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第 10章 天线测试技术,10.1 天线测试条件 10.2 方向图测试技术 10.3 增益测量技术 10.4 常用测量仪器简介,10.1 天线测试条件,10.1.1 天线场区的划分 发射天线是辐射电磁波的波源，其周围的场强分布一般都是距离和角坐标的函数。通常, 根据离开天线距离的不同，将天线周围的场区划分为感应场区（近区）、辐射远场区（远区）和辐射近场区（中区）。这和电基本振子产生的场区划分是一致的。在近区，感应场占优势，它的外边界约为一个波长。越过感应场区就进入中区了。此区内场的角分布与距离有关, 天线各单元至观察点的射线不平行。在各单元对场的贡献中，其相对相位的相对幅度是离开天线距离的函数。进入远场区后，场的角分布与距离无关，即天线各单元至观察点的射线可以认为是平行线。严格地讲，只有离天线无穷远才是天线的远区。但在某个距离上，当场的角分布与在无穷远时场的角分布的误差在允许范围内时，就可把该点至无穷远的区域称为天线的远区。,图10-1两类天线的辐射场区 （a） 口径型天线; （b）电小天线,10.1.2 最小测试距离,1相位条件 收、发天线都有一定的口径尺寸。因此，在有限距离下， 收、发天线口面各点距离并不相同。从图10-2可见，收、发天线的中心距离r最小；其口径相对边缘的距离rmax最大，且,所以，因其距离不同而产生的最大相位差为,(10-1-1),式中, D1和D2分别为收、发天线的口径尺寸。,图10-2 被测天线的最大口径相位差,当rD1D2时，有,(10-1-2),如果要满足测量精度要求max/8，则相位条件要求的最小测试距离为,（10-1-3）,对于多数实用的圆口径天线，口径场均从中心向边缘逐渐减弱， 因此边缘附近的场对辐射特性的影响较小，故可把相位条件放宽。例如取max=/4，则,（10-1-4）,当只知道被测天线的口径尺寸为D1时，通常采用的最小测试距离公式为,（10-1-5）,2 横向幅度条件 为确保测试精度, 通常要求被测天线的口径边缘处入射场的幅度相对于中心不得低于某值，例如0.25dB。这样就要求被测天线口径对发射天线中心的张角， 应远小于发射波瓣宽度20.5。若采用小口径发射天线，这个要求容易实现。否则， 应按发射天线的实际方向图来计算，从而确定最小测试距离。,3. 纵向幅度条件 如果被测天线是长度为L的端射天线，由于天线上不同点到发射天线的距离不等，因此接收天线的各点场强不等，被测天线前后两端的功率密度比为,其中，r0为收、发天线中心点之间的距离。根据测试精度，需限制S的大小，例如要求S1 dB，则满足纵向幅度条件的最小测试距离,在天线测量时， 应取以上各条件所要求的最小测试距离中的最大值。,10.1.3 测试场地 当测试天线辐射特性时，最理想的测试场地是自由空间， 但实际上难以办到。模拟自由空间的测试场的方法之一是建造电波暗室。它是一个室内每面均覆盖吸波材料的电磁屏蔽房间。 其房间大小应满足天线测试场的尺寸要求。例如其长度应大于最小测试距离。吸波材料能吸收投射来的电波而不产生反射， 以便达到模拟自由空间的目的。由于造价等原因，电波暗室方案通常适用于微波波段，所以通常称作微波暗室。,常见测试场地都选择空旷地。不应有高架的输电线、电话线、树木以及建筑物等，以消除周围物体产生的反射波。对于地面反射的影响，可采取措施让其减至最低程度。例如选用高架天线测试场和斜天线测试场，可在一定程度上消除地面反射对天线测试场的影响。如图10-3所示的高架天线法，就采用强方向性天线作发射天线，并使其第一个零点方向指向反射点。