天线外场方向图自动测试系统

刘 琳，殷战宁，仇雅芳，王正生

（中国电子科技集团公司51所，上海201802）

0 引 言

天线被广泛地运用于无线电设备以实现能量转换和电磁波的定向辐射或接收。现代无线电设备，不管是通讯、雷达、导航、微波着陆、干扰和抗干扰等系统的应用中，越来越多地采用阵列天线。阵列天线是根据电磁波在空间相互干涉的原理，把具有相同结构、相同尺寸的某种基本天线按一定规律排列在一起组成的。

对于大型天线阵或工作频率很低的大口径天线，由于其远场距离较大，并且天线本身尺寸也较大，在传统的微波暗室中无法进行测试，因此需要在空阔的室外作外场测试。

为了提高天线外场测试效率，急需开发一套能够满足不同测试要求的外场自动测试系统。

本文基于LabVIEW软件平台设计了一套外场天线自动测试系统，不仅实现了信号设置、数据录取的自动化，还能根据录取数据自动绘制方向图，克服了手工测试速度慢、效率低、准确度差等缺点。

天线外场自动测试系统用于大型阵列天线和低频段天线的外场测试，既可用于接收天线和发射天线的方向图测试，还可进行接收、发射天线的幅相测试，以下内容以接收天线为实例论述［1］。

1 接收天线外场自动测试系统的设计

1.1 测试系统硬件配置

为了实现对待测接收阵列天线的自动测试，本系统使用了以下硬件：主控计算机、频谱仪或相位网络分析仪、安装在伺服系统上的待测天线、从控计算机、信号源、发射天线，如图1所示。其中信号源、从控计算机部署在发射天线一侧，主控计算机、频谱仪／矢量网络分析仪部署在待测接收天线一侧，两者的距离根据测试目标进行设定。

（1）主控计算机

测试主控计算机是测试系统的控制中心，它通过无线网络与从控计算机实现互联通信，通过RS232与伺服转台通信，通过共用串行总线架构 （USB）／通用接口总线（GPIB）与频谱仪相连。

图1 天线自动测试系统硬件配置

测试主控计算机完成以下功能：

（a）用户测试控制界面，接收用户控制指令及参数设置；

（b）发送测试控制指令（包括频率和功率控制信息）给从控计算机；

（c）发送伺服控制指令（包括转台角度信息）给伺服控制系统；

（d）读取频谱仪输出的测试数据；

（e）分析绘制天线方向图并输出相关数据到记录文件。

（2）从控计算机

测试从控计算机用于接收控制指令，并对信号源进行控制。测试从控计算机主要完成以下功能：

（a）通过无线网络接收主控计算机发送的控制指令；

（b）翻译控制指令并通过USB／GPIB控制信号源。

（3）信号源

根据测试从控计算机指令发送对应功率的频率信息。

（4）发射天线

通过发射天线将信号源生成的信号发射出去。

（5）伺服控制系统

伺服控制系统连接待测阵列天线，按照主控计算机的指令控制天线在特定的转角下接收无线信号。

（6）频谱仪或矢量网络分析仪

测量接收天线收到的幅度值，并通过USB／GPIB将幅度峰值传送到主控计算机。如为矢量网络分析仪，还可获得该测试点的相位值。

1.2 主控计算机与从控计算机的通信模型

由于待测接收天线的设计目标在几百米以上，测试主控计算机和从控计算机利用无线网络的方式在外场进行互联，并基于TCP／IP协议进行数据通信。

在实际设计中，从控计算机工作在服务器模式下，监听来自主控计算机的指令，执行指令并返回结果。主控计算机作为客户端连接到从控计算机，在用户开始测试后发送指令到从控计算机实现发射天线信号源的启动和参数设置，如图2所示。

