天线原理与设计阻抗测量6.3-输入阻抗与驻波比测量课件.ppt

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1、 天线的输入阻抗是指天线输入端电压与电流的 比值,它与天线类型、电尺寸大小、材料性质、馈 电位置及周围环境均有关系。测量天线阻抗的方法:谐振法(比较法、Q表法 及二者的综合)主要用于低、中频;电桥法 主要用于高频和超高频;测量线法主要用于微 波。天线阻抗测量的误差源及消除误差源的一般方法 1.1.网络散射网络散射:8.3 天线阻抗测量 消除网络散射的基本方法当天线有一个地面时,可 把散射网络体置于地面下方;用吸收材料遮挡散射网 络。2 2.障碍物散射障碍物散射:消除障碍物散射的方法:如果是窄波束天线,可使其 波束指向偏离障碍物;对于全方向性天线则最好在微 波暗室中测量。3.3.相互耦合：相互耦

2、合：为了消除耦合效应可以采用吸收材料遮挡或选择适 当的检测方法。4.4.泄漏：泄漏：适当屏蔽可能发生泄漏的设备可消除泄漏的影响。5.5.多路径信号：多路径信号：在不同位置进行测量，取几个数据的平均值，可较 好地克服多路径信号对测试结果的影响。二、二、测量线法测量线法 （一）、测量线：一）、测量线：测量线(或称驻波测量线、开槽线)是测量阻抗和驻 波的一种很精密的通用基本设备，它由开槽传输线、测试探头(包括探针、调谐回路、检波器和指示器)和 机械传动装置组成。最常用的传输线有：同轴测量线、平板测量线和波导测量线。（二）、测量原理：二）、测量原理：当传输线终端接上不等于其特性阻抗的负载时，沿 传输线

3、的电压和电流将形成驻波分布，其大小及分布 规律取决于终端负载阻抗的性质。不同负载时,沿传输线的电压、电流分布ZA=ZA=0 ZA=-j/(c)ZA=jL I UUUUI I I 驻波状态驻波状态驻波状态驻波状态 不同负载时,沿传输线的电压、电流分布ZA=Z0 ZA=RZ0 I UUI ZA=RZ0 UI ZA=RA-jXA UI 行驻波状态行驻波状态行波状态行驻波状态 设传输线终端负载(即天线输入阻抗)为ZA,沿传输线 离终端距离为L处的输入阻抗为Zin(L),那么二者之间 的关系为:Zin(L)=Z0 式中,Z0为传输线的特性 阻抗(),k=2/g是相 位常或波数(rad/m),g 是波导波

4、长(m),L是离开终端的距离(m)。ZA=RA+jXA UI 行驻波状态Zin(L)ZA源Z0LZA+jZ0tg(kL)Z0+jZAtg(kL)另一方面,传输线上电压驻波波节点处的输入阻抗Zmin 与驻波系数的关系为:Zmin=Z0/式中是驻波系数。如果我们用Lmin表示电压驻波第一波节点到终端的距 离,于是由式 可得电压驻波第一波节点处的输入阻抗 值为 Zmin=Z0/=Z0 ZA=Z0 ZA=Z0 -j Z0+jZAtg(kLmin)ZA+jZ0tg(kLmin)1-jtg(kLmin)-jtg(kLmin)2cos2(kLmin)+sin2(kLmin)2cos2(kLmin)+sin2

5、(kLmin)(2-1)cos(kLmin)sin(kLmin)（三）、驻波系数和第一节点位置的测定三）、驻波系数和第一节点位置的测定 1.晶体检波器的定标曲线 驻波系数是驻波波腹点电压与节点电压之比值,即 =Umax/Umin 式中Umax是驻波波腹点电压值,Umin驻波波节点电压值。晶体检波器的检波电流与检波电压之间的一般关系 为 I=B Un 式中B为常数,U是检波电压,n是晶体检波器的检波律 在弱信号工作(检波电流不大于10uA)情况下,近似认 为是平方律检波即n=2,在大信号范围,n近似认为等与1 1 即直线律。由于终端短路的传输线上的电压驻波按正弦规律分布 即 U=Asin(2L/

6、g)(6)将式(6)代入式(5)就可求得检波电流的表达式 I=Csin(2L/g)n 测晶体检波器定标曲线的具体步骤如下:将测量线输出端短路。测量两相邻驻波波节位置Lmin1和Lmin2,则波导波长为 g=2|Lmin2-Lmin1|(7)测波节位置的交叉读数法测波节位置的交叉读数法:Lmin=(L1+L2)/2 (8)移动探针,在波节和波腹 之间大约取10个点,它们离 波节的距离分别为L1,L2,L10,相应的指示器读数为I1,I2,I10。LminL1L2交叉读数法I(指示器读数)将L1,L2,L10分别代入式(U/Umax)=sin(2L/g)计 算出与之相对应的相对电压(U1/Umax

