張朋祥， 周鳴籟， 劉學(xué)觀， 郭輝萍

（蘇州大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 蘇州 215006）

0 引言

隨著射頻技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代通信設(shè)備要處理越來(lái)越多的信息，天線作為發(fā)送信息必需的設(shè)備，其性能的好壞直接影響通信過(guò)程，基站天線新舊影響能量消耗。在研究天線的傳播特性及天線發(fā)射信號(hào)方向性的過(guò)程中，用解析分析和數(shù)值算法只能給出理論參考模型，并不能精確分析天線結(jié)構(gòu)及制造過(guò)程和環(huán)境對(duì)它們的影響，必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行檢驗(yàn)和修正理論模型。很多新型的天線，其方向性、增益等參數(shù)都有了很大提高，對(duì)天線測(cè)試系統(tǒng)提出了非常高的要求，鑒于此，提出一種新型的基于計(jì)算機(jī)和高精度設(shè)備的高精度天線測(cè)試系統(tǒng)[1-5]。

1 系統(tǒng)的軟硬件介紹

此天線測(cè)試系統(tǒng)可以測(cè)量天線的相位方向圖和幅度方向圖，由硬件和軟件兩部分組成，接下來(lái)將對(duì)軟硬件展開(kāi)說(shuō)明。

1.1 高精度天線測(cè)試硬件

典型的天線測(cè)試系統(tǒng)硬件組成必須包括以下部分：發(fā)射天線支架（源塔）、源塔控制器、源塔指示器、發(fā)射信號(hào)源控制器、受試天線定位器（天線轉(zhuǎn)臺(tái)）、定位器控制、定位器指示器、接收機(jī)、天線方向圖記錄儀等[6-7]。上述硬件系統(tǒng)包含組成部分較多，多部件組合要考慮系統(tǒng)兼容性等參數(shù)，容易導(dǎo)致測(cè)試精度不高。因此新型的天線測(cè)試系統(tǒng)必須簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，運(yùn)用精度高，集成度高的硬件。本文描述的高精度天線測(cè)試系統(tǒng)主要由控制部分、天線轉(zhuǎn)臺(tái)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀組成，這三個(gè)部分就完成前面大量設(shè)備完成的功能。

控制部分主要由個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC，Personal Computer）軟件和相對(duì)應(yīng)的硬件組成，可高精度地控制定位器（轉(zhuǎn)臺(tái)）運(yùn)動(dòng)和信號(hào)源信號(hào)的發(fā)射。PC機(jī)軟件通過(guò)與安裝在外設(shè)組件互連（PCI，Peripheral Component Interconnect）總線上的步進(jìn)電機(jī)控制卡通信來(lái)控制三個(gè)接收轉(zhuǎn)臺(tái)上電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)發(fā)送轉(zhuǎn)臺(tái)上的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，進(jìn)而控制天線轉(zhuǎn)臺(tái)。用局域網(wǎng)（LAN，Local Area Network）接口連接PC與矢量網(wǎng)分儀，從 PC機(jī)向網(wǎng)分儀發(fā)送控制指令，并把網(wǎng)分儀測(cè)得的數(shù)據(jù)返回到 PC機(jī)上。硬件組成框圖如圖1所示。

天線轉(zhuǎn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)方位角與俯仰角的轉(zhuǎn)動(dòng)，且轉(zhuǎn)動(dòng)精度較高，最小步進(jìn)角度為0.0003度，相對(duì)普通天線轉(zhuǎn)臺(tái)步進(jìn)角度0.05或0.1度有較大的提高。另外，此轉(zhuǎn)臺(tái)有平動(dòng)機(jī)構(gòu)和豎直抱桿，可以進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)，用來(lái)糾正轉(zhuǎn)臺(tái)安裝誤差及進(jìn)行水平方向的天線測(cè)試；也可以上下移動(dòng)天線，使收發(fā)天線嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)，進(jìn)而提高測(cè)量精度。

圖1 硬件組成框圖

矢量網(wǎng)分儀選用羅德與施瓦茨公司型號(hào)為ZVL13的矢網(wǎng)，其測(cè)量頻率范圍9 kHz～13.6 GHz，可測(cè)頻率范圍寬，有兩個(gè)端口，可供接收與發(fā)送兩個(gè)天線連接。另外，測(cè)量參數(shù)多樣精度高。把網(wǎng)分儀作為接收機(jī)、發(fā)射機(jī)與信源控制的集合體，簡(jiǎn)化了測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并且提高了測(cè)試精度與可靠性。

