天线测量考点精讲

这是一份为《天线测量》课程精心整理的考点精讲资料。文章系统梳理了天线测量中的核心概念、重要公式和实验方法，涵盖弗利斯传输公式、天线增益测量、方向图测试等关键内容。无论您是需要快速掌握考试要点，还是希望深入理解天线测量的理论基础，这份详尽的笔记都将成为您攻克天线测量课程、掌握其技术精髓的得力助手。

《天线测量》高分突击计划 - 考点精讲

第一部分：绝对核心 (计算大题)

这部分是考试的重中之重，是必须拿下分数的关键。题目形式固定，掌握了方法就能举一反三。

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1.1 弗利斯 (Friis) 传输公式（计算）

• 核心概念：
  弗利斯传输公式是描述在自由空间、远场、理想匹配条件下，接收天线接收到的功率与发射天线发射的功率之间关系的数学公式。它是无线通信链路预算的基础。

• 公式详解：
  线性形式 (用于理解和推导):

  $$P_r = P_t G_t G_r \left(\frac{\lambda}{4\pi R}\right)^2$$

  • $P_r$：接收天线输出端的接收功率 (单位: W)。
  • $P_t$：输入到发射天线端口的发射功率 (单位: W)。
  • $G_t$：发射天线的增益 (线性值，无单位)。
  • $G_r$：接收天线的增益 (线性值，无单位)。
  • $\lambda$：工作波长 (单位: m)，$\lambda = c/f$，其中 $c \approx 3 \times 10^8 \text{ m/s}$。
  • $R$：收发天线之间的距离 (单位: m)。
  • $\left(\frac{\lambda}{4\pi R}\right)^2$：这一项被称为自由空间路径损耗 (Free Space Path Loss, FSPL)，它描述了能量在空间传播过程中的衰减。

  dB形式 (用于实际计算):

  $$P_r(\text{dBm}) = P_t(\text{dBm}) + G_t(\text{dBi}) + G_r(\text{dBi}) - \text{FSPL}(\text{dB})$$

  其中自由空间路径损耗为：

  $$\text{FSPL}(\text{dB}) = 20\log_{10}\left(\frac{4\pi R}{\lambda}\right)$$

  • 单位解释:
    • dBm: 相对于1毫瓦(mW)的功率分贝值。$P(\text{dBm}) = 10\log_{10}(P(\text{mW}))$.
    • dBi: 相对于理想点源天线(isotropic antenna)的增益分贝值。

• 考点解析 (链路预算计算题)：
  这类题目通常会给出系统的大部分参数，让你求其中一个未知参数。最常见的是求最小发射功率。

  解题五步法：

  1. 列出所有已知和未知量：
     • 已知：$f$, $R$, $G_t$, $G_r$, $P_{r,min}$ (接收机灵敏度)。
     • 待求：$P_{t,min}$。
  2. 单位换算 (至关重要！)：
     • 频率：GHz $\to$ Hz ($1 \text{ GHz} = 10^9 \text{ Hz}$)。
     • 距离：km $\to$ m ($1 \text{ km} = 1000 \text{ m}$)。
     • 增益：如果给出的是dBi，计算时通常用dB形式。如果需要用线性形式，换算公式为 $G_{linear} = 10^{(G_{dBi}/10)}$。
     • 功率：如果给出的是dBm，计算时用dB形式。如果需要用线性形式，换算公式为 $P(\text{W}) = 10^{(\text{P(dBm)}-30)/10}$。
  3. 计算中间量：
     • 计算波长 $\lambda = c/f$。
     • 计算路径损耗 $\text{FSPL}$ (用dB形式最方便)。
  4. 选择并变换公式：
     使用dB形式的弗利斯公式，并将其变换为求解 $P_t$ 的形式：

     $$P_t(\text{dBm}) = P_r(\text{dBm}) - G_t(\text{dBi}) - G_r(\text{dBi}) + \text{FSPL}(\text{dB})$$