7、),(U2/Umax),(U10/Umax)。(注:Umax是波腹点电压)以相对电压U/Umax为横坐标,I为纵坐标,将相对应点 联成平滑曲线,就得到晶体检波器的定标曲线。当晶体检波器具有平方律检波特性时,不必作晶体 定标曲线,而直接由下式计算驻波系数 =Umax/Umin=(Imax/Imin)1/2 式中Imax 是波腹点的检波电流,Imin 是波节点的 检波电流。2.第一个电压波节位置Lmin的测定 通常采用终端短路法。具体方法是:当待测天线 接入 时,在测量 线上找到任一个电 压节点位置L1,然后 将天线输入端短路 (若天线直接接在测 量线终端时,就取下天线,将测量线终端端面短路),再

8、测得一个与刚才那个节点相邻(向负载方向)的电压节点位置L2,则第一个电压波节点到终端的距离为 Lmin=|L2-L1|0L1L2LminLmin短路电压驻波图接入天线电压驻波图测量线位置标尺天线接入端面第一驻波波节位置的确定第一驻波波节位置的确定 测出、g和Lmin以后,由式(4)就可以计算出天线的 输入阻抗ZA。3.大驻波系数(或小行波系数)的测量 直接测取电压驻波波腹点检波电流Imax和节点检波电 流Imin后,通过晶体检波器定标曲线查得相应的腹点电 压Umax和节点电压Umin,取其比值求得驻波系数的方法一 般称为直读法。它宜于测量驻波系数为1.056的 情况。图中各量与驻波系数的 关系

9、为 =(9)式中 L=|L2-L1|UminU0ULminL2L1LSin(L/g)(U0/Umin)2-cos2(L/g)1/2 为了提高测试准确度,可多取几个等电平U0的点进行 测量,分别测出不同U0对应的L2和L1,并分别代入式(9)计算出的值,然后再求的平均值。四、测量线法的测量误差四、测量线法的测量误差 设和Lmin的测量误差分别为 和Lmin,则天线输 入阻抗ZA=RA+jXA的测量误差为 ZA=(ZA/)+(ZA/Lmin)Lmin =RA+jXA 得 =+(10)RARA2cos2(kLmin)+sin2(kLmin)-2cos2(kLmin)+sin2(kLmin)2cos2

10、(kLmin)+sin2(kLmin)4(2-1)cos(kLmin)sin(kLmin)Lming =+(11)引起驻波系数的测量误差的大致原因有:指示器读数不准;探针导纳的影响;测量线机 械平稳度差;联接转换装置的反射等等。三三 天线互阻抗的测量天线互阻抗的测量 （一）、基本关系式（一）、基本关系式 互阻抗与阵元形式、尺寸、排列方式、阵元间距离 、激励电流及所处环境等均有关系。XAXA(2 1)2cos2(kLmin)+sin2(kLmin)2222cos2(kLmin)-sin2(kLmin)cos(kLmin)sin(kLmin)2cos2(kLmin)+sin2(kLmin)Lmin

11、g 在由大量相同而有规律间距阵元组成的天线阵中，除 靠近阵边缘的阵元外，任一对具有同样相对位置的阵元 间之互阻抗是相同的。图中天线上的各量有下面的关系 U1=I1Z11+I2Z12 U2=I1Z21+I2Z22 式中，U1，U2 分别是天线1和天线2输入端 电压；I1，I2分别是天线1和天线2输入端电流；Z11，Z22 分别是天线1和天线2的自阻抗；Z12，Z21分别是天线1和 天线2之间的互阻抗。由互易原理知 Z12=Z21 由于两天线相同，则有 Z11=Z22=ZS1 因此方程(1)可以写为天线1 天线2U1 I1I2 U2（1）（2）（3）U1=I1ZS1+I2Z12 U2=I1Z12+

12、I2ZS1 式(4)就是进行互阻抗测量的基本关系式。（二）、对称二）、对称非对称法非对称法 这种方法首先用等幅同相电压US激励天线1和天线2，测量天线1(或天线2)的输入阻抗ZS；然后用等幅反相 电压Ua激励天线1和天线2，测量天线1(或天线2)的输 入阻抗Za；最后便可求得自阻抗和互阻抗。对称情况时(等幅同相激励两天线)，由方程(4)知 US=I1ZS1+I2Z12 US=I1Z12+I2ZS1 求解方程(5)得：ZS=US/I1=ZS1+Z12（4）（5）（6）非对称情况时(等幅反相激励两天线)，由方程(4)知 Ua=I1ZS1+I2Z12 -Ua=I1Z12+I2ZS1 求解方程(7)得

