一種基于VSTO的陣列天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳 亮,蔣治國,徐建敏

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，浙江 嘉興 314033)

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一種基于VSTO的陣列天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

陳 亮,蔣治國,徐建敏

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十六研究所，浙江 嘉興 314033)

陣列天線由于具有較強(qiáng)方向性和較高增益，可顯著提高電子信息系統(tǒng)的整體性能。陣列天線性能的優(yōu)劣主要通過方向圖表現(xiàn)出來。因此對(duì)天線方向圖的測(cè)試和驗(yàn)證是陣列天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)中比較重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。考慮到要對(duì)大量的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行較為復(fù)雜的自動(dòng)化的后期處理，提出了一種適用于遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境的陣列天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)解決方案。該系統(tǒng)基于VSTO實(shí)現(xiàn)，在用戶熟悉的Excel界面中實(shí)現(xiàn)了測(cè)試數(shù)據(jù)獲取、處理、表現(xiàn)的全生命周期的所有功能，自動(dòng)完成了對(duì)陣列天線方向圖的測(cè)試。

VSTO；陣列天線；自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)；外場(chǎng)測(cè)試；方向圖

0 引言

隨著陣列天線技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，其在通信、雷達(dá)等電子信息系統(tǒng)中的應(yīng)用也越來越廣泛。陣列天線可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)天線無法實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜功能，其較強(qiáng)的方向性和較高的增益，以及方向圖掃描等優(yōu)點(diǎn)，可以顯著提高系統(tǒng)性能。陣列天線性能的優(yōu)劣主要通過方向圖等系統(tǒng)參數(shù)反應(yīng)出來的[1]。因此對(duì)陣列天線方向圖的測(cè)試和驗(yàn)證，在陣列天線研發(fā)過程中的理論驗(yàn)證和工程實(shí)現(xiàn)方面都具有重要意義。

然而，陣列天線方向圖的測(cè)試涉及測(cè)試環(huán)境、測(cè)試儀器與設(shè)備，以及測(cè)試方式等諸多因素，開發(fā)一種能夠?qū)Ρ粶y(cè)陣列天線自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量、故障診斷、數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)和傳輸，并以適當(dāng)方式顯示或輸出測(cè)試結(jié)果的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)是必要的[2]。目前，大多數(shù)陣列天線設(shè)計(jì)和測(cè)試過程中，沒有采用較為完整的涵蓋數(shù)據(jù)獲取、處理和分析3個(gè)過程的解決方法。

1 系統(tǒng)組成

陣列天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)組成包括了系統(tǒng)工作環(huán)境和硬件組成2個(gè)方面。通過分析，可選定合適的測(cè)試工作環(huán)境，并明確測(cè)試任務(wù)的各項(xiàng)指標(biāo)。

1.1 工作環(huán)境

通常而言，天線方向圖測(cè)試的目的是采用遠(yuǎn)場(chǎng)或近場(chǎng)的測(cè)試方法進(jìn)行天線參數(shù)的準(zhǔn)確測(cè)量。考慮由源天線(發(fā)射)等效相位中心輻射的電磁波經(jīng)過距離R到達(dá)待測(cè)天線(接收)口面，以待測(cè)天線口面中心為參考，口面邊緣的相位差可由式(1)計(jì)算得到。

(1)

一般地，取Δφmax=π/8，所得距離稱為遠(yuǎn)場(chǎng)最小測(cè)試距離，即Rmin=2D2/λ。這里的D通常取待測(cè)天線最大口徑尺寸[3]。通過上述計(jì)算，并根據(jù)天線工作頻段及結(jié)構(gòu)尺寸的要求，確定陣列天線的測(cè)試需要在天線遠(yuǎn)場(chǎng)專用測(cè)試場(chǎng)地進(jìn)行，如圖1所示。

圖1 遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試的環(huán)境設(shè)計(jì)