  5. 代入计算：将所有换算好的数值代入公式，计算出最终结果。

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1.2 相对法（比较法）测增益（框图、步骤、计算）

• 核心概念：
  这是一种通过替换的思想，将待测天线与一个增益已知的标准天线进行比较，从而得出待测天线增益的方法。其准确性依赖于标准天线的准确性。

• 考点解析 (以相对场强法，待测天线作接收为例)：

  1. 测试框图：
  你需要能画出或描述出这个系统。

  • 发射端：信号发生器 $\to$ 辅助天线 (固定不动)。
  • 空间：满足远场条件的测试距离 $R$。
  • 接收端：
    • 一个可旋转的支架，上面可以安装标准天线或待测天线。
    • 天线 $\to$ 接收机 $\to$ 场强指示器 (如电压表)。

  2. 测试步骤：

  1. 系统架设：设置好测试系统，固定发射端。将标准天线（增益为 $G_s$）安装在接收端支架上。
  2. 对准与记录 (标准天线)：调整标准天线的姿态，使其主瓣对准发射天线，获得最大接收信号。记录此时场强指示器的读数 $E_s$。
  3. 替换天线：保持发射端和接收机的所有设置完全不变，将标准天线从支架上取下，换上待测天线（增益为 $G_x$）。
  4. 对准与记录 (待测天线)：同样调整待测天线的姿态，使其主瓣对准发射天线，获得最大接收信号。记录此时场强指示器的读数 $E_x$。

  3. 计算公式：

  • 理论依据：接收功率 $P_r$ 与天线增益 $G_r$ 成正比。同时，对于场强指示器，接收功率 $P_r$ 与其显示的场强读数 $E$ 的平方成正比（$P = E^2/Z_{in}$）。
  • 推导：

    $$\frac{G_x}{G_s} = \frac{P_{r,x}}{P_{r,s}} = \frac{E_x^2 / Z_{in}}{E_s^2 / Z_{in}} = \left(\frac{E_x}{E_s}\right)^2$$

  • 线性公式：

    $$G_x = G_s \cdot \left(\frac{E_x}{E_s}\right)^2$$

  • dB公式 (更常用)：

    $$G_x(\text{dBi}) = G_s(\text{dBi}) + 20\log_{10}\left(\frac{E_x}{E_s}\right)$$

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1.3 绝对法（两相同天线法）测增益（步骤、推导）

• 核心概念：
  在没有标准天线的情况下，通过测量基本物理量（功率、距离、频率）来直接计算天线增益的方法。它要求使用两根完全相同的天线。

• 考点解析：

  1. 测试步骤：

  1. 系统架设：将两根完全相同的天线（天线1和天线2）相距为 $R$ 对准放置。确保 $R$ 满足远场条件。
  2. 测量发射功率 ($P_t$)：将信号源连接到天线1，并在天线1的输入端口处用功率计精确测量输入功率 $P_t$。
  3. 测量接收功率 ($P_r$)：将天线2连接到功率计，测量其输出端口的接收功率 $P_r$。
  4. 记录参数：精确测量收发距离 $R$ 和工作频率 $f$。

  2. 公式推导 (必考!)：

  1. 写出弗利斯传输公式：

     $$P_r = P_t G_t G_r \left(\frac{\lambda}{4\pi R}\right)^2$$

  2. 应用核心条件：因为两根天线完全相同，所以它们的增益相等。令 $G_t = G_r = G$。
  3. 代入条件：

     $$P_r = P_t (G \cdot G) \left(\frac{\lambda}{4\pi R}\right)^2 = P_t G^2 \left(\frac{\lambda}{4\pi R}\right)^2$$

  4. 进行代数变换，求解 $G^2$：

     $$G^2 = \frac{P_r}{P_t} \cdot \frac{1}{\left(\frac{\lambda}{4\pi R}\right)^2} = \frac{P_r}{P_t} \left(\frac{4\pi R}{\lambda}\right)^2$$

  5. 两边开方，得到最终公式：

     $$G = \frac{4\pi R}{\lambda} \sqrt{\frac{P_r}{P_t}}$$

  • 推导结论：公式右边的所有量 ($R, \lambda, P_r, P_t$) 都是可以直接测量的基本物理量，因此该方法可以得到天线的绝对增益。

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第二部分：重点 (简答/推导题)

这部分是概念理解和理论推导的结合，通常以简答题或证明题的形式出现。

2.1 最小测试距离（推导）

• 核心概念：
  为了在接收天线口径上获得足够近似的平面波，从而能准确测量其远场方向图，发射天线与接收天线之间必须保持的最小距离。

• 推导准则：
  从发射天线（视为点源）发出的球面波，到达接收天线口径处，其中心点和边缘点之间的最大波程差 $\Delta R$ 所引起的相位差 $\Delta \phi$ 不应超过 $\pi/8$ (或22.5°)。这等效于要求波程差 $\Delta R \le \lambda/16$。

