天线测量理论介绍.pptx
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1、本人简历本人简历教育背景教育背景2003年至今年至今 西安电子科技大学西安电子科技大学 正在攻读博士学位正在攻读博士学位 电磁场与微波技术专电磁场与微波技术专业业19951998 西安电子科技大学西安电子科技大学 硕士研究生硕士研究生 电磁场与微波技术专电磁场与微波技术专业业19891993 西安电子科技大学西安电子科技大学 本科本科 电磁场与微波技术专电磁场与微波技术专业业工作经历工作经历19992003 广州埃信通信设备有限公司:担任总工职务,主持开发室广州埃信通信设备有限公司:担任总工职务,主持开发室内内 覆盖系统所需的全部无源器件(功分器、耦合器、同轴腔体滤波器、双覆盖系统所需的全部无
2、源器件(功分器、耦合器、同轴腔体滤波器、双工器,等等)以及微带型基站天线。工器,等等)以及微带型基站天线。19981999 航天工业总公司第三研究院第三设计部智控公司:负责公航天工业总公司第三研究院第三设计部智控公司:负责公司司“雷达液位计雷达液位计”和和“磁致伸缩液位计磁致伸缩液位计”的研发,并用自编软件解决了的研发,并用自编软件解决了“雷雷达液位计在油罐灌顶的最佳安装位置达液位计在油罐灌顶的最佳安装位置”。19931995 航天工业总公司第三研究院第三设计部:主要负责导弹航天工业总公司第三研究院第三设计部:主要负责导弹RCS计算,并亲自开发了计算,并亲自开发了阻抗劈的高频电磁散射计算软件阻
3、抗劈的高频电磁散射计算软件IMPWEDGE,经实践检验,理论结果与实测数据完全吻合。经实践检验,理论结果与实测数据完全吻合。本人有本人有10年射频器件和移动通信基站天线工作经验,精通电磁场数值计年射频器件和移动通信基站天线工作经验,精通电磁场数值计算方法,并亲自在国内率先完成算方法,并亲自在国内率先完成腔体滤波器综合分析软件腔体滤波器综合分析软件和和天线方向天线方向图赋形软件图赋形软件。方向图赋形软件方向图赋形软件 方方向向图图赋赋形形软软件件,运运用用了了遗遗传传算算法法、模模拟拟退退火火算算法法、共共轭轭梯梯度度法法、随随机机变变步步长长法法以以及及这这几几种种算算法法的的混混合合算算法法
4、,以以增增益益、零零点点深深度度和和副副瓣瓣电电平平为为约约束束条条件件,快快速速准准确确地地得得到到满满足足特特定定赋赋形形特特性性方方向向图图所所需需的的各各个个单单元元的的激激励励幅幅度度和和相相位位,摆摆脱脱了了传传统统的的用用仿仿真真软软件件大大量量试试算算,通通过过筛筛选选而而得得出出激激励励参参数数的的试试验验法法(这这种种试试验验法法所所得得到到的的结结果果,往往往往不不能能满满足足增增益益条条件件)。基本概念基本概念基本概念基本概念基本概念基本概念天线辐射区域划分天线辐射区域划分 由天线所辐射的电磁波可以用玻印亭矢由天线所辐射的电磁波可以用玻印亭矢量量 E conjugate
5、(H)来描述。在紧邻天线来描述。在紧邻天线的空间,玻印亭矢量是虚数,电场或磁场同的空间,玻印亭矢量是虚数,电场或磁场同距离的高次幂成反比,随离开天线距离的增距离的高次幂成反比,随离开天线距离的增加迅速减小。在这个区域,由于电抗场占优加迅速减小。在这个区域,由于电抗场占优势,所以把此区域叫电抗近场区(势,所以把此区域叫电抗近场区()。)。越过电抗区就到了辐射场区,此时玻印越过电抗区就到了辐射场区,此时玻印亭矢量是实数且场随距离成反比,按离开天亭矢量是实数且场随距离成反比,按离开天线距离的远近又把辐射场区分为辐射近场区线距离的远近又把辐射场区分为辐射近场区()和辐射远场区()和辐射远场区()。按光
6、学术)。按光学术语来定义,前者称为菲涅尔区,后者称为夫语来定义,前者称为菲涅尔区,后者称为夫朗荷费区。在辐射近场区,场的角分布与距朗荷费区。在辐射近场区,场的角分布与距离有关;而在辐射远场区,场的角分布与距离有关;而在辐射远场区,场的角分布与距离无关。离无关。基本概念基本概念基本概念基本概念天线参数天线参数天线天线 把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间.收集无线电波并产生电信号收集无线电波并产生电信号.基本概念基本概念基本概念基本概念天线参数天线参数极化极化 无线电波在空间传播时,其电场方向是按一定的规律而变化的,这种现象无线电波在空间传