为了进一步消除地面反射波的影响，可在反射点附近设置反射屏，反射屏的存在使反射波偏离被测天线；或者在反射点附近设置电波吸收材料，减少射向被测天线的反射波强度。图10-4所示的斜天线测试法，是把被测试天线高架并作为接收天线，辅助的发射天线靠近地面架设，适当调整发射天线高度，使自由空间方向图的最大辐射方向对准被测天线中心，零辐射方向对准地面反射点，可使地面反射减至最小。它实质上是高度不等的高架测试场。,图10-3 高架天线测试场,图10-4 斜天线测试场,10.2 方向图测试技术,10.2.1 固定天线法 本法用于测量大型固定天线或安装完毕的天线方向图。 测试时, 被测天线固定不动并作为发射天线使用。辅助天线作为接收天线，它与发射天线保持某一固定距离（大于最小测试距离）， 在所需的平面上测试天线的方向图。,10.2.2 旋转天线法 旋转天线法是最基本也是最常用的方向图测量方法，如图10-5所示。图中被测天线为接收状态，可在水平面内绕轴转动； 辅助天线为发射状态，固定不动。设收、发天线均为同向线极化或同旋向圆极化，在被测天线步进式绕轴转动一周的过程中不断地记录指示器的指示，可以得到该天线的水平面方向图。 如果将两天线口径同时转动90，就可测出被测天线的另一个平面的方向图。,图 10-5 用旋转天线法测方向图,10.3 增益测量技术,增益测量分为相对增益测量和绝对增益测量。 它们都是以自由空间的功率传输公式为基础，即,（10-3-1）,式中: Pr为接收天线的最大接收功率；Pin为发射天线的输入功率；Gt为发射天线的增益；Gr为接收天线的增益。 式(9 -3-1)是在收、发两天线极化匹配，无失配损耗时得出的。,10.3.1 用比较法测量天线增益 实际测量时，可按先后次序把被测天线和标准增益天线接到信号源上，并调整它们使之分别与辅助接收天线的最大辐射方向对准，调可变衰减器使接收指示装置（电表、选放或接收机）有一个合适指示。在两种状态下维持相同的指示电平， 用功率计分别测得被测天线的输入功率PinX和标准天线的输入功率PinS。因标准天线增益Gs已知，则被测天线的增益为,（10-3-2）,如果用精密可变衰减器的读数表示被测天线的增益，则式（10-3-2）可改为,（10-3-3）,式中, AS和AX分别为保持接收天线输出指示不变时，接入标准天线和被测天线的可变衰减器的相应分贝读数。,图 10-6 把被测天线作为发射天线来测量天线增益的框图,10.3.2 用双天线法测量天线增益 有A、B两个相同天线，其增益为G，设A、B中一个作为发射天线， 另一个作为接收天线， 收、发相距r。根据功率传输公式（10-3-1）可得被测天线的增益为,（10-3-4）,式中，Pr为接收天线的最大接收功率，PA为发射天线的输入功率。 由此可见，只要测出功率比Pr/PA，距离r和波长，就能计算出被测天线增益。为了消除测量误差，通常把收发天线互换， 再测一遍，取平均值。,10.3.3 用镜像法测量天线增益 用镜像法测量天线增益只需用一副天线，但还需要一个尺寸足够大的良导电金属板。镜像法实际上是将双天线法中的第二副天线视为无限大理想导电平面另一侧的镜像。图10-7是用镜像法测量天线增益的示意图。在放入金属反射屏之前使天线与馈线匹配，放入金属屏后天线接收到屏的反射波，在传输线中形成驻波。根据驻波的大小，可以得出天线增益的大小。天线接收到的屏反射回的功率为,所以,（10-3-5）,即,式中，是反射系数，是电压驻波比。已知工作波长，天线到平板的距离r/2，测出反射系数|或电压驻波比，即可得到被测天线的增益。