13、：Za=Ua/I1=ZS1-Z12 联立求解式(6)和式(8)得：ZS1=(ZS+Za)/2 Z12=(ZS-Za)/2 通过测量得到阻抗ZS和Za后，由式(9)就可以计算得 到天线1(或天线2)的自阻抗及天线1与天线2之间的互 阻抗。（三）、开路三）、开路-短路法短路法 将方程(4)改写为：（7）（8）（9）Z1=U1/I1=ZS1+(I2/I1)Z12 Z2=U2/I2=ZS1+(I1/I2)Z12 式中Z1，Z2分别是天线1和天线2的输入阻抗。我们只激励天线1，天线2不激励，即U2=0。首先将天线2输入端开路(即Z2)，于是I2=0。由 方程(10)中的第一式可知，此时测量天线1的输入阻

14、抗 值ZO.C应为 ZO.C=Z1=ZS1 这就表明,当天线2开路时,天线的自阻抗就近似为被 激励天线1的输入阻抗。然后,将天线2短路(即Z2=0),再测量天线1的输入阻抗 ZS.C,由方程(10)中的第一式可知，ZS.C=U1/I1=ZS1+(I2/I1)Z12（10）（12）（11）而此时由方程(10)中的第二式可知，Z2=0=ZS1+(I1/I2)Z12 (I1/I2)=-(ZS1/Z12)(I2/I1)=-(Z12/ZS1)所以 ZS.C=ZS1-(Z122/ZS1)而 ZO.C=ZS1 所以 ZS.C=ZO.C-(Z122/ZO.C)Z122=ZO.C(ZO.C-ZS.C)Z12=Z

15、O.C(ZO.C-ZS.C)1/2 因此,激励天线1(天线2不激励),在开路和短路天线2 时,分别测得天线1的输入阻抗ZO.C和ZS.C后,就可由式(11)和式(14)得到天线的自阻抗和互阻抗。（四）、综合法（四）、综合法 所谓综合法是指在开路短路法和对称非对称法中（13）（14）各取一个能精确测定的量,便能较容易地测得自阻抗和 互阻抗,且有良好的精度。首先,用开路短路法精确地测得在不激励天线2开路 时,激励天线1的输入阻抗ZO.C,即 Z1=ZS1=ZO.C 然后,用对称非对称法精确地测得等幅反相激励两 天线时的非对称阻抗Za,联立求解方程组 ZO.C=ZS1=(ZS+Za)/2 Z12=(

16、ZS-Za)/2 得 Z12=ZO.C-Za 将测得的ZO.C和Za之值代入式(16),就求得了精度较高 的互阻抗值;自阻抗的值就是ZO.C的值。（16）（15）信号源 (a)信号源 (b)驻波指示器驻波指示器天线1(激励)天线2(开路)激励点开路接地板接地板接地板激励天线镜象天线综合法测互阻抗综合法测互阻抗dd （五）、互耦系数的测量五）、互耦系数的测量 在微波波段,天线阵中阵元间的相互影响一般改用互 耦系数来表征。C00C0-1C21C11C01C0-210匹配负载匹配信号源互耦系数的定义互耦系数的定义匹配信号源输入信号输入信号互耦通道参考通道匹配负载S DS D双T功分器激励阵元耦合信号

17、接收线指示器零值检波器互耦系数测量原理图互耦系数测量原理图参考信号软馈线A 精密可变移相器精密可变衰减器10R检波器指示器匹配信号源测量线匹配负载匹配负载自耦系数测量原理图自耦系数测量原理图四 阻抗法测电小天线的效率 我们知道,天线效率的一种表示法是 =Rr/(Rr+RL)=Rr/Rin(1)式中,是天线的效率;Rr是天线的辐射电阻;RL是天线 的损耗电阻;Rin是天线的输入电阻。用一个直径约为/6的导电球形罩包围位于球心的电 小天线后，就可以从输入电阻Rin=Rr+RL中消去Rr，而不 明显改变RL的值。这就意味着导电球形罩对天线上的电 流分布没有影响。按照这种方法，只需近行两次阻抗测 量，就可以将电小天线的效率求出来。第一次不放导电 球罩，测得的天线输入阻抗的实部则为天线的输入电阻 Rin=Rr+RL，另一次放入导电球罩，测得天线输入阻抗的 实部则为天线的损耗电阻RL。两次测量所得天线输入阻 抗实部之差则为天线的辐射电阻Rr。然后用式（1）就 可计算出电小天线的效率。多圈环形天线圆柱导体正方体导电罩正方形接地板0.12 0.4 0.3 cAcB电小天线效率的测量电小天线效率的测量