圖中將陣列天線放置在專用測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)上，利用測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)的旋轉(zhuǎn)來獲取各個(gè)通道和各個(gè)頻段上的陣列天線方向圖。由于轉(zhuǎn)臺(tái)工作時(shí)，始終處于一個(gè)勻速和無間斷轉(zhuǎn)動(dòng)的工作狀態(tài)，因而在這個(gè)測(cè)試過程中，依靠人工方法記錄大量數(shù)據(jù)是一項(xiàng)根本無法完成測(cè)試任務(wù)，必須借助自動(dòng)化的方法來實(shí)施。

1.2 硬件組成及實(shí)現(xiàn)的功能

為了完成在上述遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境中的陣列天線方向圖的自動(dòng)測(cè)試，接下來還需要具體分析系統(tǒng)硬件組成及實(shí)現(xiàn)的功能。陣列天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的硬件組成具體如圖2所示。

圖2 測(cè)試系統(tǒng)硬件組成圖

系統(tǒng)要求在轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)的較短的測(cè)試時(shí)間周期內(nèi)，通過控制頻譜儀、信號(hào)源、開關(guān)矩陣和電臺(tái)等多種測(cè)試儀器和設(shè)備，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)地頻譜功率峰值捕獲、發(fā)射信號(hào)的遠(yuǎn)程控制和切換、接收信號(hào)的通道開關(guān)切換和數(shù)據(jù)獲取，以及轉(zhuǎn)臺(tái)控制及瞬時(shí)角度讀取等功能。此外，還要根據(jù)項(xiàng)目的具體要求，系統(tǒng)對(duì)測(cè)試過程中產(chǎn)生的海量原始數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)地去噪、插值和計(jì)算波束寬度，以及生成方向圖等處理。

因而必須借助計(jì)算機(jī)的控制、計(jì)算、通信和處理能力，利用能夠充分發(fā)揮測(cè)量?jī)x器的群體優(yōu)勢(shì)的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)來完成這一測(cè)試任務(wù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

一個(gè)典型的自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)包括了用戶界面與程序控制、數(shù)據(jù)獲取和數(shù)據(jù)分析3個(gè)功能模塊。用戶界面是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)與用戶的人機(jī)接口，也是程序邏輯控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的外在表現(xiàn)形式。數(shù)據(jù)獲取模塊是按照測(cè)試序列的要求，調(diào)用儀器驅(qū)動(dòng)或模塊化的儀器控制程序來產(chǎn)生測(cè)試報(bào)表所需的原始的測(cè)試數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)分析模塊是對(duì)原始的測(cè)試數(shù)據(jù)采用格式化、數(shù)字信號(hào)處理、統(tǒng)計(jì)分析和曲線擬合等方法最終獲得一個(gè)簡(jiǎn)單、明了的測(cè)試結(jié)果[4]。

VSTO是微軟Visual Studio開發(fā)環(huán)境中的Office解決方案，在Visual Studio編程環(huán)境中，利用VSTO解決方案和Office客戶端工具，實(shí)現(xiàn)用戶界面與程序控制、數(shù)據(jù)獲取和分析表現(xiàn)3個(gè)功能[5]，如圖3所示。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)

2.1 用戶界面與程序控制

本文介紹的陣列天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)用戶界面和程序控制模塊是在Microsoft Visual Studio編程環(huán)境下的VSTO模板來實(shí)現(xiàn)的。

VSTO通過將Office用作解決方案的前端，便可以使用熟悉的Office用戶界面和工具，例如：利用Office Ribbon功能區(qū)這種新型菜單項(xiàng)目表現(xiàn)形式可以清晰和快速地構(gòu)建自動(dòng)測(cè)試程序的測(cè)試操作步驟和程序控制流程。利用Office Action Pane Control控件可以構(gòu)建豐富的用戶界面，方便用戶選擇儀器的地址、設(shè)置自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的預(yù)設(shè)數(shù)據(jù)，以及表現(xiàn)測(cè)試過程的實(shí)時(shí)狀態(tài)。而Office Excel強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能和快速圖表生成功能，可以快速制作滿足系統(tǒng)需求的數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式[6]。此外，VSTO還支持WPF控件，WPF控件可用于構(gòu)建具有豐富、引人注目和具有良好使用體驗(yàn)的用戶界面，并能夠清晰地區(qū)分用戶界面和程序控制邏輯[5]。

