孫永江，于建成，魯新龍，金華松

(中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇江陰 214400)

0 引言

天線的輻射方向圖簡稱方向圖，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、場強、相位和極化。通常情況下，輻射方向圖在遠區(qū)測定并表示為空間方向坐標的函數(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)。目前船載測控天線大多采用手動測試，雖然可以通過頻譜儀實時打印圖形，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)有測試技術的基礎上，研究一種基于GPIB虛擬儀器方向圖測試系統(tǒng)，完成對第一副瓣電平、3 dB點波瓣寬度以及10 dB點波瓣寬度的指標的自動化測試和計算，對所采集的數(shù)據(jù)進行圖形化顯示，并以可視化報告的形式打印出相關的測量曲線和特征點信息。

1 測試原理

天線在方向(θ，Φ)輻射的電場強度為:

式中，A0為與方向無關的常數(shù);f(θ，Φ)為場強方向函數(shù)。由式(1)可得:

實際上常用場強歸一化表示方向圖，稱歸一化方向圖，表示為:

式中，EM為場強的最大值;F(θ，Φ)為歸一化場強方向函數(shù)。所以要測歸一化場強方向圖，只要測得在距離天線的球面上各點的場強即可。

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姌说睦走_方向圖測量方法有3大類6種方法，其中源雷達高架的斜式測試場測量方法是在試驗場常用的一種方法。

本文在現(xiàn)有測試技術的基礎上研究一種基于GPIB及串口的虛擬儀器方向圖測試系統(tǒng)，完成對第一副瓣電平、3 dB點波瓣寬度以及10 dB點波瓣寬度的指標的自動化測試和計算，對所采集的數(shù)據(jù)進行圖形化顯示，并以可視化報告的形式打印出相關的測量曲線和特征點信息［2，3］。

2 船載雷達方向圖測試技術現(xiàn)狀

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

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

2.1 測試要求

源雷達架設在高塔上，被測雷達及定位裝置架設在地面上，源雷達垂直方向圖的第一零點指向幾何反射點，架設高度應滿足遠場測試要求以及信標塔有足夠的高度，以消除地面反射波的影響［7，8］。

2.2 測試方案及流程

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

①對準目標:將源天線安裝在標校塔中。按測試要求配置信號，源天線發(fā)出測試頻率的信號。轉(zhuǎn)動被測天線使其波束中心對準信標塔源天線，微調(diào)天線至接收信號最強。

②設置頻譜儀:設置頻譜儀中心頻率和帶寬。掃描時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。

③方位測試:完成上述步驟后可正式進行測試。被測天線左、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俯仰測試:使被測天線回到中心點處，并再次精調(diào)被測天線使其對準信標塔源天線，以此為零點使天線向上下偏轉(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)天線方向圖計算出天線增益和其他相關指標［10］。

3 船載雷達方向圖自動化測試

3.1 系統(tǒng)概述

為縮短開發(fā)時間，提高開發(fā)效率，系統(tǒng)采用虛擬儀器中的儀器控制技術。將多個可以完成固定功能的獨立儀器組合在一起進行信息交換、協(xié)調(diào)工作，完成獨立儀器的系統(tǒng)集成。獨立儀器的系統(tǒng)集成需要2個條件:①獨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有一個統(tǒng)一的平臺能夠與各個相關的獨立儀器的接口或總線進行通信?？偩€技術在系統(tǒng)集成中占有非常重要的作用。傳統(tǒng)測試方法與自動化測試方法比較如表1所示。

表1 測試方法比對

3.2 系統(tǒng)組成及功能

3.2.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)成

自動化測試系統(tǒng)建立在已有測試系統(tǒng)的基礎上。整個系統(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、基于GPIB通用總線接口和RS232接口的虛擬儀器技術測試軟件系統(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試頻譜顯示在一個界面同時顯示，提高工作效率。系統(tǒng)可以實現(xiàn)多種拋物面雷達和方向圖、差方向圖、雷達軸比、雷達增益、雷達差零深、差斜率、差線性度、第一副瓣電平、3 dB點和10 dB點波瓣寬度的指標自動化測試與計算，系統(tǒng)軟件分為以下3個模塊［11］:

①被測天線控制模塊。通過RS232接口，控制測角監(jiān)控微機，進而完成對天線轉(zhuǎn)動的實時遠程控制。

②源天線控制模塊。通過光纖遠程控制標校塔信號源，實現(xiàn)開關機控制、點頻設置和電平控制。

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

3.2.2 軟件實現(xiàn)

雷達天線方向圖測試靠測試軟件來完成。實現(xiàn)各種雷達天線方向圖測試軟件的程序流程圖如圖2所示。整個程序為用戶提供了一個智能化、自動化的測試環(huán)境和測試界面［12］。

圖2 測試流程

3.2.3 測試方法比較

天線方向圖自動化測試系統(tǒng)分別與對應設備的數(shù)據(jù)通訊后，完成一體化的天線方向圖測試。與傳統(tǒng)的測試方法相比，系統(tǒng)優(yōu)點如下:

①接口編程方便，可實現(xiàn)各種自動標準、多次測量平均等要求，測量精度高;

②對所采集的數(shù)據(jù)進行自動分析處理，以圖形化顯示，以可視化報告的形式打印相關的測量曲線和特征點信息。

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

4 測試結(jié)果分析

以船載測控雷達為測試對象，系統(tǒng)聯(lián)通后，在方向圖自動化測試系統(tǒng)中設置方位偏轉(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記錄保存。天線俯仰角為90°固定、方位角在中心點(90°)附近正負偏轉(zhuǎn)3°時的天線方向圖測試曲線如圖3所示［13］。

圖3 天線方向圖測試結(jié)果

5 結(jié)束語

結(jié)合工程實踐，從原理上深入剖析了天線方向圖這一雷達系統(tǒng)的關鍵指標。詳細介紹了船載拋物面天線方向圖的測試方法和實施方案。針對現(xiàn)有測試方法的不足，研究了一種基于LabView平臺的測控天線方向圖自動測試系統(tǒng)。通過RS232和GPIB總線對測試儀器進行控制，實現(xiàn)了天線方向圖自動化測試，大大縮短了測量時間，提高了測量效率和測試精度，可廣泛應用于多種類型的天線方向圖測試。 ■

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