• 推导步骤 (务必掌握)：

  1. 画出几何模型：点源S，距离 $R$ 处有一个口径为 $D$ 的天线。S到口径中心距离为 $R$，到边缘距离为 $R_{edge}$。形成一个直角三角形，两直角边为 $R$ 和 $D/2$，斜边为 $R_{edge}$。
  2. 利用勾股定理：

     $$R_{edge}^2 = R^2 + (D/2)^2$$

  3. 求解 $R_{edge}$：

     $$R_{edge} = \sqrt{R^2 + D^2/4} = R\sqrt{1 + \frac{D^2}{4R^2}}$$

  4. 利用泰勒近似 (因为远场条件 $R \gg D$，所以 $D^2/4R^2$ 是一个小量)：
     对于小量 $x$, $\sqrt{1+x} \approx 1+x/2$。

     $$R_{edge} \approx R\left(1 + \frac{1}{2}\frac{D^2}{4R^2}\right) = R + \frac{D^2}{8R}$$

  5. 计算最大波程差 $\Delta R$：

     $$\Delta R = R_{edge} - R = \frac{D^2}{8R}$$

  6. 应用准则：将推导出的 $\Delta R$ 代入准则 $\Delta R \le \lambda/16$：

     $$\frac{D^2}{8R} \le \frac{\lambda}{16}$$

  7. 整理不等式，得出最终结论：

     $$R \ge \frac{16 D^2}{8 \lambda} \implies R_{min} = \frac{2D^2}{\lambda}$$

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2.2 方向图测试注意事项 (简答题)

• 核心概念：
  为了获得准确、可重复的方向图，测试过程中必须满足一系列严格的条件。这是简答题的必背考点。

• 六大注意事项：

  1. 满足远场条件：测试距离 $R$ 必须大于等于 $2D^2/\lambda$，以保证待测天线被平面波照射。
  2. 消除环境反射：测试场地应开阔或在微波暗室内进行，避免地面、墙壁等物体的电磁波反射对测量造成干扰，从而导致方向图产生畸变的“波纹”。
  3. 极化匹配：发射天线（源天线）和待测天线（接收）的极化方式和方向必须严格对准。否则会因极化损失导致测得的增益偏低，尤其是在测量交叉极化方向图时。
  4. 相位中心对准：待测天线的相位中心必须与测试转台的旋转中心重合。若不重合，旋转时会引入额外的波程差，导致测得的相位不准，方向图主瓣分裂或旁瓣不对称。
  5. 信号源稳定性：在整个测试过程中（尤其是在长时间的3D扫描中），信号源的输出功率和频率必须保持稳定，否则测量的结果会产生漂移。
  6. 辅助天线选择：作为发射源的辅助天线，其主瓣宽度应足够宽，以保证在其照射区域内，待测天线无论旋转到哪个角度，其口径面上的场强都是均匀的。

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2.3 方向图坐标转换 (直角 -> 极坐标)

• 核心概念：
  方向图可以用直角坐标或极坐标表示，两者可以相互转换。考试通常考察如何将直角坐标图手绘成极坐标图。

• 转换步骤：

  1. 理解坐标系：
     • 直角坐标：横轴是角度 (如 0° 到 360°)，纵轴是归一化场强或dB值。
     • 极坐标：从圆心发出的射线代表角度，离圆心的距离代表该角度上的场强大小。
  2. 准备极坐标纸：画一个圆，标上0°到360°的角度刻度，以及从圆心向外的幅度刻度。
  3. 读取关键点：在直角坐标图上读取关键点的坐标（角度，幅度）。这些点包括：
     • 主瓣最大值点：通常在0°或某个特定角度，幅度为1 (或0dB)。
     • -3dB点 (半功率点)：找到幅度为 $1/\sqrt{2} \approx 0.707$ 的两个角度，它们的差值就是半功率波瓣宽度。
     • 第一零点：找到幅度为0的第一个角度。
     • 第一副瓣最大值点：找到第一个峰值点及其对应的角度和幅度。
  4. 在极坐标中标点：
     • 对于每个读取的点 (e.g., (30°, 0.5))，先在极坐标系中找到30°的射线，然后从圆心沿该射线量取0.5个单位的长度，并画一个点。
  5. 平滑连接：将所有描出的点用一条平滑的曲线连接起来，就形成了极坐标方向图。注意保持图形的对称性（如果原始数据是对称的）。

