基于LabVIEW的遠(yuǎn)場(chǎng)天線測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

江思杰 程照明 江傳華

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430079)

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基于LabVIEW的遠(yuǎn)場(chǎng)天線測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用*

江思杰 程照明 江傳華

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所 武漢 430079)

針對(duì)天線參數(shù)測(cè)試過程及測(cè)試要求,分析在天線參數(shù)測(cè)試中的主要問題,研究實(shí)際測(cè)試過程中環(huán)境因素對(duì)天線參數(shù)測(cè)量結(jié)果的影響,提出了一種基于LabVIEW的遠(yuǎn)場(chǎng)天線性能參數(shù)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案,詳細(xì)闡述了該方案的系統(tǒng)組成部分與工作原理,包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)與吊桿的控制原理以及數(shù)據(jù)采集的時(shí)序設(shè)計(jì),結(jié)合Matlab實(shí)現(xiàn)了對(duì)影響因素的誤差補(bǔ)償與天線性能參數(shù)的測(cè)試計(jì)算方法,利用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)天線測(cè)試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、讀取與報(bào)告打印,通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試試驗(yàn)驗(yàn)證了該方案的可靠性與可行性。

天線測(cè)試系統(tǒng); 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀; LabVIEW; Matlab; 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)

Class Number TP23

1 引言

隨著無線電技術(shù)的快速發(fā)展和無線電儀器設(shè)備應(yīng)用場(chǎng)合的日益增多,用途各異、種類繁多的天線在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。在實(shí)際工程應(yīng)用中,天線方向圖、增益、波瓣寬度等參數(shù)會(huì)決定其是否滿足性能要求,與此同時(shí),相較于微波暗室,外場(chǎng)測(cè)試環(huán)境更能反映天線的真實(shí)性能[4]。

本文通過分析遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境中的誤差來源,確定誤差因素并以修正因子的形式補(bǔ)償至天線性能參數(shù)測(cè)試計(jì)算中,極大提高了遠(yuǎn)場(chǎng)天線測(cè)試的可靠性與可行性。

2 系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)在傳統(tǒng)測(cè)試方法進(jìn)行了諸多改進(jìn),形成了一套結(jié)合自動(dòng)控制、高速采集、快速數(shù)據(jù)處理與報(bào)告打印于一身的智能測(cè)試系統(tǒng),與此同時(shí),系統(tǒng)分析了遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試過程與環(huán)境中所存在的誤差,在原有算法基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),極大提高了天線測(cè)試系統(tǒng)的可靠性。

圖1 遠(yuǎn)場(chǎng)天線測(cè)試系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

遠(yuǎn)場(chǎng)天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示,硬件部分主要包括Aglient PNA-X 5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)、天線測(cè)試吊桿、轉(zhuǎn)臺(tái)/吊桿驅(qū)動(dòng)控制器、監(jiān)視器與打印機(jī)。系統(tǒng)基本工作原理是利用轉(zhuǎn)臺(tái)/吊桿驅(qū)動(dòng)控制器控制轉(zhuǎn)臺(tái)/吊桿運(yùn)動(dòng)同時(shí)采集當(dāng)前角度參數(shù),期間,通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀同時(shí)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)天線的發(fā)射與待測(cè)天線的接收,并由工控機(jī)將采集到的幅度與角度參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,從而實(shí)時(shí)繪制方向圖,并計(jì)算天線性能參數(shù)。

3 系統(tǒng)運(yùn)行流程

遠(yuǎn)場(chǎng)天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的運(yùn)行流程圖如圖2所示,系統(tǒng)運(yùn)行主要通過工控機(jī)上的測(cè)控軟件實(shí)現(xiàn),具體實(shí)施步驟如下:

1) 檢查遠(yuǎn)場(chǎng)天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)機(jī)柜中的信號(hào)線路、射頻電纜是否連接正常,確保機(jī)柜接地良好;

2) 開啟設(shè)備,運(yùn)行工控機(jī)上的遠(yuǎn)場(chǎng)天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件,通過界面上的指示燈查看各設(shè)備裝套,確保系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行;

