作者：王玖珍,薛正辉
出版社：人民邮电出版社
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天线测量实用手册(第2版)试读：
前言
自2013年1月《天线测量实用手册》面世以来，该书得到业内广大读者的热情关注，初版印刷4000册，在短短两年内销售一空，可见社会及技术领域研究人员对天线产品质量的重视和对学习天线测量技术的渴求。
本书出版后，我们经常接到热心读者的催询，因而欣闻人民邮电出版社有再版意向之时，我们也非常乐见其成。同时，移动通信、北斗导航、航空航天等领域新型天线已经出现，原书内容有些滞后，亟待更新。尽管我们时间和能力有限，不可能将此书做成天线测量的百科全书，但我们会想尽办法满足热心读者的需求。出于以上两个方面的考虑，我们愿意对原书进行修订。
在新版书中，我们对个别章节进行了适当修改和增容，主要是增加了第8章。第8章重点介绍了手机天线测量、微波通信天线测量、天线罩测量及相控阵天线测量等技术。
当前，天线技术之发展日新月异，正处于原理、功能、结构和材料等不断革新之繁荣时期。相信本书的再版会给天线这个大花园添枝加叶，会给后人启迪而在此基础上逐渐拓展，盼本书能对广大读者有所裨益。
本书的再版得到东君伟博士、谭成德、李志新、麦国亮等专家的建议、帮助，在此一并致谢。编者2017年8月第1章天线测量入门知识1.1 天线测量的意义、任务、内容、发展历史1.1.1 意义
测量是人类认识和改造客观世界的一种必不可少的手段。没有测量，就没有科学。科学的发展促进了测量技术的提高，测量技术的提高反过来又促进了科学技术的发展。测量技术的水平已被公认为是一个国家的科学技术和现代文化水平的重要标志之一。
天线是无线电设备的重要组成部分，是人们见闻世界的耳目，是人类与太空的联系，是文明社会的组成要素。从赫兹1886年建立第一个天线系统，到今天门类众多的天线大家族，天线测量技术不断提高，测量设备不断改进，人们对天线的认识和改造所付出的不懈努力起了巨大的推动作用。
在我国，随着卫星通信、卫星导航定位、微波通信、移动通信、遥测遥控、雷达等领域的飞速发展，天线行业已在国民经济中占据重要地位，尤其是移动通信天线、卫星通信天线、微波通信天线等生产厂家遍布我国各地。为了适应客户高质量的需求，许多厂家花巨额资金建造测量场地、购置了精良仪器，在此情况下，建立测试队伍、培训技术人才，普及天线测量知识、提高测量技术就显得非常重要。1.1.2 任务
众所周知，由于天线有两方面的特性：电路特性（输入阻抗、辐射电阻、噪声温度、频带宽度等）和辐射特性（方向图、增益、极化等）。所以天线测量的任务就是用试验的方法测定和检测天线的这些特性。天线测量是研究天线的一种重要手段：即可用来检验理论分析的正确性；抽样检验批量生产中天线参数的合格率，以及定期检查现场使用中天线性能的变动。特别是研究一种新型天线时，天线参数的测量更是必不可少的。因此天线测量技术就成了解决天线问题的重要途径，特别是天线技术中某些理论上难以进行定量分析的新课题，更依赖于试验数据进行分析研究。1.1.3 内容
由于天线测量以测试仪器为手段，以测量天线参数为目的，所以天线测量的基本内容主要是：介绍测量仪器的正确操作使用方法，如何设计、搭建测量系统；针对不同用途的天线参数给出具体的测量方法步骤；依据书中推荐的国家、行业等标准引导你对测试结果进行分析判定。
天线测量的意义表现在给设计者以正确的依据及导向作用，然而任何一种测量都是有误差的，所以测量过程就是对误差控制的过程。天线测量技术的高低也就主要体现在对测量误差的分析处理上，所以天线测量应以如何正确组建测量系统、正确操作使用仪器和以正确的方法准确测量天线参数为主要内容。1.1.4 发展历史
