基于matlab的相控陣天線測試軟件設(shè)計(jì)

張孟達(dá) 楊廣玉 中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，安徽合肥 230088

基于matlab的相控陣天線測試軟件設(shè)計(jì)

張孟達(dá) 楊廣玉 中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，安徽合肥 230088

為了在相控陣天線測試中能夠有效控制陣元收發(fā)，快速采集、分析收發(fā)數(shù)據(jù)，測試天線方向圖，采用matlab軟件的GUI用戶界面開發(fā)了測試軟件。Matlab具有編程效率高、交互性好、工具箱功能強(qiáng)大的特點(diǎn)，因此該軟件開發(fā)周期短、可擴(kuò)展性強(qiáng)、人機(jī)界面友好、簡單易用。采用該軟件測試相控陣天線，快捷方便、容易查錯，在很大程度上提高了工作效率。

引言

相控陣?yán)走_(dá)天線的波束掃描比起傳統(tǒng)的機(jī)械掃描具有極大的優(yōu)越性，使雷達(dá)的工作方式更加靈活[1][2]。因此相控陣?yán)走_(dá)天線得到越來越廣泛的應(yīng)用。相控陣天線陣元少則幾十路，多則上千路，測試每個(gè)通路的好壞及幅度相位特性成了一項(xiàng)浩大的工程[3]，往往需要天饋系統(tǒng)，接收系統(tǒng)以及信號處理系統(tǒng)之間相互協(xié)調(diào)共同完成。因此，很有必要設(shè)計(jì)一款具有控制任意一路天線陣元收發(fā)、檢測每個(gè)通路的好壞、采集數(shù)據(jù)、分析通道之間的幅相誤差以及每個(gè)通道信噪比等功能的軟件。由于該軟件需要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，還要具有二維、三維繪圖等功能，如果用VC++6.0這樣的開發(fā)工具勢必要花費(fèi)很長時(shí)間。Matlab作為一種具有科學(xué)計(jì)算、符號運(yùn)算、圖形處理等多種功能的強(qiáng)有力工具越來越受到業(yè)界的普遍認(rèn)可，其對GUI（用戶圖形接口）的支持使設(shè)計(jì)用戶界面變得非常輕松[4][5]。本文正是充分利用matlab編程靈活簡單等優(yōu)勢，基于matlab設(shè)計(jì)出一款相控陣天線測試軟件。

1 相控陣天線測試系統(tǒng)組成

如圖1所示，該相控陣天線為有源相控陣天線，每個(gè)天線陣元都接有一個(gè)收發(fā)組件。天線前方設(shè)有探針。測試接收通道時(shí)，探針發(fā)射信號，天線單元接收；測試發(fā)射通道時(shí)，天線單元發(fā)射，探針接收。天線陣面和CPCI機(jī)箱由多路光纖連接。CPCI機(jī)箱配有一塊CPCI計(jì)算機(jī)和若干CPCI插件。CPCI插件通過光纖上傳控制字到天線陣面可以控制每路陣元的收發(fā)。每路陣元接收到的信號則通過光纖下傳到CPCI插件。 CPCI計(jì)算機(jī)可以通過CPCI總線訪問CPCI插件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，寫控制字等功能，還可以通過路由器和其他計(jì)算機(jī)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信。本文設(shè)計(jì)的測試軟件運(yùn)行在裝有matlab的控制計(jì)算機(jī)上，控制計(jì)算機(jī)可以通過網(wǎng)絡(luò)和CPCI計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。接收到的數(shù)據(jù)可以隨時(shí)保存、載入。并且可以利用matlab豐富的工具箱進(jìn)行各種分析，分析的結(jié)果可以用于接收或發(fā)射校正，也可以進(jìn)行收發(fā)天線方向圖測試等。

圖1 相控陣天線測試系統(tǒng)示意圖

2 測試軟件需求分析

2.1 發(fā)送控制字

相控陣天線測試軟件需要發(fā)送UDP包通知CPCI計(jì)算機(jī)當(dāng)前工作模式，以及各種工作參數(shù)。CPCI計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)這些參數(shù)到CPCI插件，進(jìn)而CPCI插件通過光纖控制天線陣元進(jìn)行各種操作，比如單路收發(fā)，或全部收發(fā)或單路依次收發(fā)等。

2.2 采集數(shù)據(jù)

天線接收通道的數(shù)據(jù)通過光纖下傳至CPCI插件，CPCI計(jì)算機(jī)可以通過CPCI總線訪問任意一塊CPCI插件。相控陣天線測試軟件通知CPCI計(jì)算機(jī)當(dāng)前需要采集的數(shù)據(jù)類型，以及哪塊插件的數(shù)據(jù)等。CPCI計(jì)算機(jī)收到命令后會把相應(yīng)數(shù)據(jù)打包，通過UDP協(xié)議發(fā)送給控制計(jì)算機(jī)。

