同，將天線周圍的場區(qū)劃分為感應場區(qū)（近區(qū)）、輻射遠場區(qū)（遠區(qū)）和輻射近場區(qū)（中區(qū)）。這和電基本振子產生的場區(qū)劃分是一致的。在近區(qū)，感應場占優(yōu)勢，它的外邊界約為一個波長。越過感應場區(qū)就進入中區(qū)了。此區(qū)內場的角分布與距離有關, 天線各單元至觀察點的射線不平行。在各單元對場的貢獻中，其相對相位的相對幅度是離開天線距離的函

2、數。進入遠場區(qū)后，場的角分布與距離無關，即天線各單元至觀察點的射線可以認為是平行線。嚴格地講，只有離天線無窮遠才是天線的遠區(qū)。但在某個距離上，當場的角分布與在無窮遠時場的角分布的誤差在允許范圍內時，就可把該點至無窮遠的區(qū)域稱為天線的遠區(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)天線口面各點距離并不相同。從圖10-2可見，收、發(fā)天線的中心距離r最??；其口徑相對邊緣的距離rmax最大，且,所以，因其距離不同而產生的最大相位差為,(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rD1D2時，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）,對于多數實用的圓口徑天線，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）,當只知道被測天線的口徑尺寸為D1時，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發(fā)射天線中心的張角， 應遠小

4、于發(fā)射波瓣寬度20.5。若采用小口徑發(fā)射天線，這個要求容易實現。否則， 應按發(fā)射天線的實際方向圖來計算，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，由于天線上不同點到發(fā)射天線的距離不等，因此接收天線的各點場強不等，被測天線前后兩端的功率密度比為,其中，r0為收、發(fā)天線中心點之間的距離。根據測試精度，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， 應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 當測試天線輻射特性時，最理想的測試場地是自由空間， 但實際上難以辦到。模擬自由空間的測試場的方法之一是

5、建造電波暗室。它是一個室內每面均覆蓋吸波材料的電磁屏蔽房間。 其房間大小應滿足天線測試場的尺寸要求。例如其長度應大于最小測試距離。吸波材料能吸收投射來的電波而不產生反射， 以便達到模擬自由空間的目的。由于造價等原因，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，以消除周圍物體產生的反射波。對于地面反射的影響，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天線測試場的影響。如圖10-3所示的高架天線法，就采用強方向性天線作發(fā)射天線，并使其第一個零點方向指向反射點。為了

6、進一步消除地面反射波的影響，可在反射點附近設置反射屏，反射屏的存在使反射波偏離被測天線；或者在反射點附近設置電波吸收材料，減少射向被測天線的反射波強度。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，適當調整發(fā)射天線高度，使自由空間方向圖的最大輻射方向對準被測天線中心，零輻射方向對準地面反射點，可使地面反射減至最小。它實質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,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, 被測天線固定不動并作為發(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 旋轉天線法 旋轉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)，可在水平面內繞軸轉動； 輔助天線為發(fā)射狀態(tài)，固定不動。設收、發(fā)天線均為同向線極化或同旋向圓極化，在被測天線步進式繞軸轉動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轉動90，就可測出被測天線的另一個平面的方向圖。,圖 10-5 用旋轉天線法測方向圖,,10.3 增益測量技術,增益測量分為相對增益測量和絕對增益測量。 它們都是

8、以自由空間的功率傳輸公式為基礎，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，無失配損耗時得出的。,10.3.1 用比較法測量天線增益 實際測量時，可按先后次序把被測天線和標準增益天線接到信號源上，并調整它們使之分別與輔助接收天線的最大輻射方向對準，調可變衰減器使接收指示裝置（電表、選放或接收機）有一個合適指示。在兩種狀態(tài)下維持相同的指示電平， 用功率計分別測得被測天線的輸入功率PinX和標準天線的輸入功率PinS。因標準天線增益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，接入標準天線和被測天線的可變衰減器的相應分貝讀數。,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兩個相同天線，其增益為G，設A、B中一個作為發(fā)射天線， 另一個作為接收天線， 收、發(fā)相距r。根據功率傳輸公式（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，但還需要一個尺寸足夠大的良導電金屬板。鏡像法實際上是將雙天線法中的第二副天線視為無限大理想導電平面另一側的鏡像。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，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||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)的應用。在天饋線系統(tǒng)安裝、調試及日常維護時，可進行駐波比（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 (1) 抗干擾能力強， 對測試無限