在20世纪20年代以前，人们用圆弧上逐点移动法测试HF频段固定天线的水平方向图；20世纪30年代中期则发展了用于天线测试的波导测试元器件和系统；到20世纪40年代天线测试技术提高很快，有关天线的基本测试方法和问题得到解决；20世纪50年代，美国Antlab和Scientific Atlanta(S-A)两个公司已可专业化研制和生产成套天线的测试设备；20世纪60年代，天线测试方法开始更新，大量测试技术文献出现，并逐步开始研究紧缩场法和近场法；20世纪70年代和80年代是天线测试自动化的年代，美国诞生了天线测试技术协会（AMTA）；20世纪90年代以后，近场测试技术得到广泛应用。通过硬件的改进及软件的升级，测试精度和效率在不断提高，测试成本也在逐步降低。
经过几十年的发展，目前国内外都有比较成熟的天线自动测试系统产品，例如以色列Orbit公司生产的天线测试系统、美国MTI公司生产的天线自动测量系统等。测量系统的产品性能指标不断提高，功能进一步增强，可以在0.1～90GHz的频带内自动完成天线远场和近场测量任务。
我国在天线测试技术研究方面起步较晚，直到20世纪80年代才颁布测试方法的标准，一些天线测试技术论著也陆续问世，奠定了我国天线测量技术的理论基础，我国逐步对天线测试设备及技术开始研究。近年来通过开放、引进、消化、创新，我国的天线测量仪器设备正逐步缩小与国际水平的差距，测量技术也随之提高。国内有关厂所院校，如河北威赛特科技有限公司、西安科技大学等，自主创新研发生产了天线自动测试系列产品，借用强大的测试软件功能，该产品不但能快速高精度测量天线的性能，而且操作简单方便，系统稳定可靠，目前在国内得到较为广泛的应用。1.2 电磁波的特性
天线测量是在开放性系统中进行的，电磁波承载着测试信号通过自由空间传播。天线测量每时每刻都在与电磁波打交道。电磁波有着自己的特性和传播规律。为了有效地进行天线测量和进行测量误差的分析，对于从事天线测量的人员来说，学习、了解并且掌握相关的电磁波知识是必要的。电磁波造福于人类，同时也在污染环境，学习了解电磁波的这些辐射特性，增强安全防护意识，避免电磁波辐射可能对我们造成的伤害，是非常重要的。1.2.1 电磁波的频率、波长
1.频率与波长
单位时间内电磁波重复的次数，称为电磁波的频率，用f表示，单位是赫兹（Hz）。常用单位有千赫兹（kHz）、兆赫兹（MHz）、吉赫兹（GHz）。
波长是频率的“倒数”，用λ表示。它是周期性振荡波形相位相同的两点的最小距离。单位是长度量纲，常用单位有米（m）、厘米（cm）、毫米（mm）。波长和频率一样，在天线测量中都是要经常遇到的，而在分析问题时用波长更为直观方便。波长和频率的关系见式（1.2.1）。8
其中，c是电磁波在自由空间的传播速度（c=3×10m/s）。
2.电磁波的频谱
电磁波的频谱异常广阔，不同频率和波长的电磁波特性和传播方式也不同，所以我们在天线测量中会遇到各种不同的情况。电磁波频谱按频段划分如表1.2.1所示。雷达和空间无线电通信频段划分如表1.2.2所示。
无线电频率以Hz（赫兹）为单位，其表达方式为：
——3 000kHz以下（包括3 000kHz），以kHz（千赫兹）表示；
——3MHz以上至3 000MHz（包括3 000MHz），以MHz（兆赫兹）表示；
——3GHz以上至3 000GHz（包括3 000GHz），以GHz（吉赫兹）表示。表1.2.1 电磁波频谱按频段划分表1.2.2 雷达和空间无线电通信频段划分续表1.2.2 电磁波的辐射、传播和衰减
