何榮輝 陳 科 蒙春嬋 李 濱

全國廣播電視事業(yè)相應(yīng)黨的“十九大”號召，加大廣播電視覆蓋面，大力開展鄉(xiāng)鎮(zhèn)臺(tái)站建設(shè)后，各省、區(qū)、地方每年新安裝或更換的天線數(shù)量很多。駐波比被認(rèn)為是判斷天線的重要指標(biāo)。但是，一副天線使用若干年后覆蓋效果如何？這就需要繪制天線方向圖。天線方向圖是天線的重要指標(biāo)，測試天線的目的就是測量天線的輻射特性。早期測量天線主要依靠手工，效率低、誤差大，且操作復(fù)雜，工作量大，耗時(shí)長。原有的測試方法、精度和處理速度已不能滿足當(dāng)今天線在使用中對方向圖的要求。對此，設(shè)計(jì)了一種天線方向圖自動(dòng)化測試系統(tǒng)，并結(jié)合C++技術(shù)，不僅能實(shí)現(xiàn)信號設(shè)置、數(shù)據(jù)處理，還能自動(dòng)繪制方向圖，克服了傳統(tǒng)方法效率低、速度慢、準(zhǔn)確度差等缺點(diǎn)。

1 方向圖測試系統(tǒng)硬件理論和方案

根據(jù)天線互易性原理，采用旋轉(zhuǎn)天線法[1]。將被測天線作為接收天線，固定的天線作為發(fā)射天線。發(fā)射天線發(fā)射電磁波，轉(zhuǎn)動(dòng)被測天線接收，測出不同角度處的信號電平，便可得到被測天線的方向圖[2]。實(shí)際測量中，僅需要測試包含最大輻射方向的E面和H面方位圖。本系統(tǒng)取水平和垂直方向圖作為研究對象，經(jīng)過軟件處理后把方向圖顯示在電腦客戶端，非常方便、直觀。

1.1 測試系統(tǒng)硬件配置

本文描述的天線測試系統(tǒng)硬件電路主要由步進(jìn)電機(jī)、天線控制器和網(wǎng)絡(luò)分析儀組成。原理如圖1所示。

信號源、發(fā)射天線在同一側(cè)，待測天線、頻譜分析儀、控制電機(jī)在另外一側(cè)，兩者距離根據(jù)測試目標(biāo)進(jìn)行設(shè)定。首先，把天線水平放置，電機(jī)控制板通過分析儀和步進(jìn)電機(jī)發(fā)送控制命令，等待轉(zhuǎn)臺(tái)的角度信號，獲得角度信號后測量所在角度的場強(qiáng)；同時(shí)，主控電路獲得并存儲(chǔ)測量信息、電平值和測量頻段值，軟件把獲得的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并實(shí)時(shí)顯示天線水平放置方位圖，然后存儲(chǔ)。再把天線垂直放置，控制器發(fā)送指令控制轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)記錄測試結(jié)果，實(shí)時(shí)顯示天線垂直放置方向圖并存儲(chǔ)。這樣就獲得了天線水平和垂直方向圖。

1.2 測試平臺(tái)自動(dòng)控制

天線方位圖測試系統(tǒng)的自動(dòng)控制主要是通過單片機(jī)對天線平臺(tái)的控制。測試過程中，單片機(jī)平穩(wěn)控制轉(zhuǎn)臺(tái)并獲得轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度；與此同時(shí)，單片機(jī)把數(shù)據(jù)通過上位機(jī)傳到PC端，PC通過外設(shè)組件互聯(lián)讀取網(wǎng)絡(luò)分析儀數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)返回PC機(jī)。天線轉(zhuǎn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)方位角轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)精度較高，可以到達(dá)到0.05o。轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)有豎直抱桿固定天線，也可上下移動(dòng)使收發(fā)天線對準(zhǔn)。電機(jī)控制器原理如圖2所示。

電機(jī)控制器主要功能有：（1）讀取頻譜儀測試數(shù)據(jù)；（2）發(fā)送命令控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并獲取轉(zhuǎn)動(dòng)角度；（3）把數(shù)據(jù)處理后通過上位機(jī)傳到PC端。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是天線方向圖自動(dòng)測試最重要的組成之一，它能給使用者提供整個(gè)天線測試系統(tǒng)的界面，并直觀顯示天線方向圖，完成天線參數(shù)的測試。另外，還支持天線性能參數(shù)保存。因此，軟件部分包括天線控制臺(tái)控制程序、測試軟件界面。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

圖2 電機(jī)控制器原理圖　

2.1 軟件處理流程

方向圖自動(dòng)測試系統(tǒng)軟件處理流程如圖3所示。具體流程如下：（1）首先進(jìn)行轉(zhuǎn)臺(tái)控制參數(shù)設(shè)置和網(wǎng)絡(luò)分析儀參數(shù)配置；（2）利用上位機(jī)對轉(zhuǎn)臺(tái)控制器發(fā)送轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)命令；（3）單片機(jī)利用定時(shí)器功能通過串口讀取轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和網(wǎng)絡(luò)分析儀場強(qiáng)，并將角度和場強(qiáng)值保存。

圖3 軟件處理流程圖

主程序打開定時(shí)器后，定時(shí)器根據(jù)其所設(shè)的定時(shí)時(shí)間間隔相應(yīng)中斷服務(wù)程序。圖4為定時(shí)器中斷服務(wù)程序流程圖。

單片機(jī)通過串口發(fā)送查詢角度和場強(qiáng)命令，延遲100 ms后讀取到轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和場強(qiáng)值，保持讀取的數(shù)值，然后判斷轉(zhuǎn)臺(tái)是否轉(zhuǎn)動(dòng)到設(shè)置目標(biāo)角度，如果轉(zhuǎn)到目標(biāo)角度，則停止轉(zhuǎn)動(dòng)，否則此次中斷結(jié)束，繼續(xù)重新開始。

圖4 定時(shí)器中斷服務(wù)程序流程圖

2.2 方向圖繪制模塊

方向圖繪制模塊主要是在獲得采樣數(shù)據(jù)后繪制方向圖，程序?qū)y試模塊記錄關(guān)于測試點(diǎn)頻率、角度、場強(qiáng)的參數(shù)矩陣，繪制出各頻率點(diǎn)極坐標(biāo)下的方向圖。此模塊可以顯示方向圖屬性，可以設(shè)置最小值、最大值、曲線顏色、網(wǎng)格顏色、精度、數(shù)據(jù)格式、顯示區(qū)域，并在顯示區(qū)域顯示相應(yīng)頻率的方向圖，使用軟件為C++ Builder。

3 結(jié)語

根據(jù)天線方位圖可以判斷天線優(yōu)劣，而國內(nèi)隨廣電事業(yè)的快速發(fā)展每年更換或新增天線數(shù)量眾多。為確保覆蓋效果保障安全播出，設(shè)計(jì)一款天線方位圖自動(dòng)測量設(shè)計(jì)非常有必要。基于C++ Bulider空間開發(fā)出的天線方位圖能夠準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)、可靠讀取轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)角度和頻譜分析儀場強(qiáng)，且通過軟件可準(zhǔn)確繪制出天線方向圖，該測量系統(tǒng)原理可行、性能穩(wěn)定、界面友好，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]張明榮,殷興輝．基于MSP430單片機(jī)的天線方向圖自動(dòng)測試系統(tǒng)[J]．電子設(shè)計(jì)工程,2013,21(9):188-190．

[2]張朋祥,周鳴籟,劉學(xué)觀,等．高精度天線測試系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J]．通信技術(shù),2013,1(46):20-22．