3) 配置天線測(cè)試的主要參數(shù),包括掃頻范圍、發(fā)射功率、頻率點(diǎn)數(shù)、轉(zhuǎn)臺(tái)/吊桿起始角度、轉(zhuǎn)臺(tái)/吊桿終止角度、轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)行速率、誤差補(bǔ)償參數(shù)、文件存儲(chǔ)名稱與路徑等,設(shè)置完畢后運(yùn)行測(cè)試系統(tǒng);

4) 系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行天線測(cè)試,并顯示實(shí)時(shí)天線方向圖與測(cè)試頻率信息,可在不同頻點(diǎn)間切換顯示;

5) 測(cè)試完畢后,系統(tǒng)顯示天線性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果,保存測(cè)試數(shù)據(jù)至指定路徑,生成并打印天線測(cè)試報(bào)告;

6) 系統(tǒng)初始化,準(zhǔn)備下次天線測(cè)試。

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

4 測(cè)量算法處理

傳統(tǒng)遠(yuǎn)場(chǎng)天線測(cè)量由于受到地面反射波的影響,難以達(dá)到較高的測(cè)量精度。此外,測(cè)試場(chǎng)環(huán)境中還存在著電磁干擾、氣候條件、障礙物雜亂反射、地網(wǎng)參數(shù)等因素,需通過分析誤差來源從而實(shí)現(xiàn)測(cè)量誤差修正,提高天線性能測(cè)試精度[1]。在天線測(cè)試過程中,方向圖與天線增益的受影響程度尤為突出。

4.1 天線方向圖誤差修正

遠(yuǎn)場(chǎng)天線測(cè)試過程中,主要影響因素可歸納為2類:外接因素:天線附近的同頻干擾源、天線前方高達(dá)建筑遮擋物以及天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試條件(需滿足R≥2D2λ,其中D為待測(cè)天線直徑,λ為工作頻率)。內(nèi)部因素:天線轉(zhuǎn)臺(tái)的角度誤差、相位中心的偏離因素[6]。

其中待測(cè)天線相位中心與轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸不重合而產(chǎn)生的角度誤差以及功率測(cè)量不精確而產(chǎn)生的角度誤差對(duì)天線方向圖測(cè)試所產(chǎn)生的影響尤為明顯,前者屬于系統(tǒng)誤差,后者屬于隨即誤差。

4.1.1 天線相位中心與轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸不重合而產(chǎn)生的角度誤差

在天線安裝過程中,天線的相位中心很難達(dá)到剛好與轉(zhuǎn)動(dòng)中心完全重合。因此,在測(cè)量天線方向圖時(shí),由于天線擺放位置的差異,會(huì)引起一個(gè)偏離標(biāo)準(zhǔn)值的誤差。根據(jù)天線擺放位置不同,所產(chǎn)生的誤差也會(huì)不相同,將該引入誤差后的轉(zhuǎn)動(dòng)角度記作θ

θ=(α1-α2)+Δθ

(1)

式中:α1為轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試的起始角度;α2為轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試的終止角度;角度總誤差為Δθ=Δθ1+Δθ2,其中Δθ1為待測(cè)天線相位中心與轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸不重合而產(chǎn)生的角度誤差,Δθ2為功率測(cè)量不精確而產(chǎn)生的角度誤差。

由于功率測(cè)量不精確而產(chǎn)生的角度誤差存在一定的隨機(jī)性,因此在計(jì)算角度誤差時(shí)往往將其忽略。

根據(jù)天線相位中心與轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸不后從何而產(chǎn)生的角度誤差計(jì)算公式:

(2)

式中:d為天線相位中心偏離其旋轉(zhuǎn)軸的距離;R為遠(yuǎn)場(chǎng)距離。

在遠(yuǎn)場(chǎng)天線測(cè)試中,當(dāng)R?d時(shí),θ?Δθ,最大誤差將會(huì)發(fā)生在cos(θ/2+α1)=nπ(n=0,1,2,…)。

則可推導(dǎo)出Δθ1的最大誤差為

(3)

將式(1)與式(2)聯(lián)立即可求出待測(cè)天線相位中心與轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)軸不重合而產(chǎn)生的角度誤差Δθ。

因此,在天線方向圖測(cè)試時(shí),本系統(tǒng)會(huì)通過已知參量計(jì)算出Δθ,之后代入到式(1)中得到修正后的角度參數(shù),從而降低誤差影響。

