上海交通大学：《物理实验》精品课程教学资源（研究学习）微波偶集极子（偶极子天线特性研究）

微波偶集极子 偶极子天线特性研究 原理 能有效辐射或接收空间波动的装置被称为天线。天线的种类很多，描写天线电性能的参 数也很多，其中一个重要参数就是方向性。对于不同的使用目的，对方向性的要求是不同的。 天线的方向性一般指的是辐射或接收的能量与空间坐标的关系。通过建立边界条件解麦克斯 韦方程，我们可以得有关天线辐射场的特性。但这是一个很复杂的问题，有兴趣的同学可以 参考有关天线理论的书籍。这里我们通过实验来研究天线的指向性。 天线的形式 1.对称振子：由两根同样线径、同样长 度的直导线构成。其半径为a,线长为1。这 种天线广泛用于各种无线通讯设备中。 忽略辐射引起的衰减和振子的粗细，对称 振子的归一化方向函数可表示为： f(0)= cos(BI cose)-cos(Bl) f()ma sin 式中B是相位因子B=2r/入。下标max表示是方向函数在最大方向上的最大函数值。 下面给出了臂长1与波长入为不同值时方向函数图形。 08- 025 0.0- g to] 270 270 图1/入=0.25时的方向函数 图2Vλ=0.5时的方向函数 10 .5 025 050 a75 1c0 270 图4V入=1时的方向函数 图3/入=0.75时的方向函数

微波偶集极子 ——偶极子天线特性研究 原理 能有效辐射或接收空间波动的装置被称为天线。天线的种类很多，描写天线电性能的参 数也很多，其中一个重要参数就是方向性。对于不同的使用目的，对方向性的要求是不同的。 天线的方向性一般指的是辐射或接收的能量与空间坐标的关系。通过建立边界条件解麦克斯 韦方程，我们可以得有关天线辐射场的特性。但这是一个很复杂的问题，有兴趣的同学可以 参考有关天线理论的书籍。这里我们通过实验来研究天线的指向性。 天线的形式 1．对称振子：由两根同样线径、同样长 度的直导线构成。其半径为 a，线长为 l。这 种天线广泛用于各种无线通讯设备中。 l l Δ 2a 忽略辐射引起的衰减和振子的粗细，对称 振子的归一化方向函数可表示为： θθ β θ β θ sin)( )cos()coscos( )( max f l l f − = 式中β是相位因子β=2π/λ。下标 max 表示是方向函数在最大方向上的最大函数值。 下面给出了臂长 l 与波长λ为不同值时方向函数图形。 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 图 1 l/λ=0.25 时的方向函数 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 图 2 l/λ=0.5 时的方向函数 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 图 4 l/λ=1 时的方向函数 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 图 3 l/λ=0.75 时的方向函数

