天線參量測量

天線參量是描述天線特征的量，可用實驗的方法測定。天線參量的測量（簡稱為天線測量）是設(shè)計天線和調(diào)整天線的重要手段。因為天線的特征是多方面的，所以一個天線有很多個參量（見天線特性參量、天線方向性、天線阻抗）。在這些參量中，大多數(shù)情況下要著重測量的是方向圖、輸入阻抗和增益。

　　天線方向圖的測量　圖1是測量通過天線相位中心各平面內(nèi)的方向圖的方案之一。圖中天線1為被測天線，與信號發(fā)生器相連用作發(fā)射,它裝在旋轉(zhuǎn)平臺上能作360°轉(zhuǎn)動；天線2為輔助天線，它與電場強度計相連以便測得離被測天線一定距離處的場強。兩天線的極化特性要求相同，為了近似滿足遠(yuǎn)場條件，兩天線間的距離應(yīng)滿足,式中λ為測試工作波長；r和D的意義見圖1。當(dāng)轉(zhuǎn)動被測天線1時，可在天線2處測得以轉(zhuǎn)動角θ表示的函數(shù)的電場強度E(θ)，于是就可畫出轉(zhuǎn)動平面內(nèi)的天線 1的方向圖。若被測天線為半波天線，它的子午面內(nèi)的方向圖如圖2a，當(dāng)把天線轉(zhuǎn)動90°使之垂直于轉(zhuǎn)動平面時,可測得赤道面內(nèi)的方向圖(圖2b)。若把天線任意傾斜安裝，則可測得任意面內(nèi)的方向圖。此外，也可固定被測天線1，而把輔助天線2沿以被測天線為中心,距離r為半徑的圓周運動，同樣可以測得天線的方向圖。若把收發(fā)條件互換，即把被測天線用作接收，輔助天線用作發(fā)射，最終測得的天線方向圖并無變化，這是符合天線互易定理的。

　　天線輸入阻抗的測量　天線輸入阻抗是從天線的輸入端向天線看去的阻抗，從原則上說，所有測量阻抗的方法都可以用來測量天線的輸入阻抗。但實際上，常用的方法是電橋法和測量線法。前者常用于短波以下，后者常用于超短波以上的天線。
　　天線輸入阻抗的電橋法測量如圖3。圖中的信號發(fā)生器產(chǎn)生所需頻率的電壓，把它加到電橋的一個對角線上，在另一對角線上接高頻微伏電壓表作平衡指示器。電橋由四個阻抗構(gòu)成，其中Z1和Z2為固定阻抗，Z3為可變阻抗,Zx為被測天線的輸入阻抗，即把天線的輸入端作為電橋的一個臂。調(diào)節(jié)可變阻抗使平衡指示器的讀數(shù)為零，表示電橋已達(dá)到平衡，根據(jù)電橋平衡條件就可計算出

　　可以按照圖4用測量線法測量天線的輸入阻抗。圖中的測量線是一段（長度應(yīng)大于半波長）帶有可移動場強指示器的傳輸線，測量線的一端連接信號發(fā)生器，發(fā)生器調(diào)到所需的頻率，測量線的另一端連接被測天線。通過測量沿測量線上的電壓(電場)分布(圖4)，就可以用下式算出被測天線的輸入阻抗Zx

式中ZC為測量線的特性阻抗；K為行波系統(tǒng)，　　　　　　　　　　　　　　　　　，λ為工作波長；z0為第一個電壓波節(jié)至被測阻抗連接點的距離。

　　用測量線法測阻抗時，根據(jù)測得的數(shù)據(jù)計算待測阻抗值是一件費時的工作，尤其由于天線的輸入阻抗是隨工作頻率而變化的，所以當(dāng)需要在眾多的頻率點上測量天線的輸入阻抗時，工作量將大為增加。但若用圓圖來計算待測阻抗或用自動掃頻阻抗測量儀，則可大大減少測量天線輸入阻抗的工作量。
　　天線增益系數(shù)的測量　天線增益系數(shù)的測量常用絕對法和比較法?？砂磮D5用絕對法測天線的增益系數(shù)。首先用功率計和場強計分別測出待測天線的輸入功率和足夠遠(yuǎn)距離r處的電場強度，然后用下式求得該天線的增益系數(shù)：

或

式中E為距離r處最大輻射方向的電場強度;P為輸入功率。
　　可按圖6用比較法測天線的增益系數(shù)。信號發(fā)生器的輸出經(jīng)匹配器先接到被測天線，此時場強計在距離r處測得電場強度為E1;然后用已知增益為G′倍的標(biāo)準(zhǔn)天線替換被測天線，并重新調(diào)整匹配，由場強計測得電場強度為E2。再用下式即可算出被測天線的增益系數(shù)G：

