平面近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)集成與實(shí)現(xiàn)

摘要:為滿足天線方向圖的平面近場(chǎng)測(cè)量[1-2]，設(shè)計(jì)了一套功能強(qiáng)大的自動(dòng)平面近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng);在硬件方面采用了分布式的搭建形式，而在軟件方面則使用了Borland C++ Builder 6.0[3]和Matlab7.0并采用模塊化、層次化的軟件集成方式，提高了軟件的可維護(hù)性，縮短了開發(fā)周期;該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了0.1～18GHz頻帶下，對(duì)天線方向圖的平面近場(chǎng)測(cè)量，并同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收、處理、分析和顯示;該系統(tǒng)豐富的功能為天線(陣列)方向圖的測(cè)量[4-5]提供了強(qiáng)大的測(cè)試平臺(tái)。

關(guān)鍵詞:平面近場(chǎng);近場(chǎng)變換;方向圖

中圖分類號(hào):TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1009-3044(2009)35-10096-02

Integration and Implementation of Wide-Band Planar Near-field Measurement System

LIN Wei， WANG Bin-hu， JING Zhen-yi， YUAN Nai-chang

(Microwave Center of NUDT， Changsha 410073， China)

Abstract: To meet the needs of near-field measurement for antenna， a powerful automatic measurement system is designed; In hardware， the distributed construction form is adopted， while in software， the integration form of modularization and arrangement are adopted， Borland C++ Builder 6.0 and Matlab7.0 are used too. Thus， the software’s maintainability is improved and the developing period is shorten; The system can be used to measure the pattern of antenna， and can receive， process， analysis and display data simultaneity， under the bandwidth of 0.1-18GHz; The powerful function of this system supplies a excellent platform to measure the pattern of antenna.(arrays).

Key words: planar near-field; near-field-transform; pattern

分布式超寬帶平面近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的建設(shè)主要是提高近場(chǎng)環(huán)境下天線方向圖的測(cè)量和分析能力，并以建立數(shù)據(jù)資源倉庫的形式實(shí)現(xiàn)對(duì)總體平臺(tái)發(fā)展的支持?？捎糜谥文繕?biāo)探測(cè)技術(shù)、目標(biāo)識(shí)別技術(shù)、先進(jìn)電子信息技術(shù)方面的創(chuàng)新研究和人才培養(yǎng)。而目前，國內(nèi)相關(guān)的近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)在精度、靈敏度及測(cè)試系統(tǒng)搭建方面都存在不少問題[6]。為此，我們自行集成與實(shí)現(xiàn)了一套平面近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特色在于:1) 測(cè)量能力強(qiáng)?？蛇M(jìn)行天線的超寬帶方向圖測(cè)量。包括天線的頻率及脈沖響應(yīng)，幅度、天線的幅度、相位方向圖，駐波比等。2) 系統(tǒng)工作頻帶寬。能夠?qū)崿F(xiàn)外場(chǎng)0.1～18GHz頻帶下的天線超寬帶方向圖和一些電參數(shù)的測(cè)量。3) 測(cè)量系統(tǒng)精度高。一般情況下，方向圖和天線增益測(cè)量誤差可達(dá)到1dB以下。

1 系統(tǒng)硬件組成和原理

1.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

如圖1所示，系統(tǒng)基本組成如下:

1) 射頻微波儀器。主要包括發(fā)射端發(fā)射信號(hào)源、發(fā)射天線、接收端接收天線(探頭)、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀等。

2) 定位裝置。主要包括低反射掃描架和支架。主要實(shí)現(xiàn)放置天線的定位、雙向高精度移動(dòng)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行三維方向圖測(cè)量。

3) 主控計(jì)算機(jī)。主要包括主控計(jì)算機(jī)和GPIB、串口[3]等相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)通信控制接口。主控計(jì)算機(jī)安裝有系統(tǒng)集成軟件，完成對(duì)硬件的級(jí)聯(lián)控制和操作，實(shí)現(xiàn)功能測(cè)試，進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和后端數(shù)據(jù)處理。

1.2 系統(tǒng)工作原理

如圖1所示，在主控計(jì)算機(jī)控制下，射頻信號(hào)源發(fā)射信號(hào)，通過耦合器分為兩路，一路輸送到參考混頻器與本振信號(hào)混頻形成8.33MHz的中頻信號(hào)，另一路經(jīng)過發(fā)射天線向探頭天線發(fā)射，接收端接收探頭在平面上每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)上接收信號(hào)，并送入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)部接收機(jī)作為測(cè)試信號(hào)，接收機(jī)完成網(wǎng)格點(diǎn)微波信號(hào)的幅相測(cè)試。然后通過軟件系統(tǒng)，完成近場(chǎng)幅相數(shù)據(jù)的近場(chǎng)變換，從而實(shí)現(xiàn)天線的方向圖和增益等的測(cè)試。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

我們所開發(fā)的軟件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能:實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)硬件控制(包括微波射頻儀器和機(jī)械定位裝置)，可完成用戶多種測(cè)量任務(wù)，具有測(cè)量設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)指令狀態(tài)通信以及數(shù)據(jù)傳輸能力;具有數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、刷新、讀寫能力;具有動(dòng)態(tài)交互能力;具有數(shù)據(jù)處理功能;具有錯(cuò)誤狀態(tài)提示以及對(duì)異常狀態(tài)的處理能力;具有位置誤差和掃描面階段誤差自動(dòng)補(bǔ)償功能[7-9]。軟件采用高級(jí)編程語言Borland C++ Builder6.0結(jié)合Matlab7.0混合編程來實(shí)現(xiàn)。編譯后可獨(dú)立運(yùn)行于Windows XP/2000/NT等操作系統(tǒng)。