2.2 數(shù)據(jù)獲取

數(shù)據(jù)獲取程序模塊的主要功能是控制儀器和設(shè)備，讀取并按照一定的格式將測(cè)試數(shù)據(jù)寫入Excel表格中。鑒于這部分的程序是以測(cè)試數(shù)據(jù)流為中心的程序設(shè)計(jì)模式，因而采用了結(jié)構(gòu)化的分析和設(shè)計(jì)方法[7]，下面以法線方向的增益測(cè)試為例，利用便于理解和分析測(cè)試數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)流程圖,如圖4所示，來簡(jiǎn)述該測(cè)試序列程序的實(shí)現(xiàn)過程。

圖4 數(shù)據(jù)獲取部分的數(shù)據(jù)流程圖(DFD)

從數(shù)據(jù)流程圖中可以看出，陣列天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)基本上沒有外部實(shí)體的介入，整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)輸入都是通過預(yù)設(shè)的列表直接輸入到各個(gè)處理程序的。

在進(jìn)行法線方向的增益測(cè)試時(shí)，首先要調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)上的陣列天線，使其主波束方向與源天線方向成一直線和極化方向保持一致。啟動(dòng)程序后，程序自動(dòng)讀取預(yù)設(shè)參數(shù)的列表，按照測(cè)試序列操控儀器和設(shè)備。最后使用VSTO提供的函數(shù)把獲取的原始測(cè)試數(shù)據(jù)保存在Office Excel的Sheets對(duì)象中，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析模塊來調(diào)用。

2.3 數(shù)據(jù)分析

自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)獲取的原始測(cè)試數(shù)據(jù)必須經(jīng)過格式化、歸一化、信號(hào)處理、統(tǒng)計(jì)分析和曲線擬合等方法來產(chǎn)生最終的結(jié)果。經(jīng)過處理的測(cè)試數(shù)據(jù)還要在用戶界面上，利用圖表或其他表現(xiàn)形式的控件，按照系統(tǒng)的需求顯示出來。

根據(jù)陣列天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)需求分析結(jié)果，主要利用Office Excel提供的內(nèi)置數(shù)據(jù)處理函數(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理、去噪和插值等處理。首先，測(cè)試的原始數(shù)據(jù)在顯示的小數(shù)位數(shù)和數(shù)據(jù)格式等方面進(jìn)行了統(tǒng)一，如有需要還要對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)間或序列等方式進(jìn)行標(biāo)識(shí)，對(duì)于測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行一些簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)。其次，考慮到轉(zhuǎn)臺(tái)在測(cè)試過程中經(jīng)歷了啟動(dòng)、旋轉(zhuǎn)和停止等動(dòng)作，它并不是一個(gè)理想的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)過程，再者由于讀取轉(zhuǎn)臺(tái)與讀取其他儀器或設(shè)備的程序響應(yīng)速度的不匹配，在測(cè)試數(shù)據(jù)中會(huì)產(chǎn)生一些重復(fù)或空白條目。而頻譜儀等儀器在整個(gè)測(cè)試過程中，或因?yàn)橹茉怆姶怒h(huán)境影響，或因?yàn)閮x器本身的一些固有問題，也會(huì)產(chǎn)生少量的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。以上2類錯(cuò)誤數(shù)據(jù)表現(xiàn)為一些噪點(diǎn)，在數(shù)據(jù)處理過程中應(yīng)予去除。最后，考慮到計(jì)算方位面3 dB波束寬度θAzim的精度要求，還要對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)按照一定密度進(jìn)行線性插值計(jì)算處理。