图中的0度方向为振子的垂线方向，0度指的是与波矢的夹角为0。注意到0度时天线 接收的能量是0。这是容易理解的，因为这时振子处于同一波阵面中或是对称的，不会在振 子中激起电流。根据接收天线与发射天线的互易定理，发射天线的方向特性与接收天线是相 同的。在实际使用中一般取2/入=0.5或1，前者称为半波对称振子，后者称为全波对称振 子。 2.引向天线：当在振子的附近放置若干金属短杆时，方向的对称性将被破坏。这些金 属短杆被称为引向器和反射器。其特性与金属短杆的位置和几何尺寸有很大关系。在本实验 中有若干不同形式的引向天线。我们可以通过实验来测量这些天线的方向函数图。其物理图 象请同学们讨论。我们常常在居民的屋顶上看到这种天线。 3.螺旋天线：由一根金属螺旋线构成。它可以看成 是同轴电缆的端部的变形。在0.25入≤D≤0.45入时，天 线在轴向有最大单方向辐射，称为轴向模辐射态。这是较 常用的工作状态。螺旋天线有左旋、右旋之分，它分别接 收左旋极化波和右旋极化波。 实验仪器及实验内容 发射器：由GUNN振荡器、喇叭天线和激励电源组成。激励电源提供频率为1KHz的 脉冲，GUNN振荡器产生=9.40GHz,即自 由空间中波长为32mm的微波，喇叭天线把 MOD GUNN OSC 微波偶合到自由空间，变成平面波。它是线 偏振的（如何验证？）。 接收机：由被测天线、带通放大器、旋转平台、天线支架、电源组成。接收到的被调制 的微波信号被Schottky二极管检波，输出lKHz的方波信号。这个信号再由中心频率为lKHz 的带通放大器放大。可用交流电压表来测量输出信号的变化。 天线： 1对称振子。小心套上装有金属短杆的附件就构成了有好几种形式的引向天线。仔细观 察它们的几何尺寸并编号以便与记录对应。 2.螺旋天线。观察它们的旋转方向，并测量、比较结果，你能事先预测它们的结果有什 么不同吗？ 注意：整个在测量时，尽量保持发射机与接收机位置不变，尽量保持周围环境状态不变。 这样就可以比较天线之间的性能。 数据处理 1.作极坐标的归一化方向图，并给出每一图的最大方向上的最大函数值。比较有和不 同。 2.试作一简单的附件，看看能有什么作用（第二次时选作）

图中的 0 度方向为振子的垂线方向，0 度指的是与波矢的夹角为 0。注意到 0 度时天线 接收的能量是 0。这是容易理解的，因为这时振子处于同一波阵面中或是对称的，不会在振 子中激起电流。根据接收天线与发射天线的互易定理，发射天线的方向特性与接收天线是相 同的。在实际使用中一般取 2l/λ=0.5 或 1，前者称为半波对称振子，后者称为全波对称振 子。 2．引向天线：当在振子的附近放置若干金属短杆时，方向的对称性将被破坏。这些金 属短杆被称为引向器和反射器。其特性与金属短杆的位置和几何尺寸有很大关系。在本实验 中有若干不同形式的引向天线。我们可以通过实验来测量这些天线的方向函数图。其物理图 象请同学们讨论。我们常常在居民的屋顶上看到这种天线。 3．螺旋天线：由一根金属螺旋线构成。它可以看成 是同轴电缆的端部的变形。在 0.25λ≤D≤0.45λ时，天 线在轴向有最大单方向辐射，称为轴向模辐射态。这是较 常用的工作状态。螺旋天线有左旋、右旋之分，它分别接 收左旋极化波和右旋极化波。 D 实验仪器及实验内容 发射器：由 GUNN 振荡器、喇叭天线和激励电源组成。激励电源提供频率为 1KHz 的 脉冲，GUNN 振荡器产生 f=9.40 GHz，即自 由空间中波长为 32mm 的微波，喇叭天线把 微波偶合到自由空间，变成平面波。它是线 偏振的（如何验证？）。 MOD GUNN OSC 接收机：由被测天线、带通放大器、旋转平台、天线支架、电源组成。接收到的被调制 的微波信号被 Schottky 二极管检波，输出 1KHz 的方波信号。这个信号再由中心频率为 1KHz 的带通放大器放大。可用交流电压表来测量输出信号的变化。 天线： 1.对称振子。小心套上装有金属短杆的附件就构成了有好几种形式的引向天线。仔细观 察它们的几何尺寸并编号以便与记录对应。 2.螺旋天线。观察它们的旋转方向，并测量、比较结果，你能事先预测它们的结果有什 么不同吗？ 注意：整个在测量时，尽量保持发射机与接收机位置不变，尽量保持周围环境状态不变。 这样就可以比较天线之间的性能。 数据处理 1．作极坐标的归一化方向图，并给出每一图的最大方向上的最大函数值。比较有和不 同。 2．试作一简单的附件，看看能有什么作用（第二次时选作）