一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/strong>
1.了解掌握天線方向圖的工程意義。掌握電磁波輻射的原理和測(cè)量方法。
2.掌握繪制天線方向圖的一般方法，繪制并理解天線方向圖。
3.掌握天線方向圖測(cè)量的原理和方法。
二、實(shí)驗(yàn)原理
天線方向圖，是指在離天線一定距離處，輻射場(chǎng)的相對(duì)場(chǎng)強(qiáng)（歸一化模值）隨方向變化的圖形，通常采用通過(guò)天線最大輻射方向上的兩個(gè)相互垂直的平面方向圖來(lái)表示。通過(guò)研究天線方向圖，明確把握天線的輻射特性。天線的輻射特性包括天線的方向圖、天線的增益、天線的極化、天線的相位等。為了達(dá)到最佳的通信效果，要求天線必須具備一定的方向性，較高的轉(zhuǎn)換效率，以及滿(mǎn)足系統(tǒng)工作的頻帶寬度。
如果天線沒(méi)有方向性，對(duì)發(fā)射天線來(lái)說(shuō)，它所輻射的功率中只有很少一部分到達(dá)所需要的方向，大部分功率浪費(fèi)在不需要的方向上；對(duì)接收天線來(lái)說(shuō)，在接受到所需要的信號(hào)同時(shí)，還接收到來(lái)自其它方向的干擾和噪聲，甚至使信號(hào)完全淹沒(méi)在干擾和噪聲中。一副好的天線，在有效地輻射或接收無(wú)線電波的同時(shí)，還應(yīng)該具有為完成某種任務(wù)而要求的方向特性。天線所輻射的無(wú)線電波能量在空間方向上的分布，通常是不均勻的，這就是天線的方向性。即使最簡(jiǎn)單的天線也有方向性，完全沒(méi)有方向性的天線實(shí)際上不存在。實(shí)際應(yīng)用中，最關(guān)心的是天線輻射能量的空間分布，在沒(méi)有特別指明的情況下，輻射方向圖一般均指功率通量密度的空間分布。方向圖還可以用分貝（dB）表示，功率方向圖用分貝表示后就稱(chēng)為分貝方向圖，它表示某方向的功率通量密度相對(duì)于最大值下降的分貝數(shù)。天線某方向的分貝數(shù)的計(jì)算方法見(jiàn)下公式，其中P 為某方向的功率通量密度， max P 為最大功率通量密度。繪制方向圖可以采用極坐標(biāo)，也可以采用直角坐標(biāo)。極坐標(biāo)方向圖形象、直觀，但對(duì)于方向性強(qiáng)的天線難于精確表示；直角坐標(biāo)方向圖雖然沒(méi)有極坐標(biāo)方向圖形象、直觀，但更容易從中計(jì)算描述天線方向性的諸多參數(shù)。
圖1電磁輻射方向圖
通過(guò)天線方向圖可以方便的得到表征天線性能的電參數(shù)。用來(lái)描述天線方向圖的參數(shù)通常有主方向角、主瓣寬度、半功率角、副瓣寬度、副瓣電平等。上圖是極坐標(biāo)下天線方向圖的一般形狀。方向圖通常都有兩個(gè)或多個(gè)瓣，其中輻射強(qiáng)度最大的瓣稱(chēng)為主瓣，其余的瓣稱(chēng)為副瓣或旁瓣，副瓣中最大的為第一副瓣。下面我們列舉出可由天線方向圖得到的天線參數(shù)：
(1) 主方向角。指主瓣最大值對(duì)應(yīng)的角度；
(2) 主瓣寬度。也稱(chēng)零功率點(diǎn)波瓣寬度（Beam Width between First Nulls,BWFN）, 是衡量天線的最大輻射區(qū)域的尖銳程度的物理量。通常取天線方向圖主瓣兩個(gè)半功率點(diǎn)之間的寬度，也是主瓣最大值兩邊兩個(gè)零輻射方向之間的夾角，即
主瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)；(3) 半功率角。也稱(chēng)半功率點(diǎn)波瓣寬度（Half Power Beam Width, HPBW）,指主瓣最大值兩邊功率密度等于最大值的0.5倍的兩輻射方向之間的夾角，又叫3分貝波束寬度（將功率密度轉(zhuǎn)化成分貝數(shù)后，會(huì)發(fā)現(xiàn)功率密度變成最大功率密度1/2的地方對(duì)應(yīng)的分貝數(shù)比最大功率處小3dB即
(4) 副瓣寬度。指第一副瓣兩邊兩個(gè)零輻射方向之間的夾角；
(5) 副瓣電平（Side Lobe Lever, SLL）。指副瓣最大值與主瓣最大值之比，一般也以分貝表示，其中：
和
分別為最大副瓣核主瓣的功率密度最大值。
天線的方向圖，測(cè)試系統(tǒng)框圖如下圖2所示。輔助天線作發(fā)射，由功率信號(hào)發(fā)生器激勵(lì)產(chǎn)生電磁波；被測(cè)天線作接收，被測(cè)天線置于可以水平旋轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)支架上，接收到的高頻信號(hào)經(jīng)檢波后送給電流指示器顯示。
圖2 方向圖測(cè)試系統(tǒng)
圖3用微安表測(cè)量H面方向圖測(cè)量 圖4用LED燈的強(qiáng)弱顯示天線E面方向圖
圖5用微安表測(cè)量天線E面方向圖
三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
1. 用LED燈的測(cè)量顯示天線E面方向圖強(qiáng)弱。如圖2所示。
2. 用微安表測(cè)量E面方向圖，繪制天線E面方向圖。如圖3所示。
3、用LED燈的強(qiáng)弱顯示天線H面方向圖測(cè)量
4、用微安表測(cè)量H面方向圖，繪制天線H面方向圖。如圖4所示。
四、實(shí)驗(yàn)步驟
（一）H 面測(cè)量實(shí)驗(yàn)步驟