电磁波由辐射源发出，如果在自由空间中行进，由于没有介质和障碍物的影响，会以光速直线前进。电磁波在自由空间中传播辐射，其能量不会被吸收，也不会发生反射、折射、衍射和散射等现象，是一个能量不断扩散的过程。其能量密度与距离的平方呈反比关系。这种扩散损耗随频率和距离每增加一倍，自由空间的衰减就增加6dB。在实际中，自由空间是不存在的，地表和对流层的影响会增加附加衰减，所以在天线测量中要尽可能架高天线。1.2.3 电磁波的反射、散射和二次辐射
电磁波在传播过程中，当遇到与其波长相比拟的物体或者进入另一种介质以后，它的传播方向会改变。这就是电磁波的反射、折射、衍射、散射现象。当电磁波遇到线性导体时，特别是线长为波长λ的1/4、1/2或整数倍时，电磁波会在导体中感应产生比较大的交变电磁场，如同又出现了一个辐射体，从而产生了新的二次辐射波。在天线测量中，尤其是在选择测试场地时要尽量避开高压线、电话线等。1.2.4 对电磁辐射的防护
天线测量是在开环测试系统中进行的，天线测试人员每天都在和看不见摸不着的电磁波打交道，电磁波也会在不知不觉中对你产生伤害，那么如何了解并防护它呢？事实上，我们周围的环境充满了电磁辐射：微波通信及移动通信基站、手机、微波炉、电子医疗器械等。我国政府有关部门根据对部分动物的实验以及对微波环境下工作人员的健康检查结果，于1979年提出了一个暂行标准。该标准规定：在8h/d连续照射环境中，最大平均辐射功率密度不得超过0.038m W/cm²；而在8h/d短时间间断照射环境中，辐射量不得超过0.3m W•h/cm²，最大平均辐射功率密度不允许超过5m W/cm²；当功率密度超过1m W/cm²时必须使用个人防护。
1989年我国颁布了作业场所微波辐射卫生标准（GB10436-89），修改和规定了新的电磁辐射卫生标准限量值。
1.连续波8h/d暴露的平均功率密度为50μW/cm²，平均功率密度按式（1.2.2）计算。
式中，P：容许的辐射平均功率密度，单位为μW/cm²；d
t：受辐射时间，单位为h。
2.脉冲波（固定辐射）8h/d平均功率密度为25μW/cm²，暴露的平均功率密度按式（1.2.3）计算。
非固定辐射脉冲波的容许强度与连续波相同。
3.肢体局部辐射（不区分连续波和脉冲波）8h/d平均功率密度为500μW/cm²，暴露的平均功率密度按式（1.2.4）计算。
由国家环境保护局制定的《电磁辐射防护规定》（GB8702-88）中规定：职业照射，在每天8h工作期间，任意连续6min全身平均的比吸收率（SAR）应小于0.1W/kg；公众辐射环境中，24h内任意连续6min全身平均的比吸收率（SAR）应小于0.02W/kg。该规定中还给出了详细的导出限值，其中职业照射条件下，在每天8h的工作期间内，电磁辐射场的场量参数在任意连续6min内的平均值列于表1.2.3中。表1.2.3 职业照射条件下的导出限值① 系平面波等效值，供对照参考。② 供对照参考，不作为限值；表中f为电磁波频率，单位为MHz，表中数据作了取整处理。
公众照射条件下，在每天8h工作期间内，电磁辐射场的场景参数在任意连续6min内的平均值应满足表1.2.4的要求。表1.2.4 公众照射条件下的导出限值① 系平面波等效值，供对照参考。② 供对照参考，不作为限值；表中f为电磁波频率，单位为MHz，表中数据作了取整处理。1.3 天线的基本概念1.3.1 天线的定义、功用和分类
1.天线的定义
我们知道，通信、雷达、导航、广播、电视等无线电设备，都是通过无线电波来传递信息的，都需要有无线电波的辐射和接收。在无线电设备中，用来辐射和接收无线电波的装置称为天线。天线为发射机或接收机与传播无线电波的媒质之间提供所需要的耦合。天线和发射机、接收机一样，也是无线电设备的一个重要组成部分。
2.天线的功用