7、播时,其电场方向是按一定的规律而变化的,这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面,我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面电场方向垂直于地面,我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行,则称它为水平极化波。平行,则称它为水平极化波。交叉极化比交叉极化比 给定方向上主极化分量与正交极化分量功率之比。给定方向上主极化分量与正交极化分量功率之比。基本概念基本概念基本概念基本概念天线参数天线参数输入阻抗和驻波比输入阻抗和驻波比 天天线线和和馈馈线线的的连连接接端端
8、,即即馈馈电电点点两两端端感感应应的的信信号号电电压压与与信信号号电电流流之之比比,称称为为天天线线的的输输入入阻阻抗抗。输输入入阻阻抗抗有有电电阻阻分分量量和和电电抗抗分分量量。输输入入阻阻抗抗的的电电抗抗分分量量会会减减少少从从天天线线进进入入馈馈线线的的有有效效信信号号功功率率。因因此此,必必须须使使电电抗抗分分量量尽尽可可能能为为零零,使使天天线线的的输输入入阻阻抗抗为为纯纯电阻。电阻。当馈线和天线匹配时,高频能量全部被负载吸收,馈线上只有入射波,没有反射当馈线和天线匹配时,高频能量全部被负载吸收,馈线上只有入射波,没有反射波。馈线上传输的是行波,馈线上各处的电压幅度相等,馈线上任意一
9、点的阻抗都等波。馈线上传输的是行波,馈线上各处的电压幅度相等,馈线上任意一点的阻抗都等于它的特性阻抗。于它的特性阻抗。而当天线和馈线不匹配时,也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时,负载就不能而当天线和馈线不匹配时,也就是天线阻抗不等于馈线特性阻抗时,负载就不能全部将馈线上传输的高频能量吸收,而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射全部将馈线上传输的高频能量吸收,而只能吸收部分能量。入射波的一部分能量反射回来形成反射波。回来形成反射波。驻波波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数,也叫电压驻波比驻波波腹电压与波节电压幅度之比称为驻波系数,也叫电压驻波比(VSWR)。终。终端负载阻抗和特性阻抗越接近
10、,反射系数越小,驻波比越接近于,匹配也就越好。端负载阻抗和特性阻抗越接近,反射系数越小,驻波比越接近于,匹配也就越好。基本概念基本概念基本概念基本概念天线参数天线参数端口隔离度端口隔离度 多多端端口口天天线线的的一一个个端端口口上上的的入入射射功功率率与与该该入入射射功功率率在在其其他他端端口口上上可可得得到到的的功功率率之比。之比。交调交调 天天线线交交调调产产物物是是指指当当两两个个或或多多个个频频率率信信号号经经过过天天线线时时,由由于于天天线线的的非非线线性性而而引引起的与原信号有和差关系的射频信号。起的与原信号有和差关系的射频信号。在这种情况下的隔离为在这种情况下的隔离为10log(
11、1000mW/1mW)=30dB1000mW(即即1W)1mW基本概念基本概念基本概念基本概念天线参数天线参数方向性方向性 天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言,方向天线的方向性是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言,方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示用方向图来表示.方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。的能力。单一的对称振子具有单一
