測(cè)控天線方向圖測(cè)試系統(tǒng)研究

孫永江，于建成，魯新龍，金華松

(中國(guó)衛(wèi)星海上測(cè)控部，江蘇江陰 214400)

0 引言

天線的輻射方向圖簡(jiǎn)稱方向圖，是天線的輻射參量隨空間方向變化的圖形表示。輻射參量包括:輻射的功率通量密度、場(chǎng)強(qiáng)、相位和極化。通常情況下，輻射方向圖在遠(yuǎn)區(qū)測(cè)定并表示為空間方向坐標(biāo)的函數(shù)［1］。根據(jù)天線方向圖的圖形可以確定天線的波瓣寬度、波束寬度、副瓣電平和方向系數(shù)等參數(shù)。目前船載測(cè)控天線大多采用手動(dòng)測(cè)試，雖然可以通過頻譜儀實(shí)時(shí)打印圖形，但仍存在需多人配合和數(shù)據(jù)處理不便的問題。本文在研究現(xiàn)有測(cè)試技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究一種基于GPIB虛擬儀器方向圖測(cè)試系統(tǒng)，完成對(duì)第一副瓣電平、3 dB點(diǎn)波瓣寬度以及10 dB點(diǎn)波瓣寬度的指標(biāo)的自動(dòng)化測(cè)試和計(jì)算，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化顯示，并以可視化報(bào)告的形式打印出相關(guān)的測(cè)量曲線和特征點(diǎn)信息。

1 測(cè)試原理

天線在方向(θ，Φ)輻射的電場(chǎng)強(qiáng)度為:

式中，A0為與方向無關(guān)的常數(shù);f(θ，Φ)為場(chǎng)強(qiáng)方向函數(shù)。由式(1)可得:

實(shí)際上常用場(chǎng)強(qiáng)歸一化表示方向圖，稱歸一化方向圖，表示為:

式中，EM為場(chǎng)強(qiáng)的最大值;F(θ，Φ)為歸一化場(chǎng)強(qiáng)方向函數(shù)。所以要測(cè)歸一化場(chǎng)強(qiáng)方向圖，只要測(cè)得在距離天線的球面上各點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)即可。

根據(jù)天線方向圖的圖形可以確定天線的波瓣寬度、波束寬度、副瓣電平和方向系數(shù)等?；趪?guó)軍標(biāo)的雷達(dá)方向圖測(cè)量方法有3大類6種方法，其中源雷達(dá)高架的斜式測(cè)試場(chǎng)測(cè)量方法是在試驗(yàn)場(chǎng)常用的一種方法。

本文在現(xiàn)有測(cè)試技術(shù)的基礎(chǔ)上研究一種基于GPIB及串口的虛擬儀器方向圖測(cè)試系統(tǒng)，完成對(duì)第一副瓣電平、3 dB點(diǎn)波瓣寬度以及10 dB點(diǎn)波瓣寬度的指標(biāo)的自動(dòng)化測(cè)試和計(jì)算，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖形化顯示，并以可視化報(bào)告的形式打印出相關(guān)的測(cè)量曲線和特征點(diǎn)信息［2，3］。

2 船載雷達(dá)方向圖測(cè)試技術(shù)現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的手動(dòng)方向圖測(cè)量方法屬于靜態(tài)逐點(diǎn)測(cè)試，數(shù)據(jù)的錄取方向圖的繪制以及參數(shù)的計(jì)算都是手工方式，操作復(fù)雜，工作量大，完成一次測(cè)量需要多人協(xié)作，測(cè)試與數(shù)據(jù)處理時(shí)間長(zhǎng)，且精度很難提高。目前船載測(cè)控天線大多采用的半自動(dòng)化測(cè)試，雖然可以通過頻譜儀實(shí)時(shí)打印圖形，但仍需多人配合、數(shù)據(jù)處理不便的問題［4，5］。

下面以船載測(cè)控雷達(dá)方向圖測(cè)試系統(tǒng)為例，介紹測(cè)試原理和測(cè)試方法。測(cè)試系統(tǒng)采用源雷達(dá)高架斜式測(cè)量法。被測(cè)天線為接收狀態(tài)，可在平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。源天線為發(fā)射狀態(tài)，固定不動(dòng)。收、發(fā)均為同向線極化或圓極化［6］。

2.1 測(cè)試要求

源雷達(dá)架設(shè)在高塔上，被測(cè)雷達(dá)及定位裝置架設(shè)在地面上，源雷達(dá)垂直方向圖的第一零點(diǎn)指向幾何反射點(diǎn)，架設(shè)高度應(yīng)滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試要求以及信標(biāo)塔有足夠的高度，以消除地面反射波的影響［7，8］。

