一、实验目的
1、掌握50欧姆同轴电缆与SMA连接器的连接方法。 2、掌握半波振子天线的制作方法。
3、掌握使用“天馈线测试仪”测试天线VSWR和回波损耗的方法。
4、掌握采用“天馈线测试仪” 测试电缆损耗的方法。
二、实验原理
测试天线的反射系数（S11），需要用到公式（1-1）： （1-1）
根据公式（1-1），只要测试出来的|Γ|值低于某个特定的值，就可以说明在此条件下天线的阻抗ZA接近于所要求的阻抗Z0（匹配），在天线工程上，Z0通常被规定为75Ω或者50Ω，本实验中取Z0=50Ω。天线工程中通常使用电压驻波比（VSWR）ρ以及回波损耗（Return Loss，RL）来描述天线的阻抗特性，它们和|Γ|的关系可以用公式（1-2）和（1-3）描述：
（1-2）
[dB] （1-3）
对于不同要求的天线，对阻抗匹配的要求也不一样，该要求列于表1-1中。
表1-1 工程上对天线的不同要求（供参考）
天线带宽 | 驻波系数ρ的要求 | 反射系数|Γ|的要求 | 反射损耗RL的要求 |
窄带（相对带宽5%以下） | ρ≤1.2或1.5 | |Γ|≤0.09或0.2 | ≥21dB或14dB |
宽带（相对带宽20%以下） | ρ≤1.5或2 | |Γ|≤0.2或0.33 | ≥14dB或10dB |
超宽带 | ρ≤2或2.5，甚至更大 | |Γ|≤0.33或0.43 | ≥10dB |
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（2）同轴电缆的特性阻抗
本实验采用50欧姆同轴电缆，其外皮和内芯为金属，中间填充聚四氟乙烯介质（相对介电常数）。其特性阻抗计算公式如下：
（1-4）
式中 a——内芯直径；
b——外皮内直径。
三、实验仪器
（1）Anritsu S331D天馈线测试仪
图1-1 Anritsu S331D天馈线测试仪
表1-2 Anritsu S331D天馈线测试仪主要性能指标
参数名称 | 参数值 |
频率范围 | 25MHz-4000MHz |
频率分辨率 | 100kHz |
输出功率 | < 0dBm |
回波损耗范围 | 0.00-54.00dB（分辨率：0.01dB） |
驻波比范围 | 0.00-65.00 （分辨率：0.01） |
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（2）50欧姆同轴电缆、SMA连接器、热塑管、直径2.5mm和0.5mm铜丝、泡沫（用于支撑和固定天线）和酒精棉等。
（3）工具，主要包括：裁纸刀、尖嘴钳子、斜口钳子、砂纸、挫、尺和电烙铁等。
四、实验步骤
1、半波振子天线的制作
制作天线时要主要安全，使用电烙铁和裁纸刀时应倍加注意。
（1） 截取一段长度为10cm的50欧姆同轴电缆。
（2） 用裁纸刀将电缆两端蓝的电缆护套各剥去3cm。
（3） 将SMA同轴连接器与电缆相连接，具体操作步骤如下：
● 用裁纸刀将电缆一端的外皮和聚四氟乙烯介质切掉1cm，保留电缆内芯。注意：在环切外皮和介质时，尽量不要切到内芯；在切断外皮和介质后，可以用尖嘴钳夹住待去掉的部分左右晃动并拔下。
● 用斜口钳子剪断电缆内芯的一部分，留下约3mm~4mm的长度。
● 用砂纸打磨电缆内芯和金属外皮，并用酒精棉擦拭干净。
● 将电缆内芯插入针内，并用焊锡焊接牢固。
● 将SMA连接器的J头（内螺纹）与K头（外螺纹）相连（目的是防止焊接时由于过热，连接器内的聚四氟乙烯膨胀变形，高出金属部分），将针和电缆插入SMA连接器的另一端，用力推紧，然后用电烙铁将SMA连接器与电缆外皮焊接。注意：焊锡要充分熔化，直至流入SMA连接器与电缆的缝隙内（即在SMA连接器的孔内看到焊锡，若很难熔化，是由于铜散热过快，可采用两个电烙铁同时加热）。
● 剪适当长度的热塑管，套在同轴电缆上，覆盖住露出外皮的同轴电缆，使用电烙铁或热风对热塑管加热，使其收缩。
