天線外場方向圖自動測試系統

劉 琳，殷戰寧，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能量轉換和電磁波的定向輻射或接收。現代無線電設備，不管是通訊、雷達、導航、微波著陸、干擾和抗干擾等系統的應用中，越來越多地采用陣列天線。陣列天線是根據電磁波在空間相互干涉的原理，把具有相同結構、相同尺寸的某種基本天線按一定規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，急需開發一套能夠滿足不同測試要求的外場自動測試系統。

本文基于LabVIEW軟件平臺設計了一套外場天線自動測試系統，不僅實現了信號設置、數據錄取的自動化，還能根據錄取數據自動繪制方向圖，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射天線的方向圖測試，還可進行接收、發射天線的幅相測試，以下內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的設計

1.1 測試系統硬件配置

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

（1）主控計算機

測試主控計算機是測試系統的控制中心，它通過無線網絡與從控計算機實現互聯通信，通過RS232與伺服轉臺通信，通過共用串行總線架構 （USB）／通用接口總線（GPIB）與頻譜儀相連。

圖1 天線自動測試系統硬件配置

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設置；

（b）發送測試控制指令（包括頻率和功率控制信息）給從控計算機；

（c）發送伺服控制指令（包括轉臺角度信息）給伺服控制系統；

（d）讀取頻譜儀輸出的測試數據；

（e）分析繪制天線方向圖并輸出相關數據到記錄文件。

（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）通過無線網絡接收主控計算機發送的控制指令；

（b）翻譯控制指令并通過USB／GPIB控制信號源。

（3）信號源

根據測試從控計算機指令發送對應功率的頻率信息。

（4）發射天線

通過發射天線將信號源生成的信號發射出去。

（5）伺服控制系統

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

（6）頻譜儀或矢量網絡分析儀

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絡的方式在外場進行互聯，并基于TCP／IP協議進行數據通信。

在實際設計中，從控計算機工作在服務器模式下，監聽來自主控計算機的指令，執行指令并返回結果。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送指令到從控計算機實現發射天線信號源的啟動和參數設置，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的控制中樞，包括用戶界面、參數設置、自動控制與測試、方向圖實時顯示、數據記錄與文件輸出等功能。其主要工作流程如圖3所示。

（1）完成主控系統初始化及檢測，包括檢測與接收天線接口，檢測頻譜儀／網絡分析儀輸入是否正常，完成與從控計算機的網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，包括：

轉角起始角度和終止角度：如5°～300°；

步進：每次轉臺移動的角度，所能支持的最小步進由伺服控制系統決定；

轉角停留間隔：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。

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

（5）繼續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是基于LabVIEW開發的。利用LabVIEW提供的虛擬儀表庫，有效地實現了信號截取、信號分析、數值運算、邏輯運算、數據儲出等數據流操作并實現方向圖的實時繪制［2］。

2.1 測試系統軟件

位于主控計算機上的天線外場系統測試軟件基本可以分成以下功能模塊：

主界面：為該系統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檢測，包括與頻譜儀／網絡分析儀的USB／GPIB接口，與伺服控制系統的RS232接口，與從控計算機的網絡接口等；

測試樣本：設置轉臺測試的起始轉角、終止轉角、步進角度；

天線方向圖顯示：實時顯示當前轉位角、頻率／功率所得到的天線方位圖；

測試數據表：所有測試點的所有具體測試數據。

天線自動測試系統軟件主界面如圖4所示。

圖4 天線自動測試系統軟件主界面

2.2 LabVIEW方向圖繪制

從頻譜儀數據讀取并構建方向圖的LabVIEW部分程序圖：在所有轉角、頻率、功率參數設置完畢后，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顯示了不同轉角、頻率／功率下的方向圖結果：不同灰度的曲線表示不同頻率／功率下的測試結果。該結果顯示接收天線的主瓣位于以174°為中心的4.9°位角內。

圖5 陣列天線測試方向圖測試結果

本系統可以自動將所有的測試數據及結果（包括轉臺角度、頻率、功率及幅度、相位結果）輸出到Excel文件，便于下一步的數據分析與檢查。

3 陣列天線單元的測試與數據分析

圖5顯示的是對陣列天線整體測試的結果。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。

對于線陣，進行等相測試時，陣因子可以簡單表示為［4］：

根據該公式計算結果與陣列天線實際測試結果的比較分析，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化提供方向。圖6顯示了基于各個天線單元的主瓣測試結果后用Matlab軟件進行陣因子計算的結果。

圖6 使用Matlab軟件處理后的天線方向圖

4 結束語

本文設計并實現了陣列天線的自動方向圖測試系統，該系統實現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，該系統也可以用于發射天線的測試。以后的設計將圍繞進一步提高該系統的擴展性以適應各種天線、外設接口與測試數據的復雜要求而展開。

［1］秦紅磊，路輝，郎榮玲.自動測試系統：硬件及軟件技術［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［2］Blume P A.LabVIEW 設計模式［M］.劉章發，衣法臻譯.北京：電子工業出版社，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.現代天線設計［M］.郭玉春譯.北京：電子工業出版社，2012.