4.1.2 天線發(fā)射功率測(cè)量不精確而產(chǎn)生的角度誤差

在進(jìn)行功率方向圖測(cè)量時(shí),矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀由于內(nèi)部與外部因素的存在,在測(cè)量功率時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的誤差,從而導(dǎo)致測(cè)量角度產(chǎn)生偏差。假設(shè)該角度誤差為Δθ2,由計(jì)算公式可知:

(4)

式中:φ(θ)=P(θ)/Pm是方向函數(shù),其中,P(θ)與Pm分別表示天線在任意方向與主瓣最大方向上的單位立體角內(nèi)的功率;Δφ(θ)=ΔP(θ)/Pm表示功率比測(cè)量誤差。

將功率比測(cè)量誤差與方向函數(shù)分別代入到公式中即可求解出功率測(cè)量不精確而產(chǎn)生的角度誤差,之后代入到Δθ=Δθ1+Δθ2中計(jì)算總角度誤差。由于存在一定的隨機(jī)性,系統(tǒng)可選擇是否啟用該誤差計(jì)算。

4.2 天線增益誤差修正

遠(yuǎn)場(chǎng)天線測(cè)試中,天線工作頻率不同,其增益測(cè)量方法也有所差異,大多數(shù)情況都是基于饋線與收發(fā)天線匹配下的功率傳輸公式來計(jì)算[5],本系統(tǒng)采用比較法,其功率傳輸公式為

(5)

式中:Gt與Gr分別表示發(fā)射天線與接收天線的增益,λ為工作時(shí)的波長(zhǎng),R為接收與發(fā)射天線之間的距離,Pt與Pr分別表示發(fā)射與接收功率。

由于饋線與收發(fā)天線存在匹配失調(diào)等問題,主要為阻抗失陪,該誤差會(huì)對(duì)天線增益的計(jì)算產(chǎn)生一定的影響,下面就該阻抗失配誤差進(jìn)行具體分析。

在實(shí)際天線測(cè)試中,系統(tǒng)阻抗不匹配以及饋線損耗都可以造成增益測(cè)量誤差,因此,向式(5)中引入一個(gè)電失配因子M:

(6)

圖3 收發(fā)天線間的能量傳輸

如圖3所示,該圖描述了收發(fā)天線之間的能量傳輸情況。設(shè)PM為最大信號(hào)源輸出功率,在發(fā)射信號(hào)端,從傳輸線任一個(gè)參考面對(duì)于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀激勵(lì)信號(hào)源的反射系數(shù)為Γg,相對(duì)發(fā)射天線反射系數(shù)為Γat,其發(fā)射端的失配因子為Mt,依據(jù)功率傳輸公式,天線的實(shí)際輸入功率P0為

P0=PMMt

(7)

式中,發(fā)射端的失配因子Mt為

(8)

在接收端,從饋線任意一個(gè)參考平面向接收天線看去,反射系數(shù)為Γar,朝接收端看,反射系數(shù)為ΓL,其接收端的失配因子Mr為

(9)

則總失配因子M為M=Mt+Mr

(10)

由于發(fā)射天線的電壓駐波比Sg與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得的電壓駐波比Sat已知,則可根據(jù)式(11)分別求出兩者所對(duì)應(yīng)的反射系數(shù),代入到式(10)中即可得到總的失配因子:

(11)

由上述分析推到可知,測(cè)量天線增益與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀信號(hào)接收機(jī)、信號(hào)源負(fù)載失配有著直接的關(guān)系,因此,在計(jì)算天線增益之前,系統(tǒng)利用已知的發(fā)射天線與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得的電壓駐波比計(jì)算總失配因子,從而得到引入失配因子后的天線增益值。