,图 10-7 用镜像法测量天线增益的示意图,10.4 常用测量仪器简介,10.4.1 BIRD牌天馈测试仪 图10-8 所示的BIRD牌天馈测试仪是手持式的电缆和天线测试仪，主要应用于各种通信基站天馈线系统的测试，包括集群、 GSM、PCS/DCS、CDMA、GPRS、3G、寻呼和主干电缆等系统的应用。在天馈线系统安装、调试及日常维护时，可进行驻波比（VSWR）、回波损耗、电缆损耗、功率及故障定位等测试。 其测试频率范围为254000 MHz。,图 10-8 BIRD牌天馈测试仪,1. BIRD牌天馈测试仪的特点 (1) 抗干扰能力强， 对测试无限制条件。 较高的干扰信号电平将会影响其他同类测试仪的使用，而BIRD天馈测试仪具有较高的抗干扰能力，它在现场测试能够抑制+13 dBm/+22 dBm 的干扰信号，因此可在无需关闭通信设备的情况下进行现场天线分析。 其测量精确度及再现性高。,(2) 运行速度快, 易于操作。 BIRD设计的现场分析对初学者、偶尔使用者及常用者均易操作。其测试范围广泛，可以用于天馈系统的细微调整， 具有极快的切换速率和优越的测试能力，运行速度快。即使是没有经验的技工也可以掌握。,(3) 快速识别细小的问题， 防患于未然。 其优点还包括： 60 dB的高动态范围保证了细小故障的定位。 高分辨率的标记读出驻波比数据， 与昂贵的实验室设备具有相同的精度。 使用该仪器可对现存的测量数据进行转换， 利用PC机进行分析。 可进行电缆插入损耗测量。 拥有功率测量能力。,(4) 分析软件可以生成规范的报告。 该现场分析仪自带分析和报告功能，可无限制查询测试报告。使用者可以将测试数据下载至PC机上进行分析。BIRD测试仪具有用户界面友好、兼容性强的特点，使用Windows 95/98/NT兼容软件可以完成大量的跟踪测试分析，也可以对其他电缆和天线测试仪生成的数据进行分析， 便于携带, 分析能力强。 (5) 先进可靠的电池技术， 手提操作。 全新的现场分析仪带有先进的电源系统，使用手提式操作。 一个内置电池每次充电可以提供至少3小时的操作时间。用一个可选的外接电池组可以延长操作时间。,2. 两款BIRD牌天馈测试仪的性能及参数 1) SA-4000便携式电缆及天线测试仪 (1) 频率特性： 测试频率范围： 254000 MHz。 频率分辨率： 在25800 MHz， 分辨率为25 kHz； 在8002500 MHz，分辨率为 50 kHz； 在25004000 MHz，分辨率为1000 kHz。 (2) 测试特性： 回损为0-60 dB,(3) 测试端口： N型（阴）。 (4) 阻抗： 50 。 (5) 扫描速度： 每3秒一次多频扫描， 采样点为 238个。 (6) 抗干扰性： 最高抑制信号达+13 dBm（偏离中心载频10 kHz）; 最高抑制信号达+22 dBm（偏离中心载频1 MHz）。 (7) 最大输入信号： +22 dBm。 (8) 外设端口： 数据传输：9针RS-232，与计算机串口兼容，可选择波特率、 奇偶性及信号交换。 打印机： 25针并行口， 内置驱动程序， 支持惠普打印机。,(9) 电源： 内部：可充电锂电池（最少可用3小时， 具有自动关机功能， 延长电池寿命）。 外部直流： 916。 外部交流： 100220 V， 5060 Hz。 (10) 环境： 工作温度： -1050。 储藏温度： -4080。 湿度： 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：标准配置包括软包、 用户手册、 串口电缆、 基于Internet的升级软件以及交流充电器/适配器。,2) SA-2500A便携式电缆及天线测试仪 (1) 频率特性： 测试频率范围： 7802500 MHz。 频率分辨率： 50 kHz。 (2) 测试特性： 回损为 0-60 dB。 (3) 测试端口： N型（阴）。 (4) 扫描速度： 每4秒一次多频扫描， 采样点为238个。 (5) 抗干扰性： 最高抑制信号达+13 dBm（偏离中心载频10 kHz）；最高抑制信号达+22 dBm（偏离中心载频1 MHz) 。,(6) 最大输入信号：+22 dBm。 (7) 外设端口： 数据传输： 9针RS-232， 与计算机串口兼容， 可选择波特率、 奇偶性及信号交换。 打印机： 25针并行口， 内置驱动程序支持惠普打印机。 (8) 电源： 内部： 可充电锂电池（最少可用3小时， 具有自动关机功能， 延长电池寿命）。 外部直流： 916 V。 外部交流： 10022 V， 5060 Hz。,(9) 环境： 工作温度： -1050。 储藏温度： -4080。 湿度： 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： 标准配置包括软包、 用户手册、 串口电缆、 基于Internet的升级软件以及交流充电器/适配器。,10.4.2 AT-800型移动通信天线特性分析仪（美国） AT-800 是专为移动通信基站天线系统设计的，是数字和模拟移动通信基站、直放站安装调试和检验的最佳测试仪。它主要用来测试天线驻波比、匹配效率、回波损耗及电场强度， 并以数字和波形显示在宽大的LCD屏幕上。它具有手持式菜单操作， 使用起来快速方便。,10.4.3 S330系列手持式天馈线测试仪（日本） S330采用FDR最新技术，测试53300 MHz通信用天馈线的状态，可精确定位天馈线破损（或其他问题）的位置，测量天馈线的插入损耗， 回损及驻波比, 可以以时域或频域波形显示测试结果。它具有Windows界面， 操作方便、 简单， 可替代价格昂贵、笨重、复杂的网络分析仪和TDR测试仪, 是安装和维护发射站及RF传输线最佳的必备测试仪。,S330的高冲压外壳重量轻，其耐震及符合人类工程学的外形设计便于手持式操作；其高亮度、高分辨率彩显突出了重要测试结果，同时可清楚地组织操作功能和测试结果； 直观的菜单键和菜单操作方便用户集中精力进行测试；四个常用用户功能键提高了测试速度；最多可存储5组校准曲线； 弹出菜单可预置70种电缆型号及30种频率段，方便快速正确地选择测试参数；测试数据存储于非易失存储器内；数据标号允许用户描述测试数据的名称；自动生成的时间/日期标识，方便用户整理测试数据；,内设分析功能，帮助用户在无法使用个人电脑的情况下， 直接利用屏幕进行两条迹线的比较；高亮度、彩色的屏幕突出了主要的信息，帮助用户快速定位故障；先进的液晶技术使仪器在各种环境下都能获得良好的视觉效果；精确的标记提供了驻波比为0.01 dB的分辨率；自动的标记偏差用于比较两条迹线， 以反映天线系统性能的变化；“通过/失败”显示，帮助用户快速选择是否继续进行测试；数字信号处理提供了2 s的迹线刷新时间; 可存储60组带时间/日期标记的测试数据; 内设打印机接口， 可进行直接数据打印和即时记录。,习 题 9,10-1 以被测天线工作于接收状态为例， 说明如何确定最小测试距离。 10-2 欲测试30cm波段矩形角锥喇叭的方向图，已知被测和辅助喇叭天线的类型和尺寸相同，口径尺寸为110.4cm14.4cm， 中心波长03.2 cm，试确定最小测试距离。 10-3 理想的天线测试场应是什么样的？ 超短波和微波天线可以选择什么样的测试场，并采取哪些措施消除地面反射对天线测试的影响？ 10-4 阐述用旋转天线法测试方向图的原理。试画出被测天线处于发射状态的测试框图。,
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