12、的对称振子具有“面包圈面包圈”形的方向图形的方向图侧视侧视顶视顶视立体立体基本概念基本概念基本概念基本概念天线参数天线参数增益增益 增益是指在输入功率相等的条件下,实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处增益是指在输入功率相等的条件下,实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比,即功率之比。增益一般与天线方向图有关,方向图主瓣越所产生的场强的平方之比,即功率之比。增益一般与天线方向图有关,方向图主瓣越窄,后瓣、副瓣越小,增益越高。窄,后瓣、副瓣越小,增益越高。板状天线增益与水平波瓣宽度板状天线增益与水平波瓣宽度90 180 360 半功率波瓣宽度半功率波瓣宽度半波振子半波振子带
13、反射板的半波振子带反射板的半波振子带反射板的两个半波振子带反射板的两个半波振子以半波振子以半波振子为参考的增益为参考的增益0dBd3dBd6dBd理论辐射图理论辐射图一个单一对称振子具有面包一个单一对称振子具有面包圈形的方向图辐射圈形的方向图辐射 一个各向同性的辐射器在所一个各向同性的辐射器在所有方向具有相同的辐射有方向具有相同的辐射一个天线与对称振子相比较的增益一个天线与对称振子相比较的增益用用“dBd”表示表示一个天线与各向同性辐射器相比较的一个天线与各向同性辐射器相比较的增益用增益用“dBi”表示表示例如例如:3dBd =5.17dBidBd 和和 dBi的区别的区别2.17dB 对称振
14、子的增益为对称振子的增益为2.17dB 基本概念基本概念基本概念基本概念天线参数天线参数效率效率 天线效率用以度量天线转换能量的有效性,数值上等于增益与方向系数的比值。天线效率用以度量天线转换能量的有效性,数值上等于增益与方向系数的比值。天线输入功率一部分转化为辐射功率,另一部分即为损耗功率:天线系统中的导体损天线输入功率一部分转化为辐射功率,另一部分即为损耗功率:天线系统中的导体损耗、介质损耗、网络损耗,以及在天线支架、周围物体和大地中的电磁感应所引起的耗、介质损耗、网络损耗,以及在天线支架、周围物体和大地中的电磁感应所引起的损耗等。损耗等。基本概念基本概念基本概念基本概念天线参数天线参数等
15、效各向同性辐射功率(等效各向同性辐射功率(EIRP)等效各向同性辐射功率(等效各向同性辐射功率(EIRP)用来表征在某一特定方向上天线的净辐射功率。)用来表征在某一特定方向上天线的净辐射功率。它等于施加在天线端口的输入功率与天线增益的乘积。它等于施加在天线端口的输入功率与天线增益的乘积。基本概念基本概念基本概念基本概念天线参数天线参数噪声温度噪声温度 天线噪声温度天线噪声温度Ta用来描述天线在特定频率上所接收的噪声用来描述天线在特定频率上所接收的噪声功率。数学定义如下,其中:功率。数学定义如下,其中:D为方向系数,为方向系数,F为亮度分布函数为亮度分布函数(与来自宇宙、大气、人造及地表等噪声源
16、有关),(与来自宇宙、大气、人造及地表等噪声源有关),s为包围天为包围天线的空间,线的空间,K为玻耳兹曼常数,为玻耳兹曼常数,B为工作频率带宽。为工作频率带宽。基本概念基本概念基本概念基本概念天线参数天线参数增益噪声比(增益噪声比(G/T)顾名思义,增益噪声比是天线增益顾名思义,增益噪声比是天线增益G与噪声温度与噪声温度T的比值。的比值。T是天线噪声温度是天线噪声温度Ta与与天线到接收机端口的天线到接收机端口的RF链所产生的噪声温度之和。链所产生的噪声温度之和。天线远场测量天线远场测量天线远场测量天线远场测量天线远场测量天线远场测量 天线远场参数的测量可以在室外进行,也可以在室内。天线远场参数