（4） 制作半波振子天线
● 计算谐振频率f=2.4GHz的半波振子的每个臂长l/2，用斜口钳子截取两端铜丝，长度均为l/2。注意：组1采用直径为0.5mm的铜丝，组2采用直径为2.5mm的铜丝。
● 将制作好的同轴电缆的一侧（另一侧为SMA连接器）去掉2cm蓝护套，再去掉1cm金属外皮，最后去掉8mm聚四氟乙烯介质。
● 截取长10cm×宽4cm的泡沫，用锥子在其中心打个孔，并在其表面制作出一条沟（长度
略长于半波振子，宽度和深度约为半波振子直径）。
● 将制作好的同轴电缆从泡沫的中心孔插入，截取一小段细铜丝，在同轴电缆的金属外皮上缠绕2-3圈，留出约0.5cm-1cm的长度，用于与半波振子的一个臂进行焊接。同时，将同轴电缆的内芯与半波振子的另一个臂进行焊接。
● 将制作好的半波振子固定在泡沫上（预先制作好的沟内），用透明胶带固定好。半波振子制作完成。
2、天线阻抗带宽测试
（1）开机与校准
● 点击on/off按键，来启动Anritsu S331D天馈线测试仪。
● 点击数字1，以打开背景灯。
● 点击MODE，利用上下键选择回波损耗。
● 点击FREQ，再点击F1，输入1800，点击ENTER；点击F2，输入2600，点击ENTER。
● 点击START CAL，屏幕出现“连接开路器到信号输出端口”，从屏幕右侧的袋子里取出校准器件，将OPEN端连接至天馈线测试仪的电缆（注意，先将电缆上的N转SMA连接头拧下），连接后点击ENTER。当屏幕上出现“连接短路器到信号输出端口”时，将SHORT端连接至天馈线测试仪的电缆，连接后点击ENTER。当屏幕上出现“连接负载到信号输出端口”时，将校准件负载端（除了open和short外的第三个端口）连接至天馈线测试仪的电缆，连接后点击ENTER。至此校准完毕。
● 将校准件拧下，放回原处，将N转SMA连接头与天馈线测试仪电缆连接好，准备测试。
（2）天线回波损耗和VSWR测试
● 将所制作的天线连接至天馈线测试仪电缆的SMA端口。观察天线的回波损耗随频率的变化。此时，横轴共10格，包含了1800MHz~2600MHz的频率范围，每格80MHz。点击MARK，再点击M1，点击编辑，输入频率（如2000），按ENTER键。再添加3个MARK，到回波损耗小于10dB的频点。
● 点击MODE，利用上下键选择VSWR，点击ENTER。观察VSWR<2的频带范围。
● 保存天线回波损耗和VSWR测试结果，撰写实验报告。
3、实验数据和实验报告
1、观察所制作的半波振子天线，测量天线的总长度和直径，填入表I-1。
2、观察待测天线的回波损耗，将回波损耗小于10dB的低频点、高频点和中心频点填入表I-1，并计算中心波长，填入表I-1。
3、观察待测天线的VSWR，将VSWR小于2的低频点、高频点填入表I-1。
4、计算半波振子天线长度直径比和长度波长比，填入表I-1。
5、写出天线的工作频率范围、绝对带宽、相对带宽、比带宽，填入表I-2。请回答：该带宽属于那一种带宽____阻抗带宽_____（阻抗带宽、方向图带宽、增益带宽、极化带宽）。
表I-1 天线参数
组别 | 半波振子长度l | fL(RL<10dB) | fH(RL<10dB) | f0=(fL+ fH)/2 | λ0=c/ f0 |
组1 | 6.3cm | 2050.60MHz | 2300.00MHz | 2175.30MHz | 13.8cm |
组2 | 5.4cm | 2050.60MHz | 2458.90MHz | 2254.75MHz | 13.3cm |
组别 | 半波振子直径d | fL (VSWR<2) | fH (VSWR<2) | l/d | l/λ0 |
组1 | 0.5mm | 2224.60 MHz | 2461.60MHz | 126 | 0.46 |