天线辐射的是无线电波，接收的也是无线电波，然而发射机通过馈线送入天线的并不是无线电波，接收天线也不能把无线电波直接经馈线送入接收机，其中必须经过能量转换过程。下面我们以无线电通信设备为例分析一下信号的传输过程，进而说明天线的能量转换作用。
在发射端，发射机产生的已调制的高频振荡电流（能量）经馈电设备输入发射天线（馈电设备可随频率和形式不同，直接传输电流波或电磁波），发射天线将高频电流或导波（能量）转变为无线电波—自由电磁波（能量）向周围空间辐射（见图1.3.1）；在接收端，无线电波（能量）通过接收天线转变成高频电流或导波（能量）经馈电设备传送到接收机。从上述过程可以看出，天线不但是辐射和接收无线电波的装置，同时也是一个能量转换器，是电路与空间的界面器件。图1.3.1 天线能量转换原理示意图
3.天线的分类
要给品种繁多的天线分类是一件非常困难的事情。但不同用途、不同频段的天线，在测量技术要求及方法上都有所不同，下面对天线进行大致分类。（1）按工作性质分为：发射天线、接收天线和收发共用天线。（2）按用途分为：通信天线、雷达天线、广播天线、电视天线、导航、跟踪、遥测天线等。（3）按波长分为：长波、中波、短波、超短波、微波及毫米波天线等。（4）按频段分：极低频、超低频、甚低频、中频、高频、特高频天线等。（5）按波段分：L、S、C、X、Ku、K、Ka等。
另外，我们还可以按结构形式分为面天线和线天线等。1.3.2 天线测量的典型配置
大多数普通天线的测量是测定其远场的辐射特性，如方向图（幅度、相位、极化）、旁瓣电平、增益、频带宽度等。本节将定义这些测量的基本概念。
图1.3.2为测量辐射特性的典型配置。基本步骤是将一副发射或接收的源天线放在相对于待测天线（AUT）的远场位置上，待测天线架设在可旋转平台上，旋转待测天线，借以采集大量方向图取样值，实现天线辐射特性的测量。由于天线是电磁开放系统，测试环境对测量结果将产生影响，因此必须合理选择测试场地，尽量实现无反射的环境，如建造微波暗室等。图1.3.2 测量天线辐射特性的典型配置1.3.3 天线测量中的互易性
天线测量中被测天线的工作状态可以是发射状态，也可以是接收状态。这可根据测量的内容、设备、场地条件等因素灵活选择。由天线互易原理得知，两种工作状态测量该天线参数的结果应该是一致的。
然而在实际测量中，互易原理必须在一定条件下才能应用。
1.天线必须是线性的、无源的，如卫星电视接收天线，其馈源与高频头（LNB）为一体化的，不能用作发射。
2.收发系统阻抗匹配要良好。虽然待测天线和源天线之间存在多次反射，但由于自由空间传播的衰减，这种影响并不严重。源天线、馈线、信号源、待测天线、馈线及接收机，它们相互间的阻抗匹配是满足互易原理的重要条件。
3.调换天线时，收发支路无有源器件，如功率放大器、低噪声放大器、混频器等。1.3.4 近场和远场
天线是一种能量转换装置，发射天线将导行波转换为空间辐射波，接收天线则把空间辐射波转换为导行波。因此，一副发射天线可以视为辐射电磁波的波源，其周围的场强分布一般都是离开天线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、辐射近场区和辐射远场区，如图1.3.3所示。图1.3.3 天线的场区
1.感应场区
感应场区是指很靠近天线的区域。在这个场区里，不辐射电磁波，电场能量和磁场能量交替地存储于天线附近的空间内。电小尺寸的偶极子天线，其感应场区的外边界条件是λ/2π。这里，λ是工作波长。
2.辐射近场区
在辐射近场区（又称菲涅尔区）里电场的相对角分布（即方向图）与离开天线的距离有关，即在不同距离处的方向图是不同的。这是因为：（1）由天线各辐射源所建立的场之相对相位关系是随距离而变的；（2）这些场的相对振幅也随距离而改变。在辐射近场区的内边界处（即感应场区的外边界处）天线方向图是一个主瓣和副瓣难分的起伏包络；（3）随着离开天线距离的增加直到靠近远场辐射区，天线方向图的主瓣和副瓣才明显形成，但零点电平和副瓣电平均较高。辐射近场区的外边界按通用标准规定见式（1.3.1）
