天線外場方向圖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

劉 琳，殷戰(zhàn)寧，仇雅芳，王正生

（中國電子科技集團(tuán)公司51所，上海201802）

0 引 言

天線被廣泛地運(yùn)用于無線電設(shè)備以實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和電磁波的定向輻射或接收?，F(xiàn)代無線電設(shè)備，不管是通訊、雷達(dá)、導(dǎo)航、微波著陸、干擾和抗干擾等系統(tǒng)的應(yīng)用中，越來越多地采用陣列天線。陣列天線是根據(jù)電磁波在空間相互干涉的原理，把具有相同結(jié)構(gòu)、相同尺寸的某種基本天線按一定規(guī)律排列在一起組成的。

對(duì)于大型天線陣或工作頻率很低的大口徑天線，由于其遠(yuǎn)場距離較大，并且天線本身尺寸也較大，在傳統(tǒng)的微波暗室中無法進(jìn)行測(cè)試，因此需要在空闊的室外作外場測(cè)試。

為了提高天線外場測(cè)試效率，急需開發(fā)一套能夠滿足不同測(cè)試要求的外場自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

本文基于LabVIEW軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)了一套外場天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了信號(hào)設(shè)置、數(shù)據(jù)錄取的自動(dòng)化，還能根據(jù)錄取數(shù)據(jù)自動(dòng)繪制方向圖，克服了手工測(cè)試速度慢、效率低、準(zhǔn)確度差等缺點(diǎn)。

天線外場自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)用于大型陣列天線和低頻段天線的外場測(cè)試，既可用于接收天線和發(fā)射天線的方向圖測(cè)試，還可進(jìn)行接收、發(fā)射天線的幅相測(cè)試，以下內(nèi)容以接收天線為實(shí)例論述［1］。

1 接收天線外場自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 測(cè)試系統(tǒng)硬件配置

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)接收陣列天線的自動(dòng)測(cè)試，本系統(tǒng)使用了以下硬件：主控計(jì)算機(jī)、頻譜儀或相位網(wǎng)絡(luò)分析儀、安裝在伺服系統(tǒng)上的待測(cè)天線、從控計(jì)算機(jī)、信號(hào)源、發(fā)射天線，如圖1所示。其中信號(hào)源、從控計(jì)算機(jī)部署在發(fā)射天線一側(cè)，主控計(jì)算機(jī)、頻譜儀／矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀部署在待測(cè)接收天線一側(cè)，兩者的距離根據(jù)測(cè)試目標(biāo)進(jìn)行設(shè)定。

（1）主控計(jì)算機(jī)

測(cè)試主控計(jì)算機(jī)是測(cè)試系統(tǒng)的控制中心，它通過無線網(wǎng)絡(luò)與從控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)通信，通過RS232與伺服轉(zhuǎn)臺(tái)通信，通過共用串行總線架構(gòu) （USB）／通用接口總線（GPIB）與頻譜儀相連。

圖1 天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)硬件配置

測(cè)試主控計(jì)算機(jī)完成以下功能：

（a）用戶測(cè)試控制界面，接收用戶控制指令及參數(shù)設(shè)置；

（b）發(fā)送測(cè)試控制指令（包括頻率和功率控制信息）給從控計(jì)算機(jī)；

（c）發(fā)送伺服控制指令（包括轉(zhuǎn)臺(tái)角度信息）給伺服控制系統(tǒng)；

（d）讀取頻譜儀輸出的測(cè)試數(shù)據(jù)；

（e）分析繪制天線方向圖并輸出相關(guān)數(shù)據(jù)到記錄文件。

（2）從控計(jì)算機(jī)

測(cè)試從控計(jì)算機(jī)用于接收控制指令，并對(duì)信號(hào)源進(jìn)行控制。測(cè)試從控計(jì)算機(jī)主要完成以下功能：

（a）通過無線網(wǎng)絡(luò)接收主控計(jì)算機(jī)發(fā)送的控制指令；

（b）翻譯控制指令并通過USB／GPIB控制信號(hào)源。

（3）信號(hào)源

根據(jù)測(cè)試從控計(jì)算機(jī)指令發(fā)送對(duì)應(yīng)功率的頻率信息。

（4）發(fā)射天線

通過發(fā)射天線將信號(hào)源生成的信號(hào)發(fā)射出去。

（5）伺服控制系統(tǒng)

