基于LabVIEW的遠場天線測試系統的設計與應用*

江思杰 程照明 江傳華

(中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079)

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基于LabVIEW的遠場天線測試系統的設計與應用*

江思杰 程照明 江傳華

(中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079)

針對天線參數測試過程及測試要求,分析在天線參數測試中的主要問題,研究實際測試過程中環境因素對天線參數測量結果的影響,提出了一種基于LabVIEW的遠場天線性能參數自動測試系統的設計方案,詳細闡述了該方案的系統組成部分與工作原理,包括矢量網絡分析儀、天線測試轉臺與吊桿的控制原理以及數據采集的時序設計,結合Matlab實現了對影響因素的誤差補償與天線性能參數的測試計算方法,利用數據庫技術實現天線測試數據的存儲、讀取與報告打印,通過現場測試試驗驗證了該方案的可靠性與可行性。

天線測試系統; 矢量網絡分析儀; LabVIEW; Matlab; 數據庫技術

Class Number TP23

1 引言

隨著無線電技術的快速發展和無線電儀器設備應用場合的日益增多,用途各異、種類繁多的天線在許多領域得到了廣泛應用。在實際工程應用中,天線方向圖、增益、波瓣寬度等參數會決定其是否滿足性能要求,與此同時,相較于微波暗室,外場測試環境更能反映天線的真實性能[4]。

本文通過分析遠場測試環境中的誤差來源,確定誤差因素并以修正因子的形式補償至天線性能參數測試計算中,極大提高了遠場天線測試的可靠性與可行性。

2 系統構成

系統在傳統測試方法進行了諸多改進,形成了一套結合自動控制、高速采集、快速數據處理與報告打印于一身的智能測試系統,與此同時,系統分析了遠場測試過程與環境中所存在的誤差,在原有算法基礎上進行了改進,極大提高了天線測試系統的可靠性。

圖1 遠場天線測試系統總體結構圖

遠場天線自動測試系統的總體結構如圖1所示,硬件部分主要包括Aglient PNA-X 5230A矢量網絡分析儀、天線測試轉臺、天線測試吊桿、轉臺/吊桿驅動控制器、監視器與打印機。系統基本工作原理是利用轉臺/吊桿驅動控制器控制轉臺/吊桿運動同時采集當前角度參數,期間,通過矢量網絡分析儀同時實現標準天線的發射與待測天線的接收,并由工控機將采集到的幅度與角度參數進行數據處理,從而實時繪制方向圖,并計算天線性能參數。

3 系統運行流程

遠場天線自動測試系統的運行流程圖如圖2所示,系統運行主要通過工控機上的測控軟件實現,具體實施步驟如下:

1) 檢查遠場天線自動測試系統機柜中的信號線路、射頻電纜是否連接正常,確保機柜接地良好;

2) 開啟設備,運行工控機上的遠場天線自動測試系統軟件,通過界面上的指示燈查看各設備裝套,確保系統能夠正常運行;

3) 配置天線測試的主要參數,包括掃頻范圍、發射功率、頻率點數、轉臺/吊桿起始角度、轉臺/吊桿終止角度、轉臺運行速率、誤差補償參數、文件存儲名稱與路徑等,設置完畢后運行測試系統;

4) 系統自動運行天線測試,并顯示實時天線方向圖與測試頻率信息,可在不同頻點間切換顯示;

5) 測試完畢后,系統顯示天線性能參數測試結果,保存測試數據至指定路徑,生成并打印天線測試報告;

6) 系統初始化,準備下次天線測試。

圖2 系統運行流程圖

4 測量算法處理

傳統遠場天線測量由于受到地面反射波的影響,難以達到較高的測量精度。此外,測試場環境中還存在著電磁干擾、氣候條件、障礙物雜亂反射、地網參數等因素,需通過分析誤差來源從而實現測量誤差修正,提高天線性能測試精度[1]。在天線測試過程中,方向圖與天線增益的受影響程度尤為突出。

4.1 天線方向圖誤差修正

遠場天線測試過程中,主要影響因素可歸納為2類:外接因素:天線附近的同頻干擾源、天線前方高達建筑遮擋物以及天線遠場測試條件(需滿足R≥2D2λ,其中D為待測天線直徑,λ為工作頻率)。內部因素:天線轉臺的角度誤差、相位中心的偏離因素[6]。

