基于Labview的天線自動測試系統設計與實現

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據的分析處理,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，從而獲得天線的實際指標。

由于計算機的普遍應用和自動化技術的發展，出現了天線方向圖的自動測試技術，解決了手動測試中存在的耗時長、誤差大的缺點。為實現天線方向圖測試自動化，本文基于Labview軟件開發了一套遠場天線方向圖自動測試系統。該系統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。

1 系統組成

該測試系統主要包括以下幾個部分：上位機控制軟件、矢量網絡分析儀、天線升降架、轉臺、接收天線、被測天線。測試系統原理圖如圖1所示。

圖1 天線測試系統原理圖

測試系統主要硬件為轉臺和矢量網絡分析儀，這兩者的性能直接決定測試系統所能實現的最高性能。

本系統轉臺通過現場可編程門陣列(FPGA)驅動伺服電機帶動臺面以某一速度轉動，轉動的最大角速度為1轉/min，最低速能達到1轉/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通過網口接收主控計算機指令，并向主控計算機發送轉臺當前角度值，每秒可傳輸100次角度數據，轉臺以1°/s轉動時，理論角度延遲最多0.01°。

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

2 軟件設計

測試軟件采用在虛擬儀器領域應用最廣泛的圖形化編程軟件Labview編寫，具有界面直觀、操作簡單等優點[2]。該測試系統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天線法[3]。固定天線法主要應用于大型不易旋轉的天線。本系統主要用于小型天線的方向圖測試，因而采用旋轉天線法。

旋轉天線法將固定的標準天線作為發射天線發射電磁波，轉動被測天線，采集不同角度處的幅度/相位數據，將角度與幅度/相位數據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

方向圖測試模塊設計時采用單角度、多頻點的連續測試方法，即在轉臺連續轉動過程中，到達每個目標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個目標角度間包含矢網掃描、數據讀取、數據處理3個測試過程，若其耗時過長會產生數據丟失或實際采樣間隔角大于設定值的情況。由于N5244A矢量網絡分析儀的掃描時間僅幾毫秒，矢網測試時間影響非常小，因此數據讀取、數據處理的優化就顯得非常重要。

2.1.1 數據讀取優化

矢量網絡分析儀數據讀取通常采用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，這種方式簡單直觀，但在多頻率數據采集時需反復定位、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值，數據處理后即可得到各頻點對應的幅值/相位。

2.1.2 數據處理優化

方向圖測試主要功能是數據采集，數據處理部分在循環過程用時越少越有利于提升測試速度。通過將數據采集與數據處理變為并行循環，無需占用循環時間。

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

如圖3所示，數據通過隊列在各個循環之間傳遞，第1個循環通過入隊函數將讀取的方位、幅度、相位等數據入隊。第2個循環中通過出隊函數從隊列中讀取數據，并處理數據、實時顯示方向圖。

圖3 “生產者與消費者”循環

隊列操作函數可以緩存數據，在數據處理循環速度低于數據讀取循環時不會丟失數據，進一步提高了測試速度、降低了采樣間隔。

經實測驗證，天線方向圖測試軟件以0.1°步進，測試21個頻點方向圖時，逐步提高轉速，最高轉速1.3°/s時不會出現數據丟失或實際采樣角度誤差大于轉臺理論誤差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據處理與顯示，其中包括方向圖顯示、天線參數計算(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極坐標圖VI可用于生成極坐標方向圖，但該VI只能生成單曲線極坐標圖，為同時顯示多條極坐標曲線，將極坐標圖VI程序中數據處理函數plot polar.vi 做for循環處理，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據。載入單個數據文件時，能夠實現方向圖的全頻或選頻顯示；載入多個數據文件時，可選擇顯示同頻方向圖，也可單獨顯示某數據文件中的某一頻率方向圖。通過選項能夠對方向圖進行歸一化：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。

在計算天線參數的時候，若采樣間距較大，則可能產生較大誤差。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值。

3 測試實例

為測試天線測試系統性能，選取英聯(A-INFO)公司的LB-90-20標準增益喇叭天線進行測試。該天線的相關參數如表2所示。

表2 LB-90-20天線參數

待測天線與發射天線間距離為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°。反復測試5次，得到的方向圖如圖7所示。各頻率測試數據重復性統計見表3，測試結果顯示該天線測試系統具有很好的重復性。

表3 各頻率測試數據重復性統計

4 結束語

本文介紹了天線方向圖測試系統的設計及實現，并對天線進行實際測試。該系統在采樣間隔為0.1°時，測試1周僅需4.6 min，相比傳統的手動測試節省了大量時間。該系統采樣間隔可達0.01°，重復性好，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。