1. 按下“電磁波實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”面板右側(cè)部分的“開(kāi)關(guān)”按鈕，按鈕顏色變綠，代表系統(tǒng)啟動(dòng)。
2. 查看極化天線是否已經(jīng)架入極化天線支撐桿，保持極化天線輻射面與導(dǎo)軌方向相同。
3. 將一個(gè)SMA接頭與“電磁波實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”面板射頻輸出接口穩(wěn)固連接。然后將微波電纜的一頭與面板上的SMA接頭穩(wěn)固連接，另一頭與天線端口穩(wěn)固連接。發(fā)射天線設(shè)置為垂直極化狀態(tài)。
4. 將接收天線設(shè)置為如圖，將接收天線連接檢波輸出，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)觀察LED亮度變化情況測(cè)量E面方向圖。如圖3所示。
5. 將接收天線設(shè)置為如圖4，將接收天線檢波輸出用電纜與微安表穩(wěn)固連接。微安表測(cè)量時(shí)輸出接10dB衰減器防止微安表打表。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)并記錄微安表指針讀數(shù)，云臺(tái)讀數(shù)為刻度為2.5°，記下云臺(tái)刻度和微安表之間的讀數(shù)對(duì)應(yīng)值，測(cè)量畫(huà)出E面方向圖。
（二）E 面測(cè)量實(shí)驗(yàn)步驟
6. 發(fā)射天線設(shè)置為垂直極化狀態(tài)，將接收天線設(shè)置為如圖5，將接收天線檢波輸出用電纜與微安表穩(wěn)固連接。微安表測(cè)量時(shí)輸出接10dB衰減器防止微安表打表。轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)并記錄微安表指針讀數(shù)，云臺(tái)讀數(shù)為刻度為2.5°，記下云臺(tái)刻度和微安表之間的讀數(shù)對(duì)應(yīng)值，測(cè)量畫(huà)出H面方向圖。
7．按照“采樣點(diǎn)距”設(shè)置要求，用云臺(tái)非金屬轉(zhuǎn) 盤(pán)(俯仰角)將天線從與導(dǎo)軌平行旋轉(zhuǎn) 5°到偏離水平方向 5°。將旋轉(zhuǎn)云臺(tái)的手移開(kāi)，盡量保持在采第一個(gè)點(diǎn)時(shí)的環(huán)境狀態(tài)，減少環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾。獲取天線5°時(shí)，天線接收到的強(qiáng)度。
8.按下的“TX”按鈕，按照“采樣點(diǎn)距”設(shè)置要求，用云臺(tái)非金屬轉(zhuǎn)盤(pán)(俯仰角)將天線從與導(dǎo)軌平行旋轉(zhuǎn) 5°到偏離水平方向10°。將旋轉(zhuǎn)云臺(tái)的手移開(kāi)，盡量保持在采第一個(gè)點(diǎn)時(shí)的環(huán)境狀態(tài)，減少環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾。獲取天線10°時(shí)，天線接收到的強(qiáng)度。
9. 將制作好的天線安裝在云臺(tái)支臂上，然后用云臺(tái)支臂固定旋鈕固定。
10. 旋轉(zhuǎn)云臺(tái)接收天線并記錄微安表指針讀數(shù)，記錄角度與微安表讀數(shù)之間的關(guān)系曲線。
11.將收發(fā)天線設(shè)置為水平極化狀態(tài)，將制作好的天線安裝在云臺(tái)支臂上，然后用云臺(tái)支臂固定旋鈕固定。
12. 旋轉(zhuǎn)云臺(tái)接收天線并記錄微安表指針讀數(shù)，記錄角度與微安表讀數(shù)之間的關(guān)系曲線。
13.用云臺(tái)金屬轉(zhuǎn)盤(pán)將天線從與導(dǎo)軌平行旋轉(zhuǎn)5°到偏離水平方向5°。將旋轉(zhuǎn)云臺(tái)的手移開(kāi)，盡量保持在采第一個(gè)點(diǎn)時(shí)的環(huán)境狀態(tài)，減少環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾。
五、注意事項(xiàng)
1.按下按鈕時(shí)，若沒(méi)有功率輸出，應(yīng)立即停止發(fā)射，檢查射頻電纜頭與儀器的接頭是否連接牢固，檢查射頻電纜小頭的SMA頭與天線的輸入端口是否牢固連接；用微安表測(cè)量時(shí)輸出接10dB衰減器防止微安表打表。防止空載工作燒壞微波放大器。
2.盡量減少按下按鈕的時(shí)間，以免影響其它小組的測(cè)試準(zhǔn)確性。
3.測(cè)試時(shí)盡量避免人員走動(dòng)，以免人體反射影響測(cè)試結(jié)果。
六、報(bào)告要求
1．按照標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)報(bào)告的格式和內(nèi)容完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告；
2．對(duì)實(shí)驗(yàn)中的現(xiàn)象分析討論；
表1用微安表測(cè)量方向圖
| 電壓/mv電壓與基準(zhǔn)電壓比值 | ||||||||
| 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° |