2.2 測(cè)試方案及流程

被測(cè)天線為接收狀態(tài)，可在平面內(nèi)自由轉(zhuǎn)動(dòng)。源天線為發(fā)射狀態(tài)，固定不動(dòng)。收、發(fā)均為同向線極化或圓極化。在被測(cè)天線轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，不斷記錄可得到該天線的方向圖［9］。

①對(duì)準(zhǔn)目標(biāo):將源天線安裝在標(biāo)校塔中。按測(cè)試要求配置信號(hào)，源天線發(fā)出測(cè)試頻率的信號(hào)。轉(zhuǎn)動(dòng)被測(cè)天線使其波束中心對(duì)準(zhǔn)信標(biāo)塔源天線，微調(diào)天線至接收信號(hào)最強(qiáng)。

②設(shè)置頻譜儀:設(shè)置頻譜儀中心頻率和帶寬。掃描時(shí)間和視頻帶寬視具體情況而定，掃描過程中天線勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。

③方位測(cè)試:完成上述步驟后可正式進(jìn)行測(cè)試。被測(cè)天線左、右連續(xù)偏轉(zhuǎn)3°，在頻譜儀上得到±3°范圍的包括主瓣和旁瓣在內(nèi)的方位方向圖。

④俯仰測(cè)試:使被測(cè)天線回到中心點(diǎn)處，并再次精調(diào)被測(cè)天線使其對(duì)準(zhǔn)信標(biāo)塔源天線，以此為零點(diǎn)使天線向上下偏轉(zhuǎn)2°，即在頻譜儀上得到±2°范圍的包括主瓣和旁瓣的俯仰方向圖。

⑤數(shù)據(jù)處理:根據(jù)天線方向圖計(jì)算出天線增益和其他相關(guān)指標(biāo)［10］。

3 船載雷達(dá)方向圖自動(dòng)化測(cè)試

3.1 系統(tǒng)概述

為縮短開發(fā)時(shí)間，提高開發(fā)效率，系統(tǒng)采用虛擬儀器中的儀器控制技術(shù)。將多個(gè)可以完成固定功能的獨(dú)立儀器組合在一起進(jìn)行信息交換、協(xié)調(diào)工作，完成獨(dú)立儀器的系統(tǒng)集成。獨(dú)立儀器的系統(tǒng)集成需要2個(gè)條件:①獨(dú)立儀器自身配置了行業(yè)通用的接口或總線的硬件，并且提供與外界通信的代碼;②有一個(gè)統(tǒng)一的平臺(tái)能夠與各個(gè)相關(guān)的獨(dú)立儀器的接口或總線進(jìn)行通信?？偩€技術(shù)在系統(tǒng)集成中占有非常重要的作用。傳統(tǒng)測(cè)試方法與自動(dòng)化測(cè)試方法比較如表1所示。

表1 測(cè)試方法比對(duì)

3.2 系統(tǒng)組成及功能

3.2.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)建立在已有測(cè)試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上。整個(gè)系統(tǒng)由筆記本電腦、高速GPIB通信卡、電平轉(zhuǎn)換器、便攜式打印機(jī)、基于GPIB通用總線接口和RS232接口的虛擬儀器技術(shù)測(cè)試軟件系統(tǒng)組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

通過虛擬儀器軟件將角度控制和測(cè)試頻譜顯示在一個(gè)界面同時(shí)顯示，提高工作效率。系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多種拋物面雷達(dá)和方向圖、差方向圖、雷達(dá)軸比、雷達(dá)增益、雷達(dá)差零深、差斜率、差線性度、第一副瓣電平、3 dB點(diǎn)和10 dB點(diǎn)波瓣寬度的指標(biāo)自動(dòng)化測(cè)試與計(jì)算，系統(tǒng)軟件分為以下3個(gè)模塊［11］:

①被測(cè)天線控制模塊。通過RS232接口，控制測(cè)角監(jiān)控微機(jī)，進(jìn)而完成對(duì)天線轉(zhuǎn)動(dòng)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制。

②源天線控制模塊。通過光纖遠(yuǎn)程控制標(biāo)校塔信號(hào)源，實(shí)現(xiàn)開關(guān)機(jī)控制、點(diǎn)頻設(shè)置和電平控制。

③測(cè)試模塊。通過GPIB接口，控制測(cè)試儀器。設(shè)置測(cè)試頻率，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)路徑，測(cè)試數(shù)據(jù)顯示處理，完成方向圖繪制。