伺服控制系統(tǒng)連接待測(cè)陣列天線，按照主控計(jì)算機(jī)的指令控制天線在特定的轉(zhuǎn)角下接收無線信號(hào)。

（6）頻譜儀或矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

測(cè)量接收天線收到的幅度值，并通過USB／GPIB將幅度峰值傳送到主控計(jì)算機(jī)。如為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，還可獲得該測(cè)試點(diǎn)的相位值。

1.2 主控計(jì)算機(jī)與從控計(jì)算機(jī)的通信模型

由于待測(cè)接收天線的設(shè)計(jì)目標(biāo)在幾百米以上，測(cè)試主控計(jì)算機(jī)和從控計(jì)算機(jī)利用無線網(wǎng)絡(luò)的方式在外場進(jìn)行互聯(lián)，并基于TCP／IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，從控計(jì)算機(jī)工作在服務(wù)器模式下，監(jiān)聽來自主控計(jì)算機(jī)的指令，執(zhí)行指令并返回結(jié)果。主控計(jì)算機(jī)作為客戶端連接到從控計(jì)算機(jī)，在用戶開始測(cè)試后發(fā)送指令到從控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)發(fā)射天線信號(hào)源的啟動(dòng)和參數(shù)設(shè)置，如圖2所示。

圖2 測(cè)試主控計(jì)算機(jī)與從控計(jì)算機(jī)通信模型

1.3 主控計(jì)算機(jī)工作流程

測(cè)試主控計(jì)算機(jī)為整個(gè)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的控制中樞，包括用戶界面、參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)控制與測(cè)試、方向圖實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)記錄與文件輸出等功能。其主要工作流程如圖3所示。

（1）完成主控系統(tǒng)初始化及檢測(cè)，包括檢測(cè)與接收天線接口，檢測(cè)頻譜儀／網(wǎng)絡(luò)分析儀輸入是否正常，完成與從控計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)連接及端口初始化。

圖3 主控計(jì)算機(jī)測(cè)試流程

（2）完成所有自檢后，開始讀取用戶設(shè)置的測(cè)試參數(shù)，包括：

轉(zhuǎn)角起始角度和終止角度：如5°～300°；

步進(jìn)：每次轉(zhuǎn)臺(tái)移動(dòng)的角度，所能支持的最小步進(jìn)由伺服控制系統(tǒng)決定；

轉(zhuǎn)角停留間隔：完成單個(gè)頻率點(diǎn)測(cè)試所需的最小時(shí)間。

（3）向從控計(jì)算機(jī)發(fā)送測(cè)試頻率和功率，從控計(jì)算機(jī)向信號(hào)源設(shè)置頻率和功率參數(shù)。

（4）讀取頻譜儀接收自接收天線的幅度峰值，記錄該時(shí)刻的轉(zhuǎn)角角度、頻率、功率和測(cè)試結(jié)果、幅度峰值。

（5）繼續(xù)設(shè)置新的測(cè)試頻率和功率值，重復(fù)（4）、（5）直到所有頻率、功率測(cè)試完畢。

（6）更改測(cè)試天線轉(zhuǎn)臺(tái)角度，開始新一輪的測(cè)試（重復(fù)（3）、（4）、（5）、（6））直到所有角度（如5°～300°）測(cè)試完成。

2 基于LabVIEW的測(cè)試軟件

位于主控計(jì)算機(jī)和從控計(jì)算機(jī)上的天線測(cè)試系統(tǒng)是基于LabVIEW開發(fā)的。利用LabVIEW提供的虛擬儀表庫，有效地實(shí)現(xiàn)了信號(hào)截取、信號(hào)分析、數(shù)值運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)儲(chǔ)出等數(shù)據(jù)流操作并實(shí)現(xiàn)方向圖的實(shí)時(shí)繪制［2］。

2.1 測(cè)試系統(tǒng)軟件

位于主控計(jì)算機(jī)上的天線外場系統(tǒng)測(cè)試軟件基本可以分成以下功能模塊：

主界面：為該系統(tǒng)的用戶控制與顯示窗口；

外設(shè)接口連接：完成與各種外設(shè)的接口與狀態(tài)檢測(cè)，包括與頻譜儀／網(wǎng)絡(luò)分析儀的USB／GPIB接口，與伺服控制系統(tǒng)的RS232接口，與從控計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)接口等；