1.2 高精度天線測(cè)試軟件

天線測(cè)試軟件是天線測(cè)試系統(tǒng)最重要的組成部分之一，它給使用者提供了控制整個(gè)天線測(cè)試系統(tǒng)的界面，并顯示天線方向圖，完成天線參數(shù)的測(cè)試。另外，此軟件還支持天線性能參數(shù)保存。總體來(lái)說(shuō)天線測(cè)試軟件主要包括三個(gè)部分：網(wǎng)分儀控制程序，天線轉(zhuǎn)臺(tái)控制程序及測(cè)試軟件界面。

網(wǎng)分儀控制程序即控制網(wǎng)分儀的控儀器標(biāo)準(zhǔn)命令（SCPI，Standard Commands for Programmable Instruments）指令，包括設(shè)置待測(cè)的頻率范圍、頻點(diǎn)數(shù)、待測(cè)參數(shù)類(lèi)型等，它通過(guò)虛擬儀器軟件架構(gòu)（VISA，Virtual Instrument Software Architecture）被傳送到網(wǎng)分儀。網(wǎng)分儀返回的數(shù)據(jù)也是通過(guò)VISA傳輸?shù)綔y(cè)試軟件，然后利用德州儀器公司的畫(huà)函數(shù)曲線控件把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成函數(shù)曲線顯示在測(cè)試軟件界面上。

天線轉(zhuǎn)臺(tái)控制程序即步進(jìn)電機(jī)控制卡程序，它提供設(shè)置轉(zhuǎn)動(dòng)角度范圍、轉(zhuǎn)動(dòng)初速度、加速度、最終速度和實(shí)時(shí)查詢天線轉(zhuǎn)臺(tái)位置信息及速度的函數(shù)。當(dāng)調(diào)用此函數(shù)時(shí)，控制卡向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出相應(yīng)指令，使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

天線測(cè)試軟件最重要的部分是測(cè)試軟件界面，下面對(duì)其作具體描述：

（1）參數(shù)設(shè)置界面

此界面可設(shè)置待測(cè)的頻率范圍，一般應(yīng)設(shè)置在天線的工作頻段內(nèi)。為保證天線測(cè)試的精確性和數(shù)據(jù)的高精度，還應(yīng)把天線測(cè)試參數(shù)取平均，平均次數(shù)可自行選擇。

為明確顯示天線工作頻段內(nèi)某些頻率點(diǎn)的值，可根據(jù)需要設(shè)置測(cè)量頻點(diǎn)數(shù)。此外，需測(cè)天線幅度或相位及單位符號(hào)、發(fā)射與接收天線所連接的網(wǎng)分儀端口、天線轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度范圍、轉(zhuǎn)動(dòng)速度，都可在此界面上設(shè)置。

（2）顯示設(shè)置界面

利用此界面可找出天線最重要的工作頻點(diǎn)，并把相應(yīng)頻點(diǎn)上的相位或幅度信息顯示在測(cè)量界面中。圖片的顯示背景與函數(shù)曲線顏色和類(lèi)型也要在此設(shè)置。右上角的圖片為顯示樣例。

（3）測(cè)量界面

此界面主要功能是把角域和頻域數(shù)據(jù)以函數(shù)曲線的形式顯示出來(lái)，把轉(zhuǎn)臺(tái)的俯仰與方位信息以數(shù)字的形式顯示。

（4）數(shù)據(jù)保存

用函數(shù)曲線顯示的只是相應(yīng)頻率范圍的幾個(gè)測(cè)量點(diǎn)，并沒(méi)有顯示頻段內(nèi)所有的測(cè)量頻點(diǎn)。可通過(guò)數(shù)據(jù)保存界面把所有的測(cè)量頻點(diǎn)以文本文檔的格式保存下來(lái)。同時(shí)可以選擇保存角域或頻域數(shù)據(jù)以及文件保存的路徑。

（5）轉(zhuǎn)臺(tái)控制

轉(zhuǎn)臺(tái)控制界面如圖2所示。天線測(cè)試初始階段的天線對(duì)準(zhǔn)操作要控制轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)才能完成，而天線嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)是高精度測(cè)試天線性能的基礎(chǔ)。此界面可直接顯示俯仰角與方位角，并可以單純?cè)O(shè)置轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度及速度而不涉及天線性能測(cè)試操作，另外各個(gè)轉(zhuǎn)軸可以單獨(dú)控制也可以進(jìn)行多軸插補(bǔ)控制。