2.1 軟件層次和功能模塊劃分

按照模塊化、層次化的標(biāo)準(zhǔn)化軟件設(shè)計(jì)理論，如圖2所示，本軟件系統(tǒng)可剖分為以下幾大模塊和層次。各個(gè)模塊相互協(xié)調(diào)工作，以完成天線測(cè)量和數(shù)據(jù)處理等功能。

2.2 軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在對(duì)各個(gè)功能模塊剖分設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還需要設(shè)計(jì)軟件內(nèi)部三大結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、邏輯結(jié)構(gòu)、時(shí)序結(jié)構(gòu)。其中數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)屬于較低層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)范疇，主要針對(duì)參數(shù)層次進(jìn)行;邏輯結(jié)構(gòu)、時(shí)序結(jié)構(gòu)屬于較高層次的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)范疇，主要針對(duì)事件層次進(jìn)行。上述功能模塊設(shè)計(jì)完成后，要實(shí)現(xiàn)最終的軟件測(cè)量功能，還需要完成對(duì)于事件的觸發(fā)響應(yīng)方式編程。對(duì)于事件的觸發(fā)響應(yīng)，便需要完成兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和時(shí)序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)是典型的邏輯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，參見圖3。首先判斷存儲(chǔ)事件是否發(fā)生，然后判斷數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式、存儲(chǔ)地址是否正確，最后進(jìn)行事件響應(yīng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

測(cè)量過程屬于典型的時(shí)序結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參見圖4。首先判斷測(cè)量事件是否發(fā)生，然后對(duì)射頻儀器和定位裝置進(jìn)行時(shí)序控制，進(jìn)行事件多線程響應(yīng)，完成整個(gè)測(cè)量過程。

3 測(cè)試結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

利用該測(cè)量系統(tǒng)，對(duì)3.1GHz—3.5GHZ的波導(dǎo)縫隙天線陣進(jìn)行了測(cè)量[10-11]，下面對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析。

3.1 近場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)分析

對(duì)近場(chǎng)情況下頻率為3.35GHz時(shí)所測(cè)得的近場(chǎng)幅度和相位數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，做出近場(chǎng)數(shù)據(jù)的三維圖形，如圖5所示，是近場(chǎng)幅度圖形。

3.2 近遠(yuǎn)場(chǎng)變換結(jié)果

把剛才的近場(chǎng)數(shù)據(jù)在系統(tǒng)軟件中進(jìn)行變換[12]，得到如圖6所示的結(jié)果，橫坐標(biāo)為θ方向角度，縱坐標(biāo)為變換后天線電場(chǎng)的dB值，與直接遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)得的方向圖(如圖7所示)比較，發(fā)現(xiàn)二者所得的結(jié)果吻合的比較好，這表明了該系統(tǒng)的正確性。至于方向圖的不對(duì)稱主要是由截?cái)嗾`差和探頭位置誤差引起的。

圖6 天線陣近場(chǎng)變換所得的E面方向圖(3.35G)

圖7 天線陣遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量得到的E面方向圖(3.35G)

4 結(jié)束語

我們集成的這套平面近場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)在于: 系統(tǒng)工作頻帶寬，功能強(qiáng)大;測(cè)試效率很高;系統(tǒng)測(cè)量精度高;人機(jī)界面友好，放便使用。目前這套系統(tǒng)已經(jīng)投入使用，測(cè)試精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性達(dá)到了預(yù)期效果。

參考文獻(xiàn):

[1] Pairs D T，Leach W M，Joy E B.Basic theory of probe-compensated near-field measurements[J].IEEE Trans on AP，1978，26(3):373-379.

[2] Hansen T B.Near Field Scanning in the Time Domain，Part2: Sampling Theorems and Computation Schemes[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1994，42(9):1291-1300.

[3] 曹巖，王海宇.C++ Builder 應(yīng)用程序開發(fā)實(shí)例與技巧[M].西安:西安交通大學(xué)出版社，2005.

[4] Yacccarino R G，Samii Y R.Phaseless Bi-Polar Planar Near-Field Measurement and Diagnostic of Array Antennas[J].IEEE Transaction Antennas and Propagation，1999，47(3):574-583.

[5] Newell A C，Crawford M C.Planar near-field measurements on high performance array antennas[M].NBSIR，1974:74-380.

[6] Yaghjian A D.An Overview of Near Field Measurement[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1986，34(1):141-184.

[7] Newell A C.Planar Near-Field Measurements[M].NBS Lecture Notes， Boulder Co.1985.

[8] Yaghjian A D. Upper-Bound Errors in Far-Field Antenna Parameters Determined From Planar Near-Field Measurements---Part I: Analysis[M].NBS Technique Note TN667，1975:8-69.

[9] Yaghjian A D. Upper-Bound Errors in Far-Field Antenna Parameters Determined From Planar Near-Field Measurements---Part II: Analysis and computer simulation[M].NBS Short Course Notes，Boulder Co，1975.

[10] 梁步閣，袁乃昌.寬帶RCS自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2004，12(1):64-65.

[11] 毛乃宏，俱新德.天線測(cè)量手冊(cè)[M].長(zhǎng)沙:國防工業(yè)出版社，1987.

[12] Wang J J H.An examination of the theory and practices of planar near field measurement[J].IEEE TransAP，1988，36(6):746-753.