根據(jù)陣列天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，利用Office Excel中的Table對(duì)象提供的屬性和方法來表現(xiàn)計(jì)算得到方向圖方位面3 dB波束寬度θAzim，同時(shí)記錄法向掃描波束最大功率電平P0的結(jié)果；利用Office Excel中的Chart對(duì)象所提供的一些屬性和方法來繪制陣列天線方位面主波束方向圖，如圖5所示。

圖5 陣列天線在3種不同工作頻段下的方向圖

3 系統(tǒng)驗(yàn)證

把陣列天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)輸出的結(jié)果，與設(shè)計(jì)要求中不同測(cè)試頻點(diǎn)下，天線增益和波束寬度等指標(biāo)的仿真結(jié)果進(jìn)行比較，考慮誤差因素后，測(cè)得數(shù)據(jù)基本與理論數(shù)據(jù)相符，說明陣列天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果是可信的。

另一方面陣列天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，在一次測(cè)試過程中可完成多路信道、多個(gè)頻點(diǎn)的測(cè)試，自動(dòng)測(cè)試的速度比人工測(cè)試一般可以快50～500倍[8]，極大提高了系統(tǒng)測(cè)試效率，也達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。

4 結(jié)束語

介紹了一種基于VSTO的陣列天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程，該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，在Office Excel這樣一個(gè)用戶比較熟悉的工作環(huán)境中，完成了對(duì)陣列天線方向圖的測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試數(shù)據(jù)獲取、處理和表現(xiàn)的全生命周期的所有功能。將測(cè)得數(shù)據(jù)整理后與理論仿真得到的數(shù)據(jù)對(duì)比，考慮誤差因素后，測(cè)得數(shù)據(jù)基本與理論數(shù)據(jù)相符，證明該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)具有一定的創(chuàng)新性和工程使用價(jià)值。

[1] 郝延剛,李淑華.在室外測(cè)試場(chǎng)中陣列天線方向圖的測(cè)試方法[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2012,12(29):7745-7748.

[2] 郝延剛,李淑華.在室外測(cè)試場(chǎng)中陣列天線方向圖的測(cè)試方法[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2012,12(29):7745-7748. [3] 楊東萍,未連保,衣尚軍.相位誤差對(duì)相控陣天線影響分析與改進(jìn)[J].無線電工程,2013,43(3):24-26.

[4] Getting Started with LabWindows/CVI,P21[EB/OL].http:∥www.ni.com/pdf/manuals/373552k.pdf[5] Vivek Thengaswany.VSTO 3.0 for Office 2007 Programming[M].UK:Packt Publishing,2009.

[6] Visual Studio中的Office開發(fā)[EB/OL].http:∥msdn.microsoft.com.

[7] 褚 華.軟件設(shè)計(jì)師教程[M].北京:清華大學(xué)出版社,2009.

[8] 李立功.現(xiàn)代電子測(cè)試技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2008.

A VSTO Based Automatic Testing System Design for Array Antenna

CHEN Liang,JIANG Zhi-guo,XU Jian-min

(The 36th Research Institute of CETC,Jiaxing Zhejiang 314033,China)

Array antenna with strong directivity and high gain can significantly improve the system performance. The performance of an array antenna is mainly manifested by the pattern. So the testing and verification of the pattern is an important part during the array antenna system design process. This paper presents an automatic test system solution for the array antenna in far field environment. The system is based on VSTO,implementing within the familiar Excel interface test data acquisition,processing and presentation of full life cycle of the test process,and automatically carries out the testing of the array antenna pattern.

VSTO; array antenna; automatic test system; outdoor test; antenna pattern

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2016.06.23

陳 亮,蔣治國,徐建敏.一種基于VSTO的陣列天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].無線電通信技術(shù),2016,42(6):91-94.

2016-07-13

陳 亮(1983—)，男，高級(jí)工程師，主要研究方向：半實(shí)物仿真與自動(dòng)測(cè)試。蔣治國(1982—)，男，工程師，碩士，主要研究方向：半實(shí)物仿真與自動(dòng)測(cè)試。

TN821

A

1003-3114(2016)06-91-4