圖2 轉(zhuǎn)臺(tái)控制界面

天線控制軟件主要由以上幾個(gè)部分組成，通過(guò)這幾個(gè)界面的配合，就可以高精度的測(cè)試天線性能參數(shù)，如天線幅度方向圖和相位方向圖。既可以以曲線的形式顯示，也可以文本文檔的形式顯示。圖3所示為測(cè)試得到的函數(shù)曲線?？v坐標(biāo)為測(cè)得的S21參數(shù)，可根據(jù)此參數(shù)算出天線在各個(gè)方位角的具體增益值，橫坐標(biāo)為方位角θ。

圖3 接收天線收到信號(hào)的幅度方向圖

2 標(biāo)定天線相位中心

天線相位中心對(duì)于精確定位和測(cè)量的重要性越來(lái)越突出，其標(biāo)定成為研究的重點(diǎn)。本文中提出的天線測(cè)試系統(tǒng)含有一維平動(dòng)機(jī)構(gòu)和方位轉(zhuǎn)臺(tái)，再利用此系統(tǒng)測(cè)出的天線的相位方向圖數(shù)據(jù)即可進(jìn)行此天線相位中心的標(biāo)定。而且此系統(tǒng)用一維平動(dòng)機(jī)構(gòu)標(biāo)定相位中心，比傳統(tǒng)的用二維轉(zhuǎn)臺(tái)標(biāo)定相位中心降低了很多成本。一維平動(dòng)機(jī)構(gòu)一般花費(fèi) 1000～2000元，而二維平動(dòng)機(jī)構(gòu)由于技術(shù)要求高，兩個(gè)平動(dòng)機(jī)構(gòu)要嚴(yán)格垂直，費(fèi)用在一萬(wàn)元以上。以上數(shù)據(jù)差別非常明顯，用一維平動(dòng)機(jī)構(gòu)可以明顯降低預(yù)算。

天線相位中心的標(biāo)定采用文獻(xiàn)[8]中闡述的方法，步驟如下：首先測(cè)試天線相位方向圖，然后利用方向圖的數(shù)據(jù)和收發(fā)天線之間的距離計(jì)算出天線相位中心相對(duì)于現(xiàn)在轉(zhuǎn)動(dòng)中心極坐標(biāo)位置，即找出ρ,θ的值，以這兩個(gè)值為標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)平動(dòng)機(jī)構(gòu)和方位轉(zhuǎn)臺(tái)，使轉(zhuǎn)動(dòng)中心和天線相位中心重合。繼續(xù)重復(fù)上面的步驟，直至ρ,θ達(dá)到理想的值。圖4為第一測(cè)量得到的天線相位方向圖，橫坐標(biāo)為方位角 θ，縱坐標(biāo)為相位φ。利用此方向圖的數(shù)據(jù)，計(jì)算ρ,θ的值，并把轉(zhuǎn)臺(tái)作相應(yīng)的移動(dòng)，重新測(cè)量天線相位方向圖，如圖5所示。

圖4 第一次測(cè)量得到的相位方向圖

圖5 第二次測(cè)量得到的相位方向圖

從上圖兩個(gè)函數(shù)曲線可知,方位角－40°～+40°的角度范圍內(nèi)，相位方向圖的上凸的程度已經(jīng)變小，天線現(xiàn)在位置正在向天線相位中心逼近。多次重復(fù)進(jìn)行此操作之后，即可完成天線相位中心的標(biāo)定。

3 結(jié)語(yǔ)

天線測(cè)試系統(tǒng)作用主要是測(cè)試天線的性能參數(shù)，從而驗(yàn)證其是否滿足要求，同時(shí)為天線的改進(jìn)提供指導(dǎo)性意見(jiàn)。而高精度的測(cè)試系統(tǒng)更能真實(shí)的反應(yīng)天線特性，較快發(fā)現(xiàn)其缺陷。本文提出的測(cè)試系統(tǒng)已在實(shí)驗(yàn)室的天線測(cè)試中得到了應(yīng)用，測(cè)試新制作出的天線的方向圖，找出不滿足要求的地方，再進(jìn)行有針對(duì)性的修改，最終使天線滿足要求。前段時(shí)間有一家通訊公司用此測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試新研發(fā)的天線，并利用測(cè)得的參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，最后把天線調(diào)試成功。此外，該測(cè)試系統(tǒng)還可進(jìn)行天線相位中心的標(biāo)定。綜上所述，本文提出的高精度天線測(cè)試系統(tǒng)有廣闊的應(yīng)用前景。

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