劉 琳，殷戰(zhàn)寧，仇雅芳，王正生

（中國電子科技集團公司51所，上海201802）

0 引 言

天線被廣泛地運用于無線電設備以實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換和電磁波的定向輻射或接收?，F(xiàn)代無線電設備，不管是通訊、雷達、導航、微波著陸、干擾和抗干擾等系統(tǒng)的應用中，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。

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

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

本文基于LabVIEW軟件平臺設計了一套外場天線自動測試系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)了信號設置、數(shù)據(jù)錄取的自動化，還能根據(jù)錄取數(shù)據(jù)自動繪制方向圖，克服了手工測試速度慢、效率低、準確度差等缺點。

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

1 接收天線外場自動測試系統(tǒng)的設計

1.1 測試系統(tǒng)硬件配置

為了實現(xiàn)對待測接收陣列天線的自動測試，本系統(tǒng)使用了以下硬件：主控計算機、頻譜儀或相位網(wǎng)絡分析儀、安裝在伺服系統(tǒng)上的待測天線、從控計算機、信號源、發(fā)射天線，如圖1所示。其中信號源、從控計算機部署在發(fā)射天線一側(cè)，主控計算機、頻譜儀／矢量網(wǎng)絡分析儀部署在待測接收天線一側(cè)，兩者的距離根據(jù)測試目標進行設定。

（1）主控計算機

測試主控計算機是測試系統(tǒng)的控制中心，它通過無線網(wǎng)絡與從控計算機實現(xiàn)互聯(lián)通信，通過RS232與伺服轉(zhuǎn)臺通信，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 天線自動測試系統(tǒng)硬件配置

測試主控計算機完成以下功能：

（a）用戶測試控制界面，接收用戶控制指令及參數(shù)設置；

（b）發(fā)送測試控制指令（包括頻率和功率控制信息）給從控計算機；

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

（d）讀取頻譜儀輸出的測試數(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）從控計算機

測試從控計算機用于接收控制指令，并對信號源進行控制。測試從控計算機主要完成以下功能：

（a）通過無線網(wǎng)絡接收主控計算機發(fā)送的控制指令；

（b）翻譯控制指令并通過USB／GPIB控制信號源。

（3）信號源

根據(jù)測試從控計算機指令發(fā)送對應功率的頻率信息。

（4）發(fā)射天線

通過發(fā)射天線將信號源生成的信號發(fā)射出去。

（5）伺服控制系統(tǒng)

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

（6）頻譜儀或矢量網(wǎng)絡分析儀

測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算機。如為矢量網(wǎng)絡分析儀，還可獲得該測試點的相位值。

1.2 主控計算機與從控計算機的通信模型

由于待測接收天線的設計目標在幾百米以上，測試主控計算機和從控計算機利用無線網(wǎng)絡的方式在外場進行互聯(lián)，并基于TCP／IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)通信。

在實際設計中，從控計算機工作在服務器模式下，監(jiān)聽來自主控計算機的指令，執(zhí)行指令并返回結(jié)果。主控計算機作為客戶端連接到從控計算機，在用戶開始測試后發(fā)送指令到從控計算機實現(xiàn)發(fā)射天線信號源的啟動和參數(shù)設置，如圖2所示。

圖2 測試主控計算機與從控計算機通信模型

1.3 主控計算機工作流程

測試主控計算機為整個自動測試系統(tǒng)的控制中樞，包括用戶界面、參數(shù)設置、自動控制與測試、方向圖實時顯示、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，包括檢測與接收天線接口，檢測頻譜儀／網(wǎng)絡分析儀輸入是否正常，完成與從控計算機的網(wǎng)絡連接及端口初始化。

圖3 主控計算機測試流程

（2）完成所有自檢后，開始讀取用戶設置的測試參數(shù)，包括：

轉(zhuǎn)角起始角度和終止角度：如5°～300°；

步進：每次轉(zhuǎn)臺移動的角度，所能支持的最小步進由伺服控制系統(tǒng)決定；

轉(zhuǎn)角停留間隔：完成單個頻率點測試所需的最小時間。

（3）向從控計算機發(fā)送測試頻率和功率，從控計算機向信號源設置頻率和功率參數(shù)。

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

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

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

2 基于LabVIEW的測試軟件

位于主控計算機和從控計算機上的天線測試系統(tǒng)是基于LabVIEW開發(fā)的。利用LabVIEW提供的虛擬儀表庫，有效地實現(xiàn)了信號截取、信號分析、數(shù)值運算、邏輯運算、數(shù)據(jù)儲出等數(shù)據(jù)流操作并實現(xiàn)方向圖的實時繪制［2］。

2.1 測試系統(tǒng)軟件

位于主控計算機上的天線外場系統(tǒng)測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；

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

測試樣本：設置轉(zhuǎn)臺測試的起始轉(zhuǎn)角、終止轉(zhuǎn)角、步進角度；

天線方向圖顯示：實時顯示當前轉(zhuǎn)位角、頻率／功率所得到的天線方位圖；

測試數(shù)據(jù)表：所有測試點的所有具體測試數(shù)據(jù)。

天線自動測試系統(tǒng)軟件主界面如圖4所示。

圖4 天線自動測試系統(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)設置完畢后，對頻譜儀設置搜尋帶寬，并等待500ms（頻譜儀測量被測天線幅度所需時間）后，讀取幅度峰值進行二進制化處理。然后基于方位角、頻率及所得的幅度峰值實時繪制天線方向圖。

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 陣列天線測試方向圖測試結(jié)果

本系統(tǒng)可以自動將所有的測試數(shù)據(jù)及結(jié)果（包括轉(zhuǎn)臺角度、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 陣列天線單元的測試與數(shù)據(jù)分析

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

式中：k＝2π／λ，即波數(shù)。

對于線陣，進行等相測試時，陣因子可以簡單表示為［4］：

根據(jù)該公式計算結(jié)果與陣列天線實際測試結(jié)果的比較分析，進一步檢查待測陣列天線的性能特點，為下一步的天線改進優(yōu)化提供方向。圖6顯示了基于各個天線單元的主瓣測試結(jié)果后用Matlab軟件進行陣因子計算的結(jié)果。

圖6 使用Matlab軟件處理后的天線方向圖

4 結(jié)束語

本文設計并實現(xiàn)了陣列天線的自動方向圖測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)實現(xiàn)了接收天線的自動控制與測試，大大提高了天線測試的速度、效率和精確度，同樣，該系統(tǒng)也可以用于發(fā)射天線的測試。以后的設計將圍繞進一步提高該系統(tǒng)的擴展性以適應各種天線、外設接口與測試數(shù)據(jù)的復雜要求而展開。

［1］秦紅磊，路輝，郎榮玲.自動測試系統(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 設計模式［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：北京航空航天大學出版社，2006.

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