17、的测量可以在室外进行,也可以在室内。室外测试场为避免地面反射波的影响,把收发天线架设在水室外测试场为避免地面反射波的影响,把收发天线架设在水泥塔或相邻高大建筑物的顶上,主要分为:零点偏离地面的高架泥塔或相邻高大建筑物的顶上,主要分为:零点偏离地面的高架测试场、零点指向地面的高架测试场和斜天线测试场。测试场、零点指向地面的高架测试场和斜天线测试场。室内测试场在无反射室内工作。无反射室又称为微波暗室或室内测试场在无反射室内工作。无反射室又称为微波暗室或吸波暗室,它是以吸波材料作衬里的房间,能吸收入射到六个壁吸波暗室,它是以吸波材料作衬里的房间,能吸收入射到六个壁上的大部分电磁能量,较好地模拟自由空
18、间测试条件。室内测试上的大部分电磁能量,较好地模拟自由空间测试条件。室内测试场又分为:室内远场和紧缩场。场又分为:室内远场和紧缩场。天线远场测量天线远场测量天线远场测量天线远场测量室外测试场室外测试场零点偏离地面的高架测试场零点偏离地面的高架测试场 采用锐方向发射天线,使它垂直面方向图的第一个零点刚好指向待测天线塔的底部,采用锐方向发射天线,使它垂直面方向图的第一个零点刚好指向待测天线塔的底部,此时此时hr4D,如图所示。,如图所示。天线远场测量天线远场测量天线远场测量天线远场测量室外测试场室外测试场零点指向地面的高架测试场零点指向地面的高架测试场 采用锐方向发射天线,使它垂直面方向图的第一个
19、零点指向地面反射点,此时采用锐方向发射天线,使它垂直面方向图的第一个零点指向地面反射点,此时hr3.3D,如图所示。,如图所示。天线远场测量天线远场测量天线远场测量天线远场测量室外测试场室外测试场斜天线测试场斜天线测试场 斜天线测试场就是收发天线架设高度不等的一种测试场。通常把待测天线架设在比斜天线测试场就是收发天线架设高度不等的一种测试场。通常把待测天线架设在比较高的塔上,且作接收使用,把辅助发射天线靠近地面架设,由于发射天线相对待测天较高的塔上,且作接收使用,把辅助发射天线靠近地面架设,由于发射天线相对待测天线有一定仰角,适当调整它的高度,使自由空间方向图的最大辐射方向对准待测天线口线有一
20、定仰角,适当调整它的高度,使自由空间方向图的最大辐射方向对准待测天线口面中心,零辐射方向对准地面,就能有效抑制地面反射。面中心,零辐射方向对准地面,就能有效抑制地面反射。天线远场测量天线远场测量天线远场测量天线远场测量室内测试场室内测试场室内远场室内远场 相对于室外测试场,室内远场具相对于室外测试场,室内远场具有全天候、保密、对昂贵待测系统有全天候、保密、对昂贵待测系统(如即将投入使用的卫星)起到保护(如即将投入使用的卫星)起到保护作用以及能够避免外界电磁干扰等众作用以及能够避免外界电磁干扰等众多优势。多优势。天线远场测量天线远场测量天线远场测量天线远场测量室内测试场室内测试场紧缩场紧缩场 室
21、内远场测试需要很大的空间,室内远场测试需要很大的空间,如果采用射线光学原理,就可以在较如果采用射线光学原理,就可以在较小空间产生理想的平面波照射,根据小空间产生理想的平面波照射,根据这个原理,紧缩场应运而生。这个原理,紧缩场应运而生。天线远场测量天线远场测量天线远场测量天线远场测量测试场照片测试场照片天线远场测量天线远场测量天线远场测量天线远场测量辐射方向图测量辐射方向图测量 天线的辐射方向图可以在发天线的辐射方向图可以在发射或接收状态下测得。由于无法射或接收状态下测得。由于无法严格测出天线的立体方向图,故严格测出天线的立体方向图,故只能由许多切割面上的测量值来只能由许多切割面上的测量值来近似
22、。以近似。以 为变量,为变量,为参变量为参变量进行测量的切割面方向图称为俯进行测量的切割面方向图称为俯仰方向图;以仰方向图;以 为变量,为变量,为参变为参变量进行测量的切割面方向图称为量进行测量的切割面方向图称为方位方向图。方位方向图。为取得这样的方向图,转台为取得这样的方向图,转台必须能够实现两类位置控制:俯必须能够实现两类位置控制:俯仰角在方位角上面(仰角在方位角上面(EL/AZ)的)的位置控制和方位角在俯仰角上面位置控制和方位角在俯仰角上面(AZ/EL)的位置控制。)的位置控制。天线远场测量天线远场测量天线远场测量天线远场测量辐射方向图测量辐射方向图测量 天线远场测量天线远场测量天线远场
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