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第三部分：高频考点 (选择/填空) 简要内容，考前看

这部分是概念性的，要求记忆准确，理解清晰。

3.1 第1章：场区分布 & 缩尺模型

• 场区分布 (回顾)：

  • 感应场：能量不辐射，场强衰减快，不能测远场。
  • 辐射近场：能量辐射，但方向图随距离变化。
  • 辐射远场：能量辐射，方向图不随距离变化，是测量的理想区域。
  • 考点：可能会问“测量方向图应在哪个场区进行？” (答：辐射远场)；或给出距离判断属于哪个场区。

• 缩尺模型 (回顾)：

  • 核心公式：$f_M = m \cdot f_F$
  • 考点：填空题直接考这个关系。例如：“将一个天线尺寸缩小10倍制作模型，若原天线工作在1GHz，则模型测试频率应为 10GHz。”

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3.2 第2章：阻抗测量方法

• 核心概念：不同的阻抗测量方法有不同的工作模式。
• 考点：点频 vs. 扫频
  • 点频 (Single Frequency)：一次只能测量一个频率点。
    • 代表方法：测量线法 (Slotted Line)，需要手动移动探头找驻波最小点；电桥法 (Bridge)，需要手动调节电桥臂使电桥平衡。
  • 扫频 (Swept Frequency)：可以自动在一段频率范围内连续测量。
    • 代表方法：矢量网络分析仪 (VNA)，可以快速给出整个频段的S11曲线；扫频仪法。
  • 题目形式：给出几种方法，问哪些是点频测量，哪些是扫频测量。

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3.3 第5章：椭圆极化天线增益

• 核心概念：
  一个椭圆极化天线的总增益，包含了其极化椭圆长轴和短轴两个正交分量的能量。
• 考点：总增益与长轴增益的关系
  • 背景：用一个线极化的标准天线去测量一个椭圆极化的待测天线，我们能直接测到的是待测天线的长轴增益 $G_{L1}$（因为旋转待测天线总能找到一个角度使线极化方向与长轴对齐，此时接收信号最强）。
  • 修正公式：总增益 $G$ 需要在长轴增益的基础上进行修正。

    $$G(\text{dB}) = G_{L1}(\text{dB}) + K_1(\text{dB})$$

    其中修正因子 $K_1 = 10\log_{10}\left(\frac{AR^2+1}{AR^2}\right)$，$AR$ 是待测天线的轴比。
  • 特例 (常考)：
    • 当待测天线是理想圆极化时，其轴比 $AR=1$。此时修正因子 $K_1 = 10\log_{10}\left(\frac{1^2+1}{1^2}\right) = 10\log_{10}(2) \approx 3\text{dB}$。
    • 结论：一个理想圆极化天线的总增益比用线极化天线测得的部分增益（任意方向上的线极化分量增益）高3dB。

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第四部分：实验/杂项 (选择/填空) 简要内容，考前看

这部分考察知识的广度和对实验细节的记忆。

4.1 微波暗室 (Microwave Anechoic Chamber)

• 作用：通过在内壁铺设吸波材料，吸收掉绝大部分电磁波，创造一个近似自由空间的无反射环境。
• 吸波材料：
  • 材质：碳浸渍泡沫塑料。
  • 形状：角锥/金字塔形，利用渐变阻抗匹配和多次反射吸收原理。
  • 颜色：通常为蓝色或黑色。
• 大小暗室区别：
  • 大暗室：用于低频、大尺寸设备测试，因为低频波长长，需要大的吸波角锥。
  • 小暗室：用于高频、小尺寸设备测试。

4.2 地面反射影响

• 问题：在室外测试场，地面会反射电磁波。这束反射波会与直射波在接收天线处发生干涉，导致测量结果出现周期性的起伏，严重影响方向图的准确性。
• 减小措施：
  • 架高测试法：将收发天线架得足够高。
  • 反射栅法：在地面反射点放置专门设计的金属栅栏来控制反射。
  • 吸波材料法：在地面反射点铺设吸波材料。

