司 毅，楊 威，杜愛華

(中國船舶集團有限公司第八研究院，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

在天線研制過程中,需要對天線的輻射特性有明確的了解，而通過準(zhǔn)確的天線方向圖衡量天線輻射特性則是最直觀明晰的方法[1]。通過對天線方向圖數(shù)據(jù)的分析處理,可以確定天線的峰值電平、波束寬度、旁瓣電平以及旁瓣寬度等參數(shù)，從而獲得天線的實際指標(biāo)。

由于計算機的普遍應(yīng)用和自動化技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了天線方向圖的自動測試技術(shù)，解決了手動測試中存在的耗時長、誤差大的缺點。為實現(xiàn)天線方向圖測試自動化，本文基于Labview軟件開發(fā)了一套遠場天線方向圖自動測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括方向圖測試與方向圖處理兩部分，能夠測量方向圖并處理得到天線的多項指標(biāo)。

1 系統(tǒng)組成

該測試系統(tǒng)主要包括以下幾個部分：上位機控制軟件、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、天線升降架、轉(zhuǎn)臺、接收天線、被測天線。測試系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 天線測試系統(tǒng)原理圖

測試系統(tǒng)主要硬件為轉(zhuǎn)臺和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，這兩者的性能直接決定測試系統(tǒng)所能實現(xiàn)的最高性能。

本系統(tǒng)轉(zhuǎn)臺通過現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)驅(qū)動伺服電機帶動臺面以某一速度轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動的最大角速度為1轉(zhuǎn)/min，最低速能達到1轉(zhuǎn)/h；伺服電機上同軸連接16位編碼器，理論測角精度能達到0.005 5°；FPGA通過網(wǎng)口接收主控計算機指令，并向主控計算機發(fā)送轉(zhuǎn)臺當(dāng)前角度值，每秒可傳輸100次角度數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)臺以1°/s轉(zhuǎn)動時，理論角度延遲最多0.01°。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀作為電磁波能量測試設(shè)備，其掃描速度直接影響系統(tǒng)測試速度和精度。系統(tǒng)使用是德(KeySight)公司的N5244A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，掃描速度僅需6 ms可達201個點,能有效降低幅度/相位測試時產(chǎn)生的角度偏移問題。

2 軟件設(shè)計

測試軟件采用在虛擬儀器領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的圖形化編程軟件Labview編寫，具有界面直觀、操作簡單等優(yōu)點[2]。該測試系統(tǒng)的軟件由方向圖測試和方向圖分析兩部分組成。

2.1 方向圖測試軟件

天線方向圖的測量方法常用的有固定天線法和旋轉(zhuǎn)天線法[3]。固定天線法主要應(yīng)用于大型不易旋轉(zhuǎn)的天線。本系統(tǒng)主要用于小型天線的方向圖測試，因而采用旋轉(zhuǎn)天線法。

旋轉(zhuǎn)天線法將固定的標(biāo)準(zhǔn)天線作為發(fā)射天線發(fā)射電磁波，轉(zhuǎn)動被測天線，采集不同角度處的幅度/相位數(shù)據(jù)，將角度與幅度/相位數(shù)據(jù)處理后得到被測天線的方向圖。方向圖測試流程如圖2所示。

圖2 天線方向圖自動測試流程圖

方向圖測試模塊設(shè)計時采用單角度、多頻點的連續(xù)測試方法，即在轉(zhuǎn)臺連續(xù)轉(zhuǎn)動過程中，到達每個目標(biāo)角度時對所有需要測試的頻點進行測試保存。這種方式測試過程平滑，效率高。但相鄰2個目標(biāo)角度間包含矢網(wǎng)掃描、數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理3個測試過程，若其耗時過長會產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失或?qū)嶋H采樣間隔角大于設(shè)定值的情況。由于N5244A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的掃描時間僅幾毫秒，矢網(wǎng)測試時間影響非常小，因此數(shù)據(jù)讀取、數(shù)據(jù)處理的優(yōu)化就顯得非常重要。

2.1.1 數(shù)據(jù)讀取優(yōu)化

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀數(shù)據(jù)讀取通常采用MARK方式，首先用“CALC:MARK:X”定位到所需讀取的頻率，然后用“CALC:MARK:Y？”讀取其幅度/相位參數(shù)，這種方式簡單直觀，但在多頻率數(shù)據(jù)采集時需反復(fù)定位、讀取，測量頻點越多需要耗費時間越長。方向圖測試軟件通過“CALC:DATA? FDATA”指令，一次讀取所有頻點數(shù)值，數(shù)據(jù)處理后即可得到各頻點對應(yīng)的幅值/相位。

