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） |
| |
（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：
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