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天線方向圖繪制實驗
一、實驗目的
1.了解掌握天線方向圖的工程意義。掌握電磁波輻射的原理和測量方法。
2.掌握繪制天線方向圖的一般方法，繪制并理解天線方向圖。
3.掌握天線方向圖測量的原理和方法。
二、實驗原理
天線方向圖，是指在離天線一定距離處，輻射場的相對場強（歸一化模值）隨方向變化的圖形，通常采用通過天線最大輻射方向上的兩個相互垂直的平面方向圖來表示。通過研究天線方向圖，明確把握天線的輻射特性。天線的輻射特性包括天線的方向圖、天線的增益、天線的極化、天線的相位等。為了達到最佳的通信效果，要求天線必須具備一定的方向性，較高的轉換效率，以及滿足系統(tǒng)工作的頻帶寬度。
如果天線沒有方向性，對發(fā)射天線來說，它所輻射的功率中只有很少一部分到達所需要的方向，大部分功率浪費在不需要的方向上；對接收天線來說，在接受到所需要的信號同時，還接收到來自其它方向的干擾和噪聲，甚至使信號完全淹沒在干擾和噪聲中。一副好的天線，在有效地輻射或接收無線電波的同時，還應該具有為完成某種任務而要求的方向特性。天線所輻射的無線電波能量在空間方向上的分布，通常是不均勻的，這就是天線的方向性。即使最簡單的天線也有方向性，完全沒有方向性的天線實際上不存在。實際應用中，最關心的是天線輻射能量的空間分布，在沒有特別指明的情況下，輻射方向圖一般均指功率通量密度的空間分布。方向圖還可以用分貝（dB）表示，功率方向圖用分貝表示后就稱為分貝方向圖，它表示某方向的功率通量密度相對于最大值下降的分貝數(shù)。天線某方向的分貝數(shù)的計算方法見下公式，其中P 為某方向的功率通量密度， max P 為最大功率通量密度。繪制方向圖可以采用極坐標，也可以采用直角坐標。極坐標方向圖形象、直觀，但對于方向性強的天線難于精確表示；直角坐標方向圖雖然沒有極坐標方向圖形象、直觀，但更容易從中計算描述天線方向性的諸多參數(shù)。

圖1電磁輻射方向圖
通過天線方向圖可以方便的得到表征天線性能的電參數(shù)。用來描述天線方向圖的參數(shù)通常有主方向角、主瓣寬度、半功率角、副瓣寬度、副瓣電平等。上圖是極坐標下天線方向圖的一般形狀。方向圖通常都有兩個或多個瓣，其中輻射強度最大的瓣稱為主瓣，其余的瓣稱為副瓣或旁瓣，副瓣中最大的為第一副瓣。下面我們列舉出可由天線方向圖得到的天線參數(shù)：
(1) 主方向角。指主瓣最大值對應的角度；
(2) 主瓣寬度。也稱零功率點波瓣寬度（Beam Width between First Nulls,BWFN）, 是衡量天線的最大輻射區(qū)域的尖銳程度的物理量。通常取天線方向圖主瓣兩個半功率點之間的寬度，也是主瓣最大值兩邊兩個零輻射方向之間的夾角，即主瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠，抗干擾能力越強；
(3) 半功率角。也稱半功率點波瓣寬度（Half Power Beam Width, HPBW）,指主瓣最大值兩邊功率密度等于最大值的0.5倍的兩輻射方向之間的夾角，又叫3分貝波束寬度（將功率密度轉化成分貝數(shù)后，會發(fā)現(xiàn)功率密度變成最大功率密度1/2的地方對應的分貝數(shù)比最大功率處小3dB即
(4) 副瓣寬度。指第一副瓣兩邊兩個零輻射方向之間的夾角；
(5) 副瓣電平（Side Lobe Lever, SLL）。指副瓣最大值與主瓣最大值之比，一般也以分貝表示，其中：和分別為最大副瓣核主瓣的功率密度最大值。

天線的方向圖，測試系統(tǒng)框圖如下圖2所示。輔助天線作發(fā)射，由功率信號發(fā)生器激勵產生電磁波；被測天線作接收，被測天線置于可以水平旋轉的實驗支架上，接收到的高頻信號經檢波后送給電流指示器顯示。

圖2 方向圖測試系統(tǒng)
 