3.2.2 軟件實(shí)現(xiàn)

雷達(dá)天線方向圖測(cè)試靠測(cè)試軟件來完成。實(shí)現(xiàn)各種雷達(dá)天線方向圖測(cè)試軟件的程序流程圖如圖2所示。整個(gè)程序?yàn)橛脩籼峁┝艘粋€(gè)智能化、自動(dòng)化的測(cè)試環(huán)境和測(cè)試界面［12］。

圖2 測(cè)試流程

3.2.3 測(cè)試方法比較

天線方向圖自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)分別與對(duì)應(yīng)設(shè)備的數(shù)據(jù)通訊后，完成一體化的天線方向圖測(cè)試。與傳統(tǒng)的測(cè)試方法相比，系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)如下:

①接口編程方便，可實(shí)現(xiàn)各種自動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)、多次測(cè)量平均等要求，測(cè)量精度高;

②對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)分析處理，以圖形化顯示，以可視化報(bào)告的形式打印相關(guān)的測(cè)量曲線和特征點(diǎn)信息。

③便于擴(kuò)展傳統(tǒng)儀器的功能，將多臺(tái)帶有串口及GPIB接口的儀器組合起來，形成較大的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)可以完成雷達(dá)指標(biāo)的綜合測(cè)試。高效靈活地完成各種不同的測(cè)試任務(wù)，而且組建和拆散靈活，使用方便。

4 測(cè)試結(jié)果分析

以船載測(cè)控雷達(dá)為測(cè)試對(duì)象，系統(tǒng)聯(lián)通后，在方向圖自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)中設(shè)置方位偏轉(zhuǎn)角度為－3°～+3°，俯仰的偏轉(zhuǎn)角度為－2°～+2°，可以得到天線的方向圖曲線并及時(shí)記錄保存。天線俯仰角為90°固定、方位角在中心點(diǎn)(90°)附近正負(fù)偏轉(zhuǎn)3°時(shí)的天線方向圖測(cè)試曲線如圖3所示［13］。

圖3 天線方向圖測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語

結(jié)合工程實(shí)踐，從原理上深入剖析了天線方向圖這一雷達(dá)系統(tǒng)的關(guān)鍵指標(biāo)。詳細(xì)介紹了船載拋物面天線方向圖的測(cè)試方法和實(shí)施方案。針對(duì)現(xiàn)有測(cè)試方法的不足，研究了一種基于LabView平臺(tái)的測(cè)控天線方向圖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。通過RS232和GPIB總線對(duì)測(cè)試儀器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)了天線方向圖自動(dòng)化測(cè)試，大大縮短了測(cè)量時(shí)間，提高了測(cè)量效率和測(cè)試精度，可廣泛應(yīng)用于多種類型的天線方向圖測(cè)試。 ■

［1］林冒祿.天線測(cè)量技術(shù)［M］.成都:電訊工程學(xué)院出版社，2004:25－30.

［2］李江全.虛擬儀器設(shè)計(jì)測(cè)控應(yīng)用典型實(shí)例［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2010:21－33.

［3］劉思久，張禮勇.自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)與虛擬儀器原理與應(yīng)用［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009:40－50.

［4］馬漢炎.天線技術(shù)［M］.哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004:21 －32.

［5］秦順友.天線方向圖測(cè)試系統(tǒng)信噪比對(duì)旁瓣電平的影響［J］.電子器件，1997(1):168－171.

［6］魏敬春.統(tǒng)一微波測(cè)控系統(tǒng)測(cè)角分系統(tǒng)［M］.陜西:信息產(chǎn)業(yè)部39所，2002:30－70.

［7］楊曙光.現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)與軍用電子測(cè)試［J］.光電測(cè)試與無源干擾，1998(2):28－30.

［8］路林吉，饒家明.虛擬儀器講座［J］.電子技術(shù)，2000(1):44－47.

［9］應(yīng)懷憔.卡泰儀器與虛擬儀器技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)［J］.國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2000(2):2 －4.

［10］李雪華.抗干擾技術(shù)分析［J］.無線電工程，2011(5):52－55.

［11］洪 峻.星載SAR天線方向圖在軌測(cè)量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)［J］.雷達(dá)學(xué)報(bào)，2012(3):217－224.

［12］楊峰輝，姜 云.基于虛擬儀器技術(shù)的雷達(dá)測(cè)試系統(tǒng)研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011(7):23 －25.

［13］高京龍.航天測(cè)控站無人值守技術(shù)分析［J］.無線電工程，2011(12):38－40.