　　　或

　　模擬測量　在實驗室內(nèi)進行天線參量的測量時要求被測天線有一個“合適”的尺寸。實用天線的尺寸大小懸殊，大的達(dá)幾百米以上，而小的只有幾個毫米。為便于測量，可在適當(dāng)頻率上測量縮小或放大了的模型。此時需要先設(shè)計好模型天線，使它的參量和實際天線的相同。這就是天線的模擬測量。
　　在自由空間條件下，制作線度因子為Kd的模型天線（即模型天線的尺寸等于實際天線的尺寸除以Kd），在測量時應(yīng)滿足下列條件：工作頻率f2=Kd·f1,模型天線的電導(dǎo)率σ2=Kd·σ1,此處f1和σ1表示實際天線的工作頻率和電導(dǎo)率。
　　在實際天線的模擬測量中，往往只能滿足上述第一個條件，而滿足不了第二個條件，但這對于大多數(shù)高效率的天線，不會引入太大的誤差。
　　近場測量　對于射電天文、雷達(dá)設(shè)備等應(yīng)用的大口徑天線，測量時很難滿足所需的最小距離。如天線口徑 100米，工作波長10厘米，測試距離，這樣大的測試場地事實上是無法辦到的。還由于地球表面曲率的影響,為使電磁波不為球形地球表面所遮擋,收發(fā)天線的高度也將達(dá)到不現(xiàn)實的程度。對這樣的大天線，其參量的測量通常有兩種方法，即利用射電星的測量技術(shù)和近場測量技術(shù)。
　　射電星測量技術(shù)就是利用輻射穩(wěn)定的射電星作為發(fā)射源，被測天線用于接收。這樣就可保證收發(fā)間距離遠(yuǎn)大于最小測試距離。
　　近場測量技術(shù)是在天線附近（距天線表面僅幾個焦距的距離范圍內(nèi)）測量遠(yuǎn)區(qū)的天線參量。近場測量技術(shù)包括縮距法、聚焦法和外推解析法。
　?、佟】s距法：利用特定的信號發(fā)射天線，使收發(fā)天線之間的距離減少后，仍能保證發(fā)射天線在接收天線口徑處產(chǎn)生如同遠(yuǎn)距離時一樣的平面波。一般的發(fā)射天線在其附近產(chǎn)生的是球面波。為把球面波校正為平面波，可用附加的透鏡或拋物面反射器等。
　　②　聚焦法：調(diào)整被測天線，使如拋物面反射器天線、透鏡天線、相控陣天線等有聚焦特性的天線，原來對無窮遠(yuǎn)處的聚焦改變?yōu)榫劢褂诮鼒鰠^(qū)（幾個焦距或幾十個波長的距離內(nèi)），然后在焦區(qū)測取其方向圖。使天線聚焦于近場區(qū)的方法是：對拋物面反射器天線可把饋源從焦點沿軸外移一小段距離；對透鏡天線可把饋源安裝在一個焦距到兩個焦距的范圍內(nèi)；對相控陣天線則可通過適當(dāng)調(diào)整其移相器而達(dá)到。
　?、邸⊥馔平馕龇ǎ合葴y得天線口徑上的場分布或天線導(dǎo)體表面上的電流分布，然后用解析的方法算出遠(yuǎn)區(qū)場分布，即天線的遠(yuǎn)區(qū)方向圖。
　　微波暗室　在普通實驗室內(nèi)進行天線參量的測量時，周圍環(huán)境使電磁波產(chǎn)生反射、散射和繞射等現(xiàn)象，這些反射、散射和繞射場對測量場的“干擾”導(dǎo)致測量精度的下降，這對方向圖的零值深度和副瓣等微弱場的測量，影響尤為嚴(yán)重。建立微波暗室可以解決這個問題。微波暗室就是周圍安裝微波吸收材料的實驗室。暗室不但用于天線測量，還可用于目標(biāo)散射場和繞射場等弱場強的測量。使用暗室除能減弱干擾場因而提高測量精度外，還能保證有一個保密的、全天候的測量環(huán)境。從1953年建立第一個微波暗室以來，暗室的技術(shù)指標(biāo)已有很大的改進。
　　起初，暗室采用平板型吸收材料，這種材料的吸收頻帶較窄。現(xiàn)代寬帶微波暗室大多使用錐形或楔形吸收材料。一個設(shè)計良好的微波暗室，在測量區(qū)內(nèi)的干擾場可以做到-40分貝以下。