式中，r是观察点到天线的距离；
D是天线孔径的尺寸。
3.辐射远场区
辐射近场区的外边就是辐射远场区（夫朗荷费区）。该区域的特点是：（1）场的相对角分布与离开天线的距离无关；（2）场的大小与离开天线的距离成反比；（3）方向图主瓣、副瓣和零值点已全部形成。
辐射远场区是进行天线测试的重要场区，天线辐射特性所包括各参数的测量均需在该区进行。实际测量中必须遵守式（1.3.1）所示的近、远场的分界距离。
图1.3.4所示是电小尺寸L/λ＜1（L是线天线的最大尺寸）的线天线的场区。由图可见，电小天线只存在电抗近场区和辐射远场区，没有辐射近场区。常把辐射远场区与电抗近场区相等的距离定义为L/λ＜1一类天线电抗近场区的外界，越过了这个距离（R=2π/λ），辐射远场区就占优势。图1.3.4 电小尺寸天线的场区
为了表征辐射远场区相对电抗近场区的大小，常用它们的相对比值。由电基本振子的场方程可以求得电抗近场区与辐射远场区之比，若用dB表示则为
不同距离上的场强比值如表1.3.1所示。表1.3.1 不同距离上的场强比值1.3.5 天线辐射特性测量法分类
天线辐射特性测量方法如图1.3.5所示。远场法可分为室外场、室内场及紧缩场测试法；近场法可分为平面、球面、柱面近场测试法。
1.远场法
远场法又称为直接法，所得到的远场数据不需要计算和后处理就是方向图。但是它往往需要很长的距离才能测试天线的特性，所以大多数的远场法都在室外测试场地进行。室外场又分高架场和斜架场，统称为自由空间测试场，主要缺点是容易受外界的干扰和场地反射的影响。远场法如果在暗室里进行就称为室内场。因为所需空间很大，室内场往往成本高。
紧缩场在分类上是属于远场测试场，但是它不用很大的测试场，而是用一个抛物面天线和馈源，馈源放在抛物面天线的焦点区域，经过抛物面反射的波是平面波。这样被测天线就在平面波区域。紧缩场设备的加工精度要求很高，改变工作频段需要更换馈源，费用较高。
2.近场法
近场测量技术就是在天线的近场区的某一表面上采用一个特性已知的探头来取样场的幅度和相位特性，通过严格的数学变换而求得天线的远场辐射特性的技术。根据取样表面的形状，近场测试场分为3种，即平面测试场、柱面测试场和球面测试场。
近场测量技术的主要优点是：所需要的场地小，可以在微波暗室内进行高精度的测量，免去了建造大型微波暗室的困难。测量受周围环境的影响极小，保证全天候都能顺利进行。测量的信息量大，通过在近场区的某一表面的取样可以精确地得出天线任意方向的远场幅度相位和极化特性。近场测量技术将在第7章详细论述。图1.3.5 天线辐射特性测量方法分类1.4 天线的基本电参数
天线是无线电设备系统实现能量转换的装置，天线性能的好坏直接影响无线电设备系统性能的优劣。人们用天线的电参数来衡量天线性能的好坏。例如，描述天线能量转换和方向特性的电参数有：天线输入阻抗、天线方向图、天线增益和天线效率等；描述天线极化特性的电参数有：轴比和极化隔离度等。本章简述这些参数的概念和定义。另外，由天线互易定理可知，按照发射天线定义的电参数，同样适用于接收天线。1.4.1 方向图
1.方向图的定义
天线方向图是表征天线辐射特性（场强振幅、相位、极化）与空间角度关系的图形，用来表征天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，是表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性特性曲线通常用方向图来表示。