2.1.2 數(shù)據(jù)處理優(yōu)化

方向圖測試主要功能是數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)處理部分在循環(huán)過程用時越少越有利于提升測試速度。通過將數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)處理變?yōu)椴⑿醒h(huán)，無需占用循環(huán)時間。

Labview“生產(chǎn)者與消費者”循環(huán)可以滿足同時運行2個過程的需要，并且不會影響執(zhí)行速度。隊列操作函數(shù)可在同一程序框圖的不同部分或者不同VI之間進行數(shù)據(jù)傳遞。

如圖3所示，數(shù)據(jù)通過隊列在各個循環(huán)之間傳遞，第1個循環(huán)通過入隊函數(shù)將讀取的方位、幅度、相位等數(shù)據(jù)入隊。第2個循環(huán)中通過出隊函數(shù)從隊列中讀取數(shù)據(jù)，并處理數(shù)據(jù)、實時顯示方向圖。

圖3 “生產(chǎn)者與消費者”循環(huán)

隊列操作函數(shù)可以緩存數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)處理循環(huán)速度低于數(shù)據(jù)讀取循環(huán)時不會丟失數(shù)據(jù)，進一步提高了測試速度、降低了采樣間隔。

經(jīng)實測驗證，天線方向圖測試軟件以0.1°步進，測試21個頻點方向圖時，逐步提高轉(zhuǎn)速，最高轉(zhuǎn)速1.3°/s時不會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失或?qū)嶋H采樣角度誤差大于轉(zhuǎn)臺理論誤差0.01°的情況，見圖4，如表1所示。

圖4 方向圖0.1°步進測試

表1 方位采樣偏差

2.2 方向圖分析軟件

方向圖分析軟件主要功能為方向圖數(shù)據(jù)處理與顯示，其中包括方向圖顯示、天線參數(shù)計算(3/5 dB、旁瓣電平、前后比等)、方向圖歸一化與錯位顯示、曲線保存、生成測試報告等。

Labview極坐標(biāo)圖VI可用于生成極坐標(biāo)方向圖，但該VI只能生成單曲線極坐標(biāo)圖，為同時顯示多條極坐標(biāo)曲線，將極坐標(biāo)圖VI程序中數(shù)據(jù)處理函數(shù)plot polar.vi 做for循環(huán)處理，逐個頻率做方向圖,如圖5、圖6所示。

圖5 多曲線極坐標(biāo)程序圖

圖6 方向圖分析軟件界面

該軟件能夠同時載入一個或多個測試數(shù)據(jù)。載入單個數(shù)據(jù)文件時，能夠?qū)崿F(xiàn)方向圖的全頻或選頻顯示；載入多個數(shù)據(jù)文件時，可選擇顯示同頻方向圖，也可單獨顯示某數(shù)據(jù)文件中的某一頻率方向圖。通過選項能夠?qū)Ψ较驁D進行歸一化：方向圖的幅值歸一化能夠便于查看天線方向圖不同頻率下的角度差異，如軸線的偏角；角度歸一化能夠便于查看天線在不同頻率下的幅度差異，如峰值；幅角歸一化能夠便于比較天線在不同頻率下主瓣、旁瓣的具體差別，如3 dB寬度等。

在計算天線參數(shù)的時候，若采樣間距較大，則可能產(chǎn)生較大誤差。軟件通過采用線性、多項式等曲線擬合方式，將方向圖精細化，可得到更加近似的參數(shù)值。

3 測試實例

為測試天線測試系統(tǒng)性能，選取英聯(lián)(A-INFO)公司的LB-90-20標(biāo)準(zhǔn)增益喇叭天線進行測試。該天線的相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 LB-90-20天線參數(shù)

待測天線與發(fā)射天線間距離為6 m，測試的頻率范圍為8～12 GHz，頻率間隔1 GHz，角度間隔為0.1°。反復(fù)測試5次，得到的方向圖如圖7所示。各頻率測試數(shù)據(jù)重復(fù)性統(tǒng)計見表3，測試結(jié)果顯示該天線測試系統(tǒng)具有很好的重復(fù)性。

表3 各頻率測試數(shù)據(jù)重復(fù)性統(tǒng)計

4 結(jié)束語

本文介紹了天線方向圖測試系統(tǒng)的設(shè)計及實現(xiàn)，并對天線進行實際測試。該系統(tǒng)在采樣間隔為0.1°時，測試1周僅需4.6 min，相比傳統(tǒng)的手動測試節(jié)省了大量時間。該系統(tǒng)采樣間隔可達0.01°，重復(fù)性好，通過曲線擬合進一步提升了測試精度，可廣泛用于各種小型天線的方向圖測試。