圖3用微安表測量H面方向圖測量        圖4用LED燈的強弱顯示天線E面方向圖

圖5用微安表測量天線E面方向圖
三、實驗內容
1. 用LED燈的測量顯示天線E面方向圖強弱。如圖2所示。
2. 用微安表測量E面方向圖，繪制天線E面方向圖。如圖3所示。
3、用LED燈的強弱顯示天線H面方向圖測量
4、用微安表測量H面方向圖，繪制天線H面方向圖。如圖4所示。
四、實驗步驟
（一）H 面測量實驗步驟
1. 按下“電磁波實驗系統(tǒng)”面板右側部分的“開關”按鈕，按鈕顏色變綠，代表系統(tǒng)啟動。
2. 查看極化天線是否已經架入極化天線支撐桿，保持極化天線輻射面與導軌方向相同。
3. 將一個SMA接頭與“電磁波實驗系統(tǒng)”面板射頻輸出接口穩(wěn)固連接。然后將微波電纜的一頭與面板上的SMA接頭穩(wěn)固連接，另一頭與天線端口穩(wěn)固連接。發(fā)射天線設置為垂直極化狀態(tài)。
4. 將接收天線設置為如圖，將接收天線連接檢波輸出，轉動轉臺觀察LED亮度變化情況測量E面方向圖。如圖3所示。
5. 將接收天線設置為如圖4，將接收天線檢波輸出用電纜與微安表穩(wěn)固連接。微安表測量時輸出接10dB衰減器防止微安表打表。轉動轉臺并記錄微安表指針讀數(shù)，云臺讀數(shù)為刻度為2.5°，記下云臺刻度和微安表之間的讀數(shù)對應值，測量畫出E面方向圖。
（二）E 面測量實驗步驟
6. 發(fā)射天線設置為垂直極化狀態(tài)，將接收天線設置為如圖5，將接收天線檢波輸出用電纜與微安表穩(wěn)固連接。微安表測量時輸出接10dB衰減器防止微安表打表。轉動轉臺并記錄微安表指針讀數(shù)，云臺讀數(shù)為刻度為2.5°，記下云臺刻度和微安表之間的讀數(shù)對應值，測量畫出H面方向圖。
7．按照“采樣點距”設置要求，用云臺非金屬轉 盤(俯仰角)將天線從與導軌平行旋轉 5°到偏離水平方向 5°。將旋轉云臺的手移開，盡量保持在采第一個點時的環(huán)境狀態(tài)，減少環(huán)境對實驗的干擾。獲取天線5°時，天線接收到的強度。
8.按下的“TX”按鈕，按照“采樣點距”設置要求，用云臺非金屬轉盤(俯仰角)將天線從與導軌平行旋轉 5°到偏離水平方向10°。將旋轉云臺的手移開，盡量保持在采第一個點時的環(huán)境狀態(tài)，減少環(huán)境對實驗的干擾。獲取天線10°時，天線接收到的強度。
9. 將制作好的天線安裝在云臺支臂上，然后用云臺支臂固定旋鈕固定。
10. 旋轉云臺接收天線并記錄微安表指針讀數(shù)，記錄角度與微安表讀數(shù)之間的關系曲線。
11.將收發(fā)天線設置為水平極化狀態(tài)，將制作好的天線安裝在云臺支臂上，然后用云臺支臂固定旋鈕固定。
12. 旋轉云臺接收天線并記錄微安表指針讀數(shù)，記錄角度與微安表讀數(shù)之間的關系曲線。
13.用云臺金屬轉盤將天線從與導軌平行旋轉5°到偏離水平方向5°。將旋轉云臺的手移開，盡量保持在采第一個點時的環(huán)境狀態(tài)，減少環(huán)境對實驗的干擾。
五、注意事項
1.按下按鈕時，若沒有功率輸出，應立即停止發(fā)射，檢查射頻電纜頭與儀器的接頭是否連接牢固，檢查射頻電纜小頭的SMA頭與天線的輸入端口是否牢固連接；用微安表測量時輸出接10dB衰減器防止微安表打表。防止空載工作燒壞微波放大器。
2.盡量減少按下按鈕的時間，以免影響其它小組的測試準確性。
3.測試時盡量避免人員走動，以免人體反射影響測試結果。
六、報告要求
1．按照標準實驗報告的格式和內容完成實驗報告；
2．對實驗中的現(xiàn)象分析討論；
表1用微安表測量方向圖

電壓/mv電壓與基準電壓比值
0°	5°	10°	15°	20°	25°	30°	35°	40°
45°	50°	55°	60°	65°	70°	75°	80°	85°
90°	95°	100°	105°	110°	115°	120°	125°	130°
135°	140°	145°	150°	155°	160°	165°	170°	175°
180°	185°	190°	195°	200°	205°	210°	215°	220°
225°	230°	235°	240°	245°	250°	255°	260°	265°
270°	275°	280°	285°	290°	295°	300°	305°	310°