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的能力。
2.方向图的表示法
完整的方向图是一个三维的空间图（见图1.4.1（a））。它是以天线相位中心为球心（坐标原点），在半径r足够大的球面上，转动天线方位角或俯仰角，逐点测定其辐射特性绘制而成的。
三维空间方向图尽管可以利用已有软件方便地进行测绘，但在实际工程应用中，一般只需测得水平面H和垂直面E方向图即可（见图1.4.1（b））。图1.4.1 三维空间图
图1.4.2为4种天线的方向图，分别是（a）常规抛物面天线；（b）喇叭天线；（c）半波振子天线；（d）鞭状天线；以帮助大家对不同的方向图加深了解。
3.方向图的测量坐标
绘制天线的平面方向图通常采用极坐标（见图1.4.3（a）、（b））和直角坐标（见图1.4.3（c））形式，还可以采用3D（见图1.4.3（d））方向图形式。极坐标绘出的方向图形象直观，但对方向性很强的天线难以精确地表示；直角坐标恰与其相反，它虽不直观，但可以精确地表示强方向性天线的方向图。方向图纵坐标有相对功率、相对场强和对数3种形式，常用的是对数形式。方向图是用波瓣最大值归一的相对方向图。图1.4.2 典型的天线方向图图1.4.3 半波偶极子天线方向图坐标1.4.2 副瓣和半功率波束宽度
1.副瓣（旁瓣）电平
天线方向图通常有许多波瓣，除了最大辐射强度的主瓣之外，其余均称为副瓣（或旁瓣），与主瓣相反方向的旁瓣称为背瓣（或后瓣）（参见图1.4.1（a））。为了定量表示旁瓣的大小，定义了旁瓣电平，它为旁瓣信号强度的最大值与主瓣最大值之比，记为SL，通常用分贝表示
式中，P和P分别表示旁瓣和主瓣的最大功率值。max
2.半功率波束宽度
波束宽度系指方向图的主瓣宽度，一般是指半功率波束宽度。
定义为：在归一化功率方向图的主瓣范围内，功率下降到主瓣最大值的一半（用分贝表示时，也就是功率下降3dB）的两个方向之间的夹角。
如图1.4.4所示的一个实例，（a）场方向图（正比与电场E），在θ=0°方向上归一化场Εn（θ）=1，由E=0.707电平测得半功率波束宽2度（HPBW）=40°;（b）功率方向图（正比于电场E），在θ=0°方向上归一化场Pn（θ）=1，由Pn=0.5电平测得HPBW=40°;（c）场波瓣的分贝（dB）图，在−3dB处测得HPBW=40°。
半功率波束宽度通常可以采用表1.4.1估算。表1.4.1 半功率波束宽度估算图1.4.4 波束宽度示意图1.4.3 增益
1.增益的定义
增益是天线极为重要的一个参数，用它可以衡量天线辐射能量的集中程度。天线增益可分为方向增益和功率增益。
当辐射功率相同时，把天线在（θ,φ）方向上的辐射强度P（θ,φ）与理想点源辐射强度之比定义为天线的方向增益D（θ,φ）：
当输入功率相同时，把天线在（θ,φ）方向上的辐射强度P（θ,φ）与理想点源辐射强度之比定义为天线的功率增益G（θ,φ）：
式中，P（θ,φ）为天线在（θ,φ）方向上的辐射强度；
Pt为天线的辐射功率；
P为天线的输入功率。0
由式（1.4.2）和式（1.4.3）可得：
式中，天线效率η=天线辐射功率/天线输入功率。由此可知，天线增益等于天线效率乘以方向增益。
2.增益的理论计算
天线增益可以通过理论计算而得，如口面直径为D的抛物反射面天线的增益可用式（1.4.5）和式（1.4.6）近似计算：
用对数表示：
在一个频段内，算出中心频率f的增益G，计算高低两端频率或00任意频点f的增益由式（1.4.7）计算：
说明：天线增益单位dBi是相对各向同性天线而言的。如果采用
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