5 驗(yàn)證比較

系統(tǒng)實(shí)體機(jī)柜結(jié)構(gòu)與操作界面如圖4所示,在系統(tǒng)搭建完畢之后,在聯(lián)調(diào)實(shí)驗(yàn)樓中進(jìn)行了調(diào)試驗(yàn)證,參與驗(yàn)證的設(shè)備包括:遠(yuǎn)場(chǎng)天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)、天線測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)、天線測(cè)試吊桿、LP450對(duì)數(shù)周期天線。遠(yuǎn)場(chǎng)天線測(cè)試系統(tǒng)軟件編制結(jié)合LabVIEW、Matlab與數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了天線方向圖與性能參數(shù)的自動(dòng)測(cè)試、算法處理與報(bào)告輸出,此外,軟件還具備原始記錄讀取、方向圖實(shí)時(shí)顯示、垂直180°方向圖測(cè)試等功能,為天線測(cè)試技術(shù)提供了有力的支撐。

本次驗(yàn)證測(cè)試所選擇的發(fā)射天線與接收天線均為對(duì)數(shù)周期天線LP450(使用頻率范圍:450MHz～1000MHz),放置方向均為水平放置,根據(jù)接收天線架設(shè)高度的不同,測(cè)量的天線方向圖也會(huì)有很大的差異。

由于測(cè)試數(shù)據(jù)繁多,本文僅列出兩組典型數(shù)據(jù)來驗(yàn)證系統(tǒng)的可靠性與可行性,并將測(cè)試結(jié)果與理想狀態(tài)下的天線方向圖進(jìn)行對(duì)比,如圖5、圖6所示。

圖4 遠(yuǎn)場(chǎng)天線測(cè)試系統(tǒng)控制室

圖5 采集頻率450MHz,接收天線高度1波長(zhǎng),即0.67m

圖6 采集頻率450MHz,接收天線高度1.5波長(zhǎng),即1m

通過上述測(cè)試方向圖對(duì)比,雖然測(cè)試結(jié)果與理想狀態(tài)略有偏差,但經(jīng)過誤差校正補(bǔ)償后的天線方向圖得到了明顯的改善,對(duì)數(shù)周期天線測(cè)試可清晰直觀的反應(yīng)遠(yuǎn)場(chǎng)天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的強(qiáng)大功能與較高可靠性。

6 結(jié)語(yǔ)

本文分析了傳統(tǒng)遠(yuǎn)場(chǎng)天線測(cè)試中所存在的諸多問題,利用虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)試方案上的優(yōu)化,結(jié)合Matlab進(jìn)行誤差校正與天線參數(shù)計(jì)算方法上的改進(jìn)與擴(kuò)展,同時(shí),通過數(shù)據(jù)庫(kù)調(diào)用已存儲(chǔ)的天線方向與與性能參數(shù)用于報(bào)告輸出與后續(xù)天線結(jié)構(gòu)改進(jìn)分析,為天線測(cè)試技術(shù)研究提供了一套精確有效的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。

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Design and Application of Far Field Antenna Testing System Based on LabVIEW

JIANG Sijie CHENG Zhaoming JIANG Chuanhua

(No. 722 Research Institute of CSIC, Wuhan 430079)

Aiming at the measurement process and parameters requirements of antenna test, the main problems in the antenna parameters test are analyzed, and the actual test environment in the process of the influence of factors on the antenna parameters measurement results are studied. A design of far field antenna performance based on LabVIEW parameters automatic test system is proposed. The system component and working principle of the scheme are elaborated in detail, including the vector network analyzer, the antenna test turntable and control principle of the derrick and timing design of data acquisition. Combined with Matlab, the error compensation of affecting factors and the testing calculation methods of performance parameters of the antenna are realized. Database technology is used to accomplish antenna test data storage, read and report printing. Field test experiment verifies the reliability and feasibility of the scheme.

antenna testing system, vector network analyzer, LabVIEW, Matlab, database technology

2014年10月11日,

2014年11月29日

江思杰,男,碩士,工程師,研究方向:儀器與測(cè)試技術(shù)、數(shù)據(jù)算法處理、機(jī)械自動(dòng)化控制、低頻通信技術(shù)、計(jì)量科研等。程照明,男,碩士,高級(jí)工程師,研究方向:低頻通信技術(shù)、電力載波技術(shù)、儀器與測(cè)試技術(shù)、數(shù)據(jù)算法處理等。江傳華,女,碩士,研究員,研究方向:低頻通信技術(shù)、天線理論技術(shù)、儀器與測(cè)試技術(shù)、數(shù)據(jù)算法處理、計(jì)量科研等。

TP23

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.036