组2 | 2.5mm | 1900.00MHz | 2500.00MHz | 216 | 0.41 |
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表I-2 天线带宽计算
天线工作频率范围 | 绝对带宽 | 相对带宽 | 比带宽 |
2050.60MHz ~2458.90MHz | 408.3MHz | 0.181 | 1.199 |
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五、思考题
1、根据天线的测试结果，解释“末端效应”。
答：由于天线上每一点都产生辐射，即电流波在天线上一边传输一边辐射，使得电流有衰减，电流传播的相速减小，波长缩短， 相位常数大于自由空间相位常数。另外，对称振子有一定直径， 其馈电端和末端分布电容增大，末端电流实际不为零，振子愈粗，末端效应愈显著。
实验二 超宽带天线测试（演示实验）
一、实验目的
1、了解超宽带天线的概念及特点
2、了解现代天线测试系统的组成
3、了解现代天线测试仪器设备及其使用方法
4、了解超宽带天线主要参数的测试方法
二、实验原理
超宽带天线是一种具有极宽阻抗带宽的天线，其比带宽一般可以达到2：1以上，现代超宽带天线的阻抗带宽可以达到30：1以上，可以覆盖多个波段，能够实现传统的多个天线的功能，所以受到了研究者的广泛关注。
超宽带天线不仅需要具有极宽的阻抗带宽，即它的阻抗要在极宽的频带内保持在一个范围内，还需要具有极宽的方向图带宽、增益带宽以及极化带宽。现代的超宽带天线还需要具有稳定的相位中心，即可以不失真地辐射时域脉冲信号。根据以上对超宽带天线的要求，
可以结合所学习的天线原理进行如下天线测试的内容：
（1）天线阻抗带宽的测试
参见实验一中二（1）内容。
（2）主极化方向图的测试
方向图的测试需要测试天线在阻抗带宽内的各个频点的远场的方向图，一般最少要测试3个频点，即下限频点f1、上限频点f2和中心频点f0，对于更宽的频带，要根据具体情况多测试一些频点的方向图，以便全面了解天线的参数。
在工程上，一般不需要远场的三维方向图，而只需要测试两个主平面的方向图曲线，对于线极化天线来说，这两个主平面为E面和H面。因此，在天线测试前，还需要判断天线的极化方式。在满足天线测试的极化匹配和阻抗匹配的条件下，所测试的方向图为单一频点的功率方向图，所依据的原理为公式（2-1）：
（2-1）
在不同角度θ的时候，接收天线接收的功率与自身的功率方向性函数P(θ)有关，因此将待测天线作为接收天线放置在一个可以接收到单一方向传播的均匀平面波的区域，并且绕自身轴线转动一周，这样不同角度θ处就可以接收到不同大小的功率，据此天线的功率方向图就可以绘制出来。
以上的测试方法涉及到了以下的条件：
①天线可以接收到单一方向传播的均匀平面波的区域，这需要一个无外界干扰的模拟自由空间的环境，还需要一个均匀平面波的发射源；
②天线可以绕着自身轴线转动，这需要一个转台；
③天线的接收功率可以测试，这需要一个功率计。
上述三条的解决方法是：
①无外界干扰的模拟自由空间的环境：在微波暗室内测试，微波暗室的工作频带需要符合天线测试所需要的频率范围，微波暗室的大小需要满足天线工作的远场条件，这个远场条件需要用公式（2-2）进行判定。
（2-2）
式中：dmin是最小测试距离，λ是工作波长，Dt是发射天线的口径最大尺寸，Dr是待测天线（接收天线）的口径最大尺寸。
②将天线安装在一个可以进行360°转动的转台上，转台的转动参数要满足所需要的测试精度。
③发射源和接收装置可以共用一个网络分析仪，因为发射天线（输入端可视为端口1）和接收天线（输入端可视为端口2）合起来组成了一个二端口网络，对于这个二端口网络来说，|S21|即为1端口发射时，2端口接收所得到传输系数，天线的不同的方向所得到的|S21|也是不同的。因此，根据所得到的|S21|也可以得到天线的功率方向图。