測(cè)試樣本：設(shè)置轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試的起始轉(zhuǎn)角、終止轉(zhuǎn)角、步進(jìn)角度；

天線方向圖顯示：實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)位角、頻率／功率所得到的天線方位圖；

測(cè)試數(shù)據(jù)表：所有測(cè)試點(diǎn)的所有具體測(cè)試數(shù)據(jù)。

天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件主界面如圖4所示。

圖4 天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件主界面

2.2 LabVIEW方向圖繪制

從頻譜儀數(shù)據(jù)讀取并構(gòu)建方向圖的LabVIEW部分程序圖：在所有轉(zhuǎn)角、頻率、功率參數(shù)設(shè)置完畢后，對(duì)頻譜儀設(shè)置搜尋帶寬，并等待500ms（頻譜儀測(cè)量被測(cè)天線幅度所需時(shí)間）后，讀取幅度峰值進(jìn)行二進(jìn)制化處理。然后基于方位角、頻率及所得的幅度峰值實(shí)時(shí)繪制天線方向圖。

圖5顯示了不同轉(zhuǎn)角、頻率／功率下的方向圖結(jié)果：不同灰度的曲線表示不同頻率／功率下的測(cè)試結(jié)果。該結(jié)果顯示接收天線的主瓣位于以174°為中心的4.9°位角內(nèi)。

圖5 陣列天線測(cè)試方向圖測(cè)試結(jié)果

本系統(tǒng)可以自動(dòng)將所有的測(cè)試數(shù)據(jù)及結(jié)果（包括轉(zhuǎn)臺(tái)角度、頻率、功率及幅度、相位結(jié)果）輸出到Excel文件，便于下一步的數(shù)據(jù)分析與檢查。

3 陣列天線單元的測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

圖5顯示的是對(duì)陣列天線整體測(cè)試的結(jié)果。為驗(yàn)證各個(gè)接收天線單元的接收性能，可以用同樣方法測(cè)試單個(gè)天線單元的方向圖并計(jì)算得到波瓣fn（θ，φ）。假設(shè)在一個(gè)天線陣列中共有N個(gè)天線單元，第n個(gè)單元在陣中的波瓣為fn（θ，φ），它在陣中的位置為（xn，yn，zn），激勵(lì)的振幅為In，相位為φn，則這個(gè)天線陣列的波瓣可以寫為［3］：

式中：k＝2π／λ，即波數(shù)。

對(duì)于線陣，進(jìn)行等相測(cè)試時(shí)，陣因子可以簡單表示為［4］：

根據(jù)該公式計(jì)算結(jié)果與陣列天線實(shí)際測(cè)試結(jié)果的比較分析，進(jìn)一步檢查待測(cè)陣列天線的性能特點(diǎn)，為下一步的天線改進(jìn)優(yōu)化提供方向。圖6顯示了基于各個(gè)天線單元的主瓣測(cè)試結(jié)果后用Matlab軟件進(jìn)行陣因子計(jì)算的結(jié)果。

圖6 使用Matlab軟件處理后的天線方向圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了陣列天線的自動(dòng)方向圖測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了接收天線的自動(dòng)控制與測(cè)試，大大提高了天線測(cè)試的速度、效率和精確度，同樣，該系統(tǒng)也可以用于發(fā)射天線的測(cè)試。以后的設(shè)計(jì)將圍繞進(jìn)一步提高該系統(tǒng)的擴(kuò)展性以適應(yīng)各種天線、外設(shè)接口與測(cè)試數(shù)據(jù)的復(fù)雜要求而展開。

［1］秦紅磊，路輝，郎榮玲.自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)：硬件及軟件技術(shù)［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［2］Blume P A.LabVIEW 設(shè)計(jì)模式［M］.劉章發(fā)，衣法臻譯.北京：電子工業(yè)出版社，2009.

［3］薛正輝，李偉明，任武.陣列天線分析與綜合［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

［4］Milligan Thomas A.現(xiàn)代天線設(shè)計(jì)［M］.郭玉春譯.北京：電子工業(yè)出版社，2012.