4.3 八木 (Yagi-Uda) 天线

• 结构：由一个有源振子（偶极子）、一个反射振子（稍长）和若干个引向振子（稍短）组成。
• 考点：引向振子数目N的影响
  • 随着引向振子数目 N 增加：
    • 增益：增加。
    • 方向性：增强。
    • 主瓣宽度：变窄。
    • 带宽：变窄。

4.4 卫星实验细节

• 高频头 (LNB) 本振 (LO) 频率：这是为了将高频的卫星信号下变频到较低的中频，便于传输。
  • C波段：常用 5150 MHz。
  • Ku波段：常用双本振 9750 MHz / 10600 MHz。
• 天线指向：地球同步卫星在赤道上空，对于北半球的用户，天线必须朝向正南方向。

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第三部分：高频考点 (选择/填空) 详细内容，复习用

这部分考察的是对核心概念的精确理解和辨析能力，通常以选择、填空或判断题的形式出现，要求反应迅速且概念清晰。

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3.1 第1章：场区分布 & 缩尺模型

场区分布 (深度解析)

这是理解所有天线测量的物理前提。务必清晰区分每个区域的判断依据和测量意义。

场区名称	距离判据 ($R$: 距离, $D$: 天线最大口径, $\lambda$: 波长)	核心电磁特性	测量意义与应用
感应场区 (Reactive Near-Field)	$R < 0.62\sqrt{D^3/\lambda}$	1. 储能场占主导，电场与磁场能量来回交换。 2. 不向外辐射净功率。 3. 场强随距离衰减极快 ($1/R^2, 1/R^3$)。	不能用于测量远场特性（方向图、增益）。任何在此区域的测量都无法代表天线的辐射性能。
辐射近场区 (Radiating Near-Field / Fresnel Region)	$0.62\sqrt{D^3/\lambda} < R < 2D^2/\lambda$	1. 辐射场开始占主导，能量向外传播。 2. 波前不是平面波，仍有显著的曲率。 3. 角分布（方向图形状）随距离变化。	近场测量的核心区域。通过在此区域的规则表面（平面、柱面、球面）上扫描探头，精确测量幅度和相位，再通过数学算法（傅里叶变换）推算出远场方向图。
辐射远场区 (Far-Field / Fraunhofer Region)	$R \ge 2D^2/\lambda$	1. 电磁波可近似为平面波。 2. 角分布（方向图形状）与距离无关。 3. 场强幅度随距离按 $1/R$ 规律衰减。	传统天线测量的必要条件区域。所有直接测量方向图和增益的实验都必须在此区域进行，以获得稳定、准确的结果。

考点速记：问你在哪里测方向图？答远场区。问你近场测量在哪里进行？答辐射近场区。问你哪个区域不能测辐射特性？答感应场区。

缩尺模型 (深度解析)

• 核心原理：保证模型天线和真实天线的电尺寸相同，从而使它们的电磁特性（方向图、阻抗等）相似。
• 关键换算关系 (必记)：
  • 设缩尺因子为 $m$（例如，缩小10倍，则 $m=10$）。
  • 尺寸：$L_{模型} = L_{真实} / m$
  • 频率：$f_{模型} = m \cdot f_{真实}$
• 更深入的细节 (可能考)：
  • 导电率 ($\sigma$) 的缩放：理论上，为保持损耗特性一致，材料的导电率也需要缩放：$\sigma_{模型} = m \cdot \sigma_{真实}$。
  • 实际困境：我们无法轻易找到导电率是铜或铝 $m$ 倍的材料。因此，在实际操作中，通常使用高导电率材料（如铜）来制作模型，这会导致模型的欧姆损耗与按比例缩放后的真实天线损耗不完全匹配。在要求极高精度的测试中，这个误差需要被评估或修正。
  • 介电常数 ($\epsilon$) 和磁导率 ($\mu$)：通常保持不变，即 $\epsilon_{模型} = \epsilon_{真实}$ 和 $\mu_{模型} = \mu_{真实}$。