2.3 分析數(shù)據(jù)

相控陣天線測試軟件需要將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行各種分析，比如分析單路的頻率，信噪比，不同通路之間的幅相誤差，補(bǔ)償幅相誤差、做DBF（數(shù)字波束形成）、測試收發(fā)天線方向圖等。

3 測試軟件具體設(shè)計(jì)

3.1 用戶界面

一，用戶界面應(yīng)設(shè)置不同按鈕來進(jìn)行各種操作，比如發(fā)送控制字、數(shù)據(jù)采集、FFT分析、I、Q正交性分析、通道幅相誤差分析等。二，應(yīng)該給用戶提供輸入?yún)?shù)的編輯框以及選擇不用工作模式的下拉菜單、單選框等。比如選擇光纖號、通道號、單次采樣還是連續(xù)采樣等。三，界面提供畫圖窗口，可以繪制各種圖形，包括原始I、Q信號，F(xiàn)FT輸出、圓圖、通道幅相誤差等。四，軟件設(shè)計(jì)了系統(tǒng)菜單：“文件”菜單包括“保存數(shù)據(jù)”、“裝載數(shù)據(jù)”、“保存圖片”、“打開圖片”等子菜單；“編輯”菜單下可以對圖形進(jìn)行放大、縮小、旋轉(zhuǎn)、標(biāo)注、刪除等操作；“工具”菜單提供一個(gè)測試網(wǎng)絡(luò)連接是否正常的小工具；幫助菜單提供該軟件的幫助文檔，介紹了軟件的操作方法。設(shè)計(jì)好的用戶界面如圖2所示。

圖2 軟件界面

3.2 核心功能

該軟件的功能可以劃分為網(wǎng)絡(luò)通信功能和數(shù)據(jù)分析功能。網(wǎng)絡(luò)通信主要依靠matlab提供的UDP接口來完成。很多人對VC6.0、JAVA 等環(huán)境下的sokect編程比較熟悉，對matlab網(wǎng)絡(luò)編程不是很了解。其實(shí)matlab下的網(wǎng)絡(luò)編程更加方便、簡單。下面給出創(chuàng)建客戶端和服務(wù)端的編程實(shí)例：

客戶端：udpClient = udp('192.168.62.1',4000);%% 創(chuàng)建UDP對象，設(shè)置IP地址和發(fā)送端口

數(shù)據(jù)分析功能則利用matlab豐富的函數(shù)，例如FFT等進(jìn)行信號處理運(yùn)算的函數(shù)，fopen、fread等文件操作函數(shù)以及plot、mesh等繪圖函數(shù)。這些對于具有matlab編程經(jīng)驗(yàn)的人來說應(yīng)該很熟悉了，這里不再贅述。

4 結(jié)語

鑒于相控陣天線測試工作量巨大，為了提高工作效率，本文基于matlab設(shè)計(jì)出一款簡單、易用的相控陣天線測試軟件。該軟件在工作中已經(jīng)為筆者節(jié)省了不少時(shí)間。該軟件利用了matlab方便運(yùn)算、繪圖等優(yōu)勢，開發(fā)周期很短，但其必須在matlab環(huán)境下運(yùn)行，移植性差、代碼執(zhí)行效率低是其不足之處。相比而言，該軟件優(yōu)點(diǎn)更加明顯，不失為一種操作方便、界面友好的測試工具。

[1] 張光義.相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)[M].北京:國防工業(yè)出版社.1994

[2] 張賢達(dá).現(xiàn)代信號處理[M].北京:清華大學(xué)出版社,1995

[3] 袁立.相控陣天線自動測試系統(tǒng)的搭建[J].微波學(xué)報(bào).2010.(S1)

[4] 李顯宏.MATLAB7.X界面設(shè)計(jì)與編程技巧[M].北京:電子工業(yè)出版社.2006

[5] 張志涌.精通MATLAB6.5版[M].北京:航空航天大學(xué)出版社.2003

Design Of Phased Array Antenna Measuring Software Based On Matlab

ZHANG Mengda YANG Guangyu No.38 Research Institute of CETC,Hefei 230088,China

Inoder to measure the Phased Array Antenna effectively,software based on matlab GUI is designed.Matlab is a software develop entironment that have good interface and many toolboxes.So the software based on matlab is easy to design and easy to use.That saves lots of time on Phased Array Antenna measurement.

matlab ;GUI 相控陣天線

TN955

matlab;GUI Phased Array Antenna

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.070