其中待測天線相位中心與轉臺轉軸不重合而產生的角度誤差以及功率測量不精確而產生的角度誤差對天線方向圖測試所產生的影響尤為明顯,前者屬于系統誤差,后者屬于隨即誤差。

4.1.1 天線相位中心與轉臺轉軸不重合而產生的角度誤差

在天線安裝過程中,天線的相位中心很難達到剛好與轉動中心完全重合。因此,在測量天線方向圖時,由于天線擺放位置的差異,會引起一個偏離標準值的誤差。根據天線擺放位置不同,所產生的誤差也會不相同,將該引入誤差后的轉動角度記作θ

θ=(α1-α2)+Δθ

(1)

式中:α1為轉臺測試的起始角度;α2為轉臺測試的終止角度;角度總誤差為Δθ=Δθ1+Δθ2,其中Δθ1為待測天線相位中心與轉臺轉軸不重合而產生的角度誤差,Δθ2為功率測量不精確而產生的角度誤差。

由于功率測量不精確而產生的角度誤差存在一定的隨機性,因此在計算角度誤差時往往將其忽略。

根據天線相位中心與轉臺轉軸不后從何而產生的角度誤差計算公式:

(2)

式中:d為天線相位中心偏離其旋轉軸的距離;R為遠場距離。

在遠場天線測試中,當R?d時,θ?Δθ,最大誤差將會發生在cos(θ/2+α1)=nπ(n=0,1,2,…)。

則可推導出Δθ1的最大誤差為

(3)

將式(1)與式(2)聯立即可求出待測天線相位中心與轉臺轉軸不重合而產生的角度誤差Δθ。

因此,在天線方向圖測試時,本系統會通過已知參量計算出Δθ,之后代入到式(1)中得到修正后的角度參數,從而降低誤差影響。

4.1.2 天線發射功率測量不精確而產生的角度誤差

在進行功率方向圖測量時,矢量網絡分析儀由于內部與外部因素的存在,在測量功率時會產生一定的誤差,從而導致測量角度產生偏差。假設該角度誤差為Δθ2,由計算公式可知:

(4)

式中:φ(θ)=P(θ)/Pm是方向函數,其中,P(θ)與Pm分別表示天線在任意方向與主瓣最大方向上的單位立體角內的功率;Δφ(θ)=ΔP(θ)/Pm表示功率比測量誤差。

將功率比測量誤差與方向函數分別代入到公式中即可求解出功率測量不精確而產生的角度誤差,之后代入到Δθ=Δθ1+Δθ2中計算總角度誤差。由于存在一定的隨機性,系統可選擇是否啟用該誤差計算。

4.2 天線增益誤差修正

遠場天線測試中,天線工作頻率不同,其增益測量方法也有所差異,大多數情況都是基于饋線與收發天線匹配下的功率傳輸公式來計算[5],本系統采用比較法,其功率傳輸公式為

(5)

式中:Gt與Gr分別表示發射天線與接收天線的增益,λ為工作時的波長,R為接收與發射天線之間的距離,Pt與Pr分別表示發射與接收功率。

由于饋線與收發天線存在匹配失調等問題,主要為阻抗失陪,該誤差會對天線增益的計算產生一定的影響,下面就該阻抗失配誤差進行具體分析。

在實際天線測試中,系統阻抗不匹配以及饋線損耗都可以造成增益測量誤差,因此,向式(5)中引入一個電失配因子M:

(6)

圖3 收發天線間的能量傳輸

如圖3所示,該圖描述了收發天線之間的能量傳輸情況。設PM為最大信號源輸出功率,在發射信號端,從傳輸線任一個參考面對于矢量網絡分析儀激勵信號源的反射系數為Γg,相對發射天線反射系數為Γat,其發射端的失配因子為Mt,依據功率傳輸公式,天線的實際輸入功率P0為

P0=PMMt

(7)

式中,發射端的失配因子Mt為

(8)

在接收端,從饋線任意一個參考平面向接收天線看去,反射系數為Γar,朝接收端看,反射系數為ΓL,其接收端的失配因子Mr為

(9)

則總失配因子M為M=Mt+Mr

(10)

由于發射天線的電壓駐波比Sg與矢量網絡分析儀測得的電壓駐波比Sat已知,則可根據式(11)分別求出兩者所對應的反射系數,代入到式(10)中即可得到總的失配因子:

(11)

由上述分析推到可知,測量天線增益與矢量網絡分析儀信號接收機、信號源負載失配有著直接的關系,因此,在計算天線增益之前,系統利用已知的發射天線與矢量網絡分析儀測得的電壓駐波比計算總失配因子,從而得到引入失配因子后的天線增益值。

5 驗證比較

系統實體機柜結構與操作界面如圖4所示,在系統搭建完畢之后,在聯調實驗樓中進行了調試驗證,參與驗證的設備包括:遠場天線自動測試系統、天線測試轉臺、天線測試吊桿、LP450對數周期天線。遠場天線測試系統軟件編制結合LabVIEW、Matlab與數據庫技術,實現了天線方向圖與性能參數的自動測試、算法處理與報告輸出,此外,軟件還具備原始記錄讀取、方向圖實時顯示、垂直180°方向圖測試等功能,為天線測試技術提供了有力的支撐。

本次驗證測試所選擇的發射天線與接收天線均為對數周期天線LP450(使用頻率范圍:450MHz～1000MHz),放置方向均為水平放置,根據接收天線架設高度的不同,測量的天線方向圖也會有很大的差異。

由于測試數據繁多,本文僅列出兩組典型數據來驗證系統的可靠性與可行性,并將測試結果與理想狀態下的天線方向圖進行對比,如圖5、圖6所示。

圖4 遠場天線測試系統控制室

圖5 采集頻率450MHz,接收天線高度1波長,即0.67m

圖6 采集頻率450MHz,接收天線高度1.5波長,即1m

通過上述測試方向圖對比,雖然測試結果與理想狀態略有偏差,但經過誤差校正補償后的天線方向圖得到了明顯的改善,對數周期天線測試可清晰直觀的反應遠場天線自動測試系統的強大功能與較高可靠性。

6 結語

本文分析了傳統遠場天線測試中所存在的諸多問題,利用虛擬儀器技術實現測試方案上的優化,結合Matlab進行誤差校正與天線參數計算方法上的改進與擴展,同時,通過數據庫調用已存儲的天線方向與與性能參數用于報告輸出與后續天線結構改進分析,為天線測試技術研究提供了一套精確有效的自動測試系統。

[1] 耿國磊,別紅霞.基于LabVIEW的高阻自動測量系統[J].電子測量與儀器學報,2009,23(3):70-75.

[2] 楊堯,王民鋼,趙岳樓.基于LabVIEW的飛控計算機測試系統設計[J].電子測量技術,2009,32(9):96-99.

[3] 孫希東.虛擬儀器在數字陣列天線測試中的應用[J].國外電子測量技術,2009,28(12):65-67.

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[7] 吳風雷,楊喆,羌勝莉.天線方向圖自動測試系統[J].電子測量與儀器學報,2008增刊1:153-157

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Design and Application of Far Field Antenna Testing System Based on LabVIEW

JIANG Sijie CHENG Zhaoming JIANG Chuanhua

(No. 722 Research Institute of CSIC, Wuhan 430079)

Aiming at the measurement process and parameters requirements of antenna test, the main problems in the antenna parameters test are analyzed, and the actual test environment in the process of the influence of factors on the antenna parameters measurement results are studied. A design of far field antenna performance based on LabVIEW parameters automatic test system is proposed. The system component and working principle of the scheme are elaborated in detail, including the vector network analyzer, the antenna test turntable and control principle of the derrick and timing design of data acquisition. Combined with Matlab, the error compensation of affecting factors and the testing calculation methods of performance parameters of the antenna are realized. Database technology is used to accomplish antenna test data storage, read and report printing. Field test experiment verifies the reliability and feasibility of the scheme.

antenna testing system, vector network analyzer, LabVIEW, Matlab, database technology

2014年10月11日,

2014年11月29日

江思杰,男,碩士,工程師,研究方向:儀器與測試技術、數據算法處理、機械自動化控制、低頻通信技術、計量科研等。程照明,男,碩士,高級工程師,研究方向:低頻通信技術、電力載波技術、儀器與測試技術、數據算法處理等。江傳華,女,碩士,研究員,研究方向:低頻通信技術、天線理論技術、儀器與測試技術、數據算法處理、計量科研等。

TP23

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.036