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3.2 第2章：阻抗测量方法

矢量网络分析仪 (VNA) 的核心

• “矢量”的含义：VNA不仅测量信号的幅度 (Magnitude)，还同时测量其相位 (Phase)。这使得它能够完整地描述一个线性网络的特性，并可以直接在史密斯圆图 (Smith Chart) 上显示阻抗。
• 核心测量参数：S11
  • 定义：端口1的反射系数，即从端口1反射回来的信号电压与入射信号电压之比 ($S_{11} = V_{reflected}/V_{incident}$)。它是一个复数。
  • S11与其他参数的关系 (重点)：
    • 回波损耗 (Return Loss): $RL = -20\log_{10}(|S_{11}|)$ (dB)。$|S_{11}|$ 越小，RL值越大，表示匹配越好。
    • 电压驻波比 (VSWR): $VSWR = \frac{1+|S_{11}|}{1-|S_{11}|}$。$|S_{11}|$ 越小，VSWR越接近1，表示匹配越好。
    • 输入阻抗 ($Z_{in}$): VNA通过测量的 $S_{11}$，利用公式 $Z_{in} = Z_0 \frac{1+S_{11}}{1-S_{11}}$，可以直接在Smith圆图上标出归一化阻抗点。

点频 vs. 扫频 (清晰对比)

方法类型	代表方法	工作原理	优点	缺点
点频	测量线法、电桥法	在单一固定频率下，通过手动调节物理结构或元件，达到一个平衡或可测量的状态。	结构简单，原理经典。	效率极低，无法快速了解天线宽带特性，易受操作者影响。
扫频	矢量网络分析仪(VNA)	内部信号源自动、快速地在一个频率范围内扫描，并实时测量和显示每个频率点的S参数。	速度快，精度高，信息全面（幅度和相位），可直接显示多种参数格式。	设备昂贵，操作需要专业知识（尤其是校准）。

考点速记：凡是需要手动拧旋钮找平衡/最小值的都是点频。凡是能在屏幕上直接画出一条曲线的都是扫频。

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3.3 第5章：椭圆极化天线增益

• 核心问题：当用一个线极化 (LP) 的标准天线去测量一个椭圆极化 (EP) 的待测天线时，我们测得的到底是什么？如何得到它的总增益？
• 物理过程详解：
  1. 实际测量值：当旋转待测EP天线时，接收到的信号会变化。信号最强时，必然是LP标准天线的极化方向与EP天线的极化椭圆长轴方向对齐了。因此，我们用比较法直接测得的值是长轴增益，也叫部分增益，记为 $G_{L1}$。
  2. 为何需要修正：总增益代表天线辐射的全部功率。而EP天线除了长轴方向，在与之正交的短轴方向上也有能量分量。我们的测量只捕获了长轴的能量，忽略了短轴的能量，所以测得的 $G_{L1}$ 必然小于总增益 $G$。
• 修正因子 $K_1$ 的推导与理解：
  • 设长轴电场为 $E_{maj}$，短轴电场为 $E_{min}$。
  • 根据定义，轴比 (AR) 是 $AR = E_{maj} / E_{min}$。
  • 总功率 $P_{total} \propto E_{maj}^2 + E_{min}^2$。
  • 测得的功率 $P_{maj} \propto E_{maj}^2$。
  • 增益比等于功率比：$\frac{G}{G_{L1}} = \frac{P_{total}}{P_{maj}} = \frac{E_{maj}^2 + E_{min}^2}{E_{maj}^2} = 1 + \left(\frac{E_{min}}{E_{maj}}\right)^2 = 1 + \frac{1}{AR^2} = \frac{AR^2+1}{AR^2}$。
  • 换算成dB，修正因子 $K_1(\text{dB}) = 10\log_{10}\left(\frac{G}{G_{L1}}\right) = 10\log_{10}\left(\frac{AR^2+1}{AR^2}\right)$。
• 必考特例：圆极化天线
  • 对于理想圆极化 (CP) 天线, $E_{maj} = E_{min}$，所以轴比 $AR=1$。
  • 代入公式，$\frac{G}{G_{L1}} = \frac{1^2+1}{1^2} = 2$。
  • 换算成dB，修正因子 $K_1 = 10\log_{10}(2) \approx 3.01 \text{ dB}$。
  • 结论：一个理想CP天线的总增益，比用LP天线测得的部分增益要高3dB。这意味着，当一个理想CP天线和一个与之匹配的LP天线通信时，会天然存在3dB的极化损失。