12、制條件。 較高的干擾信號電平將會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，它在現場測試能夠抑制+13 dBm/+22 dBm 的干擾信號，因此可在無需關閉通信設備的情況下進行現場天線分析。 其測量精確度及再現性高。,(2) 運行速度快, 易于操作。 BIRD設計的現場分析對初學者、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)的細微調整， 具有極快的切換速率和優(yōu)越的測試能力，運行速度快。即使是沒有經驗的技工也可以掌握。,(3) 快速識別細小的問題， 防患于未然。 其優(yōu)點還包括： 60 dB的高動態(tài)范圍保證了細小故障的定位。 高分辨率的

13、標記讀出駐波比數據， 與昂貴的實驗室設備具有相同的精度。 使用該儀器可對現存的測量數據進行轉換， 利用PC機進行分析。 可進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)范的報告。 該現場分析儀自帶分析和報告功能，可無限制查詢測試報告。使用者可以將測試數據下載至PC機上進行分析。BIRD測試儀具有用戶界面友好、兼容性強的特點，使用Windows 95/98/NT兼容軟件可以完成大量的跟蹤測試分析，也可以對其他電纜和天線測試儀生成的數據進行分析， 便于攜帶, 分析能力強。 (5) 先進可靠的電池技術， 手提操作。 全新的現場分析儀帶有先進的電源系統(tǒng)，

14、使用手提式操作。 一個內置電池每次充電可以提供至少3小時的操作時間。用一個可選的外接電池組可以延長操作時間。,2. 兩款BIRD牌天饋測試儀的性能及參數 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： 回損為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， 采樣點為

15、238個。 (6) 抗干擾性： 最高抑制信號達+13 dBm（偏離中心載頻10 kHz）; 最高抑制信號達+22 dBm（偏離中心載頻1 MHz）。 (7) 最大輸入信號： +22 dBm。 (8) 外設端口： 數據傳輸：9針RS-232，與計算機串口兼容，可選擇波特率、 奇偶性及信號交換。 打印機： 25針并行口， 內置驅動程序， 支持惠普打印機。,(9) 電源： 內部：可充電鋰電池（最少可用3小時， 具有自動關機功能， 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

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：標準配置包括軟包、 用戶手冊、 串口電纜、 基于Internet的升級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： 回損為 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， 采樣點為238個。

17、(5) 抗干擾性： 最高抑制信號達+13 dBm（偏離中心載頻10 kHz）；最高抑制信號達+22 dBm（偏離中心載頻1 MHz) 。,(6) 最大輸入信號：+22 dBm。 (7) 外設端口： 數據傳輸： 9針RS-232， 與計算機串口兼容， 可選擇波特率、 奇偶性及信號交換。 打印機： 25針并行口， 內置驅動程序支持惠普打印機。 (8) 電源： 內部： 可充電鋰電池（最少可用3小時， 具有自動關機功能， 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： 標準配置包括軟包、 用戶手冊、 串口電纜、 基于Internet的升級軟件以及交流充電器/適配器。,10.4.2 AT-800型移動通信天線特性分析儀（美國） AT-800 是專為移動通信基站天線系統(tǒng)設計的，是數字和模擬移動通信基站、直放站安裝調試和檢驗的最佳測試儀。它主要用來測試天線駐波比、匹配效率、回波損耗及電場強度， 并以數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，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， 回損及駐波比, 可以以時域或頻域波形顯示測試結果。它具有Windows界面， 操作方便、 簡單， 可替代價格昂貴、笨重、復雜的網絡分析儀和TDR測試儀, 是安裝和維護發(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的外形設計便于手持式操作；其高亮度、高分辨率彩顯突出了重要測試結果，同時可清楚地組織操作功能和測試結果； 直觀的菜單鍵和菜單操作方便用戶集中精力進行測試；四個常用用戶功能鍵提高

20、了測試速度；最多可存儲5組校準曲線； 彈出菜單可預置70種電纜型號及30種頻率段，方便快速正確地選擇測試參數；測試數據存儲于非易失存儲器內；數據標號允許用戶描述測試數據的名稱；自動生成的時間/日期標識，方便用戶整理測試數據；,內設分析功能，幫助用戶在無法使用個人電腦的情況下， 直接利用屏幕進行兩條跡線的比較；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；先進的液晶技術使儀器在各種環(huán)境下都能獲得良好的視覺效果；精確的標記提供了駐波比為0.01 dB的分辨率；自動的標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)進行測試；數字信號處理提

21、供了2 s的跡線刷新時間; 可存儲60組帶時間/日期標記的測試數據; 內設打印機接口， 可進行直接數據打印和即時記錄。,,習 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天線測試的影響？ 10-4 闡述用旋轉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。,,