可视化电磁场与电磁波天线方向图绘制实验

时间：2025-05-23 10:45:50

天线方向图绘制实验
一、实验目的
1.了解掌握天线方向图的工程意义。掌握电磁波辐射的原理和测量方法。
2.掌握绘制天线方向图的一般方法，绘制并理解天线方向图。
3.掌握天线方向图测量的原理和方法。
二、实验原理
天线方向图，是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强（归一化模值）随方向变化的图形，通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表示。通过研究天线方向图，明确把握天线的辐射特性。天线的辐射特性包括天线的方向图、天线的增益、天线的极化、天线的相位等。为了达到最佳的通信效果，要求天线必须具备一定的方向性，较高的转换效率，以及满足系统工作的频带宽度。
如果天线没有方向性，对发射天线来说，它所辐射的功率中只有很少一部分到达所需要的方向，大部分功率浪费在不需要的方向上；对接收天线来说，在接受到所需要的信号同时，还接收到来自其它方向的干扰和噪声，甚至使信号完全淹没在干扰和噪声中。一副好的天线，在有效地辐射或接收无线电波的同时，还应该具有为完成某种任务而要求的方向特性。天线所辐射的无线电波能量在空间方向上的分布，通常是不均匀的，这就是天线的方向性。即使最简单的天线也有方向性，完全没有方向性的天线实际上不存在。实际应用中，最关心的是天线辐射能量的空间分布，在没有特别指明的情况下，辐射方向图一般均指功率通量密度的空间分布。方向图还可以用分贝（dB）表示，功率方向图用分贝表示后就称为分贝方向图，它表示某方向的功率通量密度相对于最大值下降的分贝数。天线某方向的分贝数的计算方法见下公式，其中P 为某方向的功率通量密度， max P 为最大功率通量密度。绘制方向图可以采用极坐标，也可以采用直角坐标。极坐标方向图形象、直观，但对于方向性强的天线难于精确表示；直角坐标方向图虽然没有极坐标方向图形象、直观，但更容易从中计算描述天线方向性的诸多参数。

图1电磁辐射方向图
通过天线方向图可以方便的得到表征天线性能的电参数。用来描述天线方向图的参数通常有主方向角、主瓣宽度、半功率角、副瓣宽度、副瓣电平等。上图是极坐标下天线方向图的一般形状。方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣，副瓣中最大的为第一副瓣。下面我们列举出可由天线方向图得到的天线参数：
(1) 主方向角。指主瓣最大值对应的角度；
(2) 主瓣宽度。也称零功率点波瓣宽度（Beam Width between First Nulls,BWFN）, 是衡量天线的最大辐射区域的尖锐程度的物理量。通常取天线方向图主瓣两个半功率点之间的宽度，也是主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角，即

主瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强；
(3) 半功率角。也称半功率点波瓣宽度（Half Power Beam Width, HPBW）,指主瓣最大值两边功率密度等于最大值的0.5倍的两辐射方向之间的夹角，又叫3分贝波束宽度（将功率密度转化成分贝数后，会发现功率密度变成最大功率密度1/2的地方对应的分贝数比最大功率处小3dB即

(4) 副瓣宽度。指第一副瓣两边两个零辐射方向之间的夹角；
(5) 副瓣电平（Side Lobe Lever, SLL）。指副瓣最大值与主瓣最大值之比，一般也以分贝表示，其中：

和

分别为最大副瓣核主瓣的功率密度最大值。

天线的方向图，测试系统框图如下图2所示。辅助天线作发射，由功率信号发生器激励产生电磁波；被测天线作接收，被测天线置于可以水平旋转的实验支架上，接收到的高频信号经检波后送给电流指示器显示。

图2 方向图测试系统

图3用微安表测量H面方向图测量图4用LED灯的强弱显示天线E面方向图

图5用微安表测量天线E面方向图
三、实验内容
1. 用LED灯的测量显示天线E面方向图强弱。如图2所示。
2. 用微安表测量E面方向图，绘制天线E面方向图。如图3所示。
3、用LED灯的强弱显示天线H面方向图测量
4、用微安表测量H面方向图，绘制天线H面方向图。如图4所示。
四、实验步骤
（一）H 面测量实验步骤
1. 按下“电磁波实验系统”面板右侧部分的“开关”按钮，按钮颜色变绿，代表系统启动。
2. 查看极化天线是否已经架入极化天线支撑杆，保持极化天线辐射面与导轨方向相同。
3. 将一个SMA接头与“电磁波实验系统”面板射频输出接口稳固连接。然后将微波电缆的一头与面板上的SMA接头稳固连接，另一头与天线端口稳固连接。发射天线设置为垂直极化状态。
4. 将接收天线设置为如图，将接收天线连接检波输出，转动转台观察LED亮度变化情况测量E面方向图。如图3所示。
5. 将接收天线设置为如图4，将接收天线检波输出用电缆与微安表稳固连接。微安表测量时输出接10dB衰减器防止微安表打表。转动转台并记录微安表指针读数，云台读数为刻度为2.5°，记下云台刻度和微安表之间的读数对应值，测量画出E面方向图。
（二）E 面测量实验步骤
6. 发射天线设置为垂直极化状态，将接收天线设置为如图5，将接收天线检波输出用电缆与微安表稳固连接。微安表测量时输出接10dB衰减器防止微安表打表。转动转台并记录微安表指针读数，云台读数为刻度为2.5°，记下云台刻度和微安表之间的读数对应值，测量画出H面方向图。
7．按照“采样点距”设置要求，用云台非金属转盘(俯仰角)将天线从与导轨平行旋转 5°到偏离水平方向 5°。将旋转云台的手移开，尽量保持在采第一个点时的环境状态，减少环境对实验的干扰。获取天线5°时，天线接收到的强度。
8.按下的“TX”按钮，按照“采样点距”设置要求，用云台非金属转盘(俯仰角)将天线从与导轨平行旋转 5°到偏离水平方向10°。将旋转云台的手移开，尽量保持在采第一个点时的环境状态，减少环境对实验的干扰。获取天线10°时，天线接收到的强度。
9. 将制作好的天线安装在云台支臂上，然后用云台支臂固定旋钮固定。
10. 旋转云台接收天线并记录微安表指针读数，记录角度与微安表读数之间的关系曲线。
11.将收发天线设置为水平极化状态，将制作好的天线安装在云台支臂上，然后用云台支臂固定旋钮固定。
12. 旋转云台接收天线并记录微安表指针读数，记录角度与微安表读数之间的关系曲线。
13.用云台金属转盘将天线从与导轨平行旋转5°到偏离水平方向5°。将旋转云台的手移开，尽量保持在采第一个点时的环境状态，减少环境对实验的干扰。
五、注意事项
1.按下按钮时，若没有功率输出，应立即停止发射，检查射频电缆头与仪器的接头是否连接牢固，检查射频电缆小头的SMA头与天线的输入端口是否牢固连接；用微安表测量时输出接10dB衰减器防止微安表打表。防止空载工作烧坏微波放大器。
2.尽量减少按下按钮的时间，以免影响其它小组的测试准确性。
3.测试时尽量避免人员走动，以免人体反射影响测试结果。
六、报告要求
1．按照标准实验报告的格式和内容完成实验报告；
2．对实验中的现象分析讨论；
表1用微安表测量方向图

电压/mv电压与基准电压比值
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°

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