图2 测试主控计算机与从控计算机通信模型

1.3 主控计算机工作流程

测试主控计算机为整个自动测试系统的控制中枢，包括用户界面、参数设置、自动控制与测试、方向图实时显示、数据记录与文件输出等功能。其主要工作流程如图3所示。

（1）完成主控系统初始化及检测，包括检测与接收天线接口，检测频谱仪／网络分析仪输入是否正常，完成与从控计算机的网络连接及端口初始化。

图3 主控计算机测试流程

（2）完成所有自检后，开始读取用户设置的测试参数，包括：

转角起始角度和终止角度：如5°～300°；

步进：每次转台移动的角度，所能支持的最小步进由伺服控制系统决定；

转角停留间隔：完成单个频率点测试所需的最小时间。

（3）向从控计算机发送测试频率和功率，从控计算机向信号源设置频率和功率参数。

（4）读取频谱仪接收自接收天线的幅度峰值，记录该时刻的转角角度、频率、功率和测试结果、幅度峰值。

（5）继续设置新的测试频率和功率值，重复（4）、（5）直到所有频率、功率测试完毕。

（6）更改测试天线转台角度，开始新一轮的测试（重复（3）、（4）、（5）、（6））直到所有角度（如5°～300°）测试完成。

2 基于LabVIEW的测试软件

位于主控计算机和从控计算机上的天线测试系统是基于LabVIEW开发的。利用LabVIEW提供的虚拟仪表库，有效地实现了信号截取、信号分析、数值运算、逻辑运算、数据储出等数据流操作并实现方向图的实时绘制［2］。

2.1 测试系统软件

位于主控计算机上的天线外场系统测试软件基本可以分成以下功能模块：

主界面：为该系统的用户控制与显示窗口；

外设接口连接：完成与各种外设的接口与状态检测，包括与频谱仪／网络分析仪的USB／GPIB接口，与伺服控制系统的RS232接口，与从控计算机的网络接口等；

测试样本：设置转台测试的起始转角、终止转角、步进角度；

天线方向图显示：实时显示当前转位角、频率／功率所得到的天线方位图；

测试数据表：所有测试点的所有具体测试数据。

天线自动测试系统软件主界面如图4所示。

图4 天线自动测试系统软件主界面

2.2 LabVIEW方向图绘制

从频谱仪数据读取并构建方向图的LabVIEW部分程序图：在所有转角、频率、功率参数设置完毕后，对频谱仪设置搜寻带宽，并等待500ms（频谱仪测量被测天线幅度所需时间）后，读取幅度峰值进行二进制化处理。然后基于方位角、频率及所得的幅度峰值实时绘制天线方向图。

图5显示了不同转角、频率／功率下的方向图结果：不同灰度的曲线表示不同频率／功率下的测试结果。该结果显示接收天线的主瓣位于以174°为中心的4.9°位角内。

图5 阵列天线测试方向图测试结果

本系统可以自动将所有的测试数据及结果（包括转台角度、频率、功率及幅度、相位结果）输出到Excel文件，便于下一步的数据分析与检查。

3 阵列天线单元的测试与数据分析

图5显示的是对阵列天线整体测试的结果。为验证各个接收天线单元的接收性能，可以用同样方法测试单个天线单元的方向图并计算得到波瓣fn（θ，φ）。假设在一个天线阵列中共有N个天线单元，第n个单元在阵中的波瓣为fn（θ，φ），它在阵中的位置为（xn，yn，zn），激励的振幅为In，相位为φn，则这个天线阵列的波瓣可以写为［3］：

式中：k＝2π／λ，即波数。

对于线阵，进行等相测试时，阵因子可以简单表示为［4］：

根据该公式计算结果与阵列天线实际测试结果的比较分析，进一步检查待测阵列天线的性能特点，为下一步的天线改进优化提供方向。图6显示了基于各个天线单元的主瓣测试结果后用Matlab软件进行阵因子计算的结果。

图6 使用Matlab软件处理后的天线方向图

4 结束语

本文设计并实现了阵列天线的自动方向图测试系统，该系统实现了接收天线的自动控制与测试，大大提高了天线测试的速度、效率和精确度，同样，该系统也可以用于发射天线的测试。以后的设计将围绕进一步提高该系统的扩展性以适应各种天线、外设接口与测试数据的复杂要求而展开。

［1］秦红磊，路辉，郎荣玲.自动测试系统：硬件及软件技术［M］.北京：高等教育出版社，2007.

［2］Blume P A.LabVIEW 设计模式［M］.刘章发，衣法臻译.北京：电子工业出版社，2009.

［3］薛正辉，李伟明，任武.阵列天线分析与综合［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2006.

［4］Milligan Thomas A.现代天线设计［M］.郭玉春译.北京：电子工业出版社，2012.