天線方向圖自動測量系統的設計

何榮輝 陳 科 蒙春嬋 李 濱

全國廣播電視事業相應黨的“十九大”號召，加大廣播電視覆蓋面，大力開展鄉鎮臺站建設后，各省、區、地方每年新安裝或更換的天線數量很多。駐波比被認為是判斷天線的重要指標。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，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，且操作復雜，工作量大，耗時長。原有的測試方法、精度和處理速度已不能滿足當今天線在使用中對方向圖的要求。對此，設計了一種天線方向圖自動化測試系統，并結合C++技術，不僅能實現信號設置、數據處理，還能自動繪制方向圖，克服了傳統方法效率低、速度慢、準確度差等缺點。

1 方向圖測試系統硬件理論和方案

根據天線互易性原理，采用旋轉天線法[1]。將被測天線作為接收天線，固定的天線作為發射天線。發射天線發射電磁波，轉動被測天線接收，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。本系統取水平和垂直方向圖作為研究對象，經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 測試系統硬件配置

本文描述的天線測試系統硬件電路主要由步進電機、天線控制器和網絡分析儀組成。原理如圖1所示。

信號源、發射天線在同一側，待測天線、頻譜分析儀、控制電機在另外一側，兩者距離根據測試目標進行設定。首先，把天線水平放置，電機控制板通過分析儀和步進電機發送控制命令，等待轉臺的角度信號，獲得角度信號后測量所在角度的場強；同時，主控電路獲得并存儲測量信息、電平值和測量頻段值，軟件把獲得的所有數據進行處理并實時顯示天線水平放置方位圖，然后存儲。再把天線垂直放置，控制器發送指令控制轉臺轉動，旋轉記錄測試結果，實時顯示天線垂直放置方向圖并存儲。這樣就獲得了天線水平和垂直方向圖。

1.2 測試平臺自動控制

天線方位圖測試系統的自動控制主要是通過單片機對天線平臺的控制。測試過程中，單片機平穩控制轉臺并獲得轉臺轉動角度；與此同時，單片機把數據通過上位機傳到PC端，PC通過外設組件互聯讀取網絡分析儀數據，并把數據返回PC機。天線轉臺可以實現方位角轉動，轉動精度較高，可以到達到0.05o。轉動平臺有豎直抱桿固定天線，也可上下移動使收發天線對準。電機控制器原理如圖2所示。

電機控制器主要功能有：（1）讀取頻譜儀測試數據；（2）發送命令控制電機轉動并獲取轉動角度；（3）把數據處理后通過上位機傳到PC端。

2 系統軟件設計

軟件設計是天線方向圖自動測試最重要的組成之一，它能給使用者提供整個天線測試系統的界面，并直觀顯示天線方向圖，完成天線參數的測試。另外，還支持天線性能參數保存。因此，軟件部分包括天線控制臺控制程序、測試軟件界面。

圖1 系統原理框圖

圖2 電機控制器原理圖　

2.1 軟件處理流程

方向圖自動測試系統軟件處理流程如圖3所示。具體流程如下：（1）首先進行轉臺控制參數設置和網絡分析儀參數配置；（2）利用上位機對轉臺控制器發送轉臺轉動命令；（3）單片機利用定時器功能通過串口讀取轉臺轉動角度和網絡分析儀場強，并將角度和場強值保存。

圖3 軟件處理流程圖

主程序打開定時器后，定時器根據其所設的定時時間間隔相應中斷服務程序。圖4為定時器中斷服務程序流程圖。

單片機通過串口發送查詢角度和場強命令，延遲100 ms后讀取到轉臺轉動角度和場強值，保持讀取的數值，然后判斷轉臺是否轉動到設置目標角度，如果轉到目標角度，則停止轉動，否則此次中斷結束，繼續重新開始。

圖4 定時器中斷服務程序流程圖

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據后繪制方向圖，程序將測試模塊記錄關于測試點頻率、角度、場強的參數矩陣，繪制出各頻率點極坐標下的方向圖。此模塊可以顯示方向圖屬性，可以設置最小值、最大值、曲線顏色、網格顏色、精度、數據格式、顯示區域，并在顯示區域顯示相應頻率的方向圖，使用軟件為C++ Builder。

3 結語

根據天線方位圖可以判斷天線優劣，而國內隨廣電事業的快速發展每年更換或新增天線數量眾多。為確保覆蓋效果保障安全播出，設計一款天線方位圖自動測量設計非常有必要。基于C++ Bulider空間開發出的天線方位圖能夠準確、實時、可靠讀取轉動平臺角度和頻譜分析儀場強，且通過軟件可準確繪制出天線方向圖，該測量系統原理可行、性能穩定、界面友好，具有較好的應用價值。

參考文獻：

[1]張明榮,殷興輝．基于MSP430單片機的天線方向圖自動測試系統[J]．電子設計工程,2013,21(9):188-190．

[2]張朋祥,周鳴籟,劉學觀,等．高精度天線測試系統的研究與設計[J]．通信技術,2013,1(46):20-22．