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第四部分：实验/杂项 (选择/填空) 详细内容，复习用

这部分内容看似零散，但都围绕着“如何获得准确测量”这一核心主题，考察对实际测量环境和器件的理解。

4.1 微波暗室

• 核心功能：模拟自由空间，为天线提供一个可控、无反射的测量环境。
• 吸波材料详解:
  • 工作原理：
    1. 阻抗匹配：角锥的尖端对电磁波来说阻抗接近空气（377Ω），随着深入基底，碳含量增加，阻抗逐渐降低。这种渐变阻抗结构可以最大程度地减少在材料表面的直接反射。
    2. 多次反射与吸收：未被直接吸收的电磁波会以一定角度射入锥体间的缝隙，经过角锥侧面的多次反射，每次反射都会有一部分能量被碳材料吸收并转化为热能，最终使反射波能量衰减到极低水平。
  • 关键参数：
    • 静区 (Quiet Zone)：暗室中心的一个区域，在此区域内，来自墙壁、天花板和地板的反射信号电平相对于直射信号低于某个特定值（例如-40dB或-50dB）。待测天线必须完全位于静区内。
    • 频率范围：暗室的有效工作频率由吸波材料的尺寸和类型决定。低频性能通常是衡量暗室好坏的关键指标。

4.2 地面反射影响

• 物理现象：在室外测试场，接收天线同时收到两路信号：直射波 和 地面反射波。
• 干涉效应 (多径效应)：
  • 这两路信号由于路径不同（反射路径更长）和反射时的相位突变（通常是~180°），会产生相位差。
  • 在接收点，它们矢量叠加，可能相长干涉（信号增强）或相消干涉（信号减弱，形成衰落）。
  • 最终导致测得的信号强度随高度或角度变化而剧烈起伏，完全破坏了天线真实的方向图。
• 减小影响的策略 (总结)：
  1. 消除法：使用微波暗室，从根本上消除反射源。
  2. 规避法：
     • 架高天线：抬高天线，利用天线方向图的零点或低副瓣区域对准地面反射点，抑制反射波的接收。
     • 使用窄波束天线：源天线和待测天线都使用高增益窄波束天线，使地面反射点落在主瓣之外。
  3. 利用法：
     • 建立标准反射面：使用平坦的金属地面，使反射变得完全可预测，可以通过镜像理论在数据处理中修正结果。

4.3 八木 (Yagi-Uda) 天线

• 元件角色分工：
  • 有源振子 (Driven Element)：通常是半波偶极子，连接馈线，负责能量的馈入或取出。
  • 反射器 (Reflector)：位于有源振子后方，长度比有源振子略长（~5%）。它呈感性，使得其感应电流滞后，从而将后方辐射的能量反射到前方，与前方辐射同相叠加。
  • 引向器 (Director)：位于有源振子前方，长度比有源振子略短（~5%）。它呈容性，使得其感应电流超前，将能量引导、聚焦到前方。
• 性能随引向器数目N增加的变化 (总结表)：

引向器数目 N	增益	方向性	主瓣宽度	带宽
增加	增加	增强	变窄	变窄

考点速记：八木天线就像一个“透镜”，引向器越多，“透镜”的焦距越长，能量越集中，但对“颜色”（频率）也越挑剔。

4.4 卫星实验细节

• LNB (Low-Noise Block Downconverter) 功能分解：
  • LNA (低噪声放大)：卫星信号到达地面时已极其微弱，必须在混频前进行低噪声放大，否则信号将被淹没在接收机自身的噪声中。这是保证信噪比 (SNR) 的第一道关。
  • 混频与本振 (LO)：通过混频器，将高频的RF信号与一个稳定的本地振荡器 (LO) 信号相乘，产生和频与差频。
  • 滤波与输出：滤掉和频及其他无用信号，只让差频（即中频IF信号）通过。例如，对于C波段，接收信号3.7GHz，LO为5.15GHz，产生的中频信号为 $5.15 - 3.7 = 1.45$ GHz (1450 MHz)，正好落在L波段中频范围内。
• 天线指向 (Azimuth & Elevation)：
  • 寻星过程：首先根据本地经纬度和目标卫星经度，用公式或软件计算出方位角 (Azimuth) 和仰角 (Elevation)。先调整仰角，然后慢慢转动方位角，直到在频谱仪上找到信号。
  • 信号最大化：找到信号后，再细微调整方位角和仰角，使信号强度达到最大。最后，还要调整极化角 (Skew)，即旋转LNB本身，使之与卫星下行信号的极化匹配，以获得最强信号。