基于matlab的相控阵天线测试软件设计

张孟达 杨广玉 中国电子科技集团公司第38研究所，安徽合肥 230088

基于matlab的相控阵天线测试软件设计

张孟达 杨广玉 中国电子科技集团公司第38研究所，安徽合肥 230088

为了在相控阵天线测试中能够有效控制阵元收发，快速采集、分析收发数据，测试天线方向图，采用matlab软件的GUI用户界面开发了测试软件。Matlab具有编程效率高、交互性好、工具箱功能强大的特点，因此该软件开发周期短、可扩展性强、人机界面友好、简单易用。采用该软件测试相控阵天线，快捷方便、容易查错，在很大程度上提高了工作效率。

引言

相控阵雷达天线的波束扫描比起传统的机械扫描具有极大的优越性，使雷达的工作方式更加灵活[1][2]。因此相控阵雷达天线得到越来越广泛的应用。相控阵天线阵元少则几十路，多则上千路，测试每个通路的好坏及幅度相位特性成了一项浩大的工程[3]，往往需要天馈系统，接收系统以及信号处理系统之间相互协调共同完成。因此，很有必要设计一款具有控制任意一路天线阵元收发、检测每个通路的好坏、采集数据、分析通道之间的幅相误差以及每个通道信噪比等功能的软件。由于该软件需要进行复杂的数学运算，还要具有二维、三维绘图等功能，如果用VC++6.0这样的开发工具势必要花费很长时间。Matlab作为一种具有科学计算、符号运算、图形处理等多种功能的强有力工具越来越受到业界的普遍认可，其对GUI（用户图形接口）的支持使设计用户界面变得非常轻松[4][5]。本文正是充分利用matlab编程灵活简单等优势，基于matlab设计出一款相控阵天线测试软件。

1 相控阵天线测试系统组成

如图1所示，该相控阵天线为有源相控阵天线，每个天线阵元都接有一个收发组件。天线前方设有探针。测试接收通道时，探针发射信号，天线单元接收；测试发射通道时，天线单元发射，探针接收。天线阵面和CPCI机箱由多路光纤连接。CPCI机箱配有一块CPCI计算机和若干CPCI插件。CPCI插件通过光纤上传控制字到天线阵面可以控制每路阵元的收发。每路阵元接收到的信号则通过光纤下传到CPCI插件。 CPCI计算机可以通过CPCI总线访问CPCI插件实现数据采集，写控制字等功能，还可以通过路由器和其他计算机进行网络通信。本文设计的测试软件运行在装有matlab的控制计算机上，控制计算机可以通过网络和CPCI计算机进行数据交互。接收到的数据可以随时保存、载入。并且可以利用matlab丰富的工具箱进行各种分析，分析的结果可以用于接收或发射校正，也可以进行收发天线方向图测试等。

图1 相控阵天线测试系统示意图

2 测试软件需求分析

2.1 发送控制字

相控阵天线测试软件需要发送UDP包通知CPCI计算机当前工作模式，以及各种工作参数。CPCI计算机转发这些参数到CPCI插件，进而CPCI插件通过光纤控制天线阵元进行各种操作，比如单路收发，或全部收发或单路依次收发等。

2.2 采集数据

天线接收通道的数据通过光纤下传至CPCI插件，CPCI计算机可以通过CPCI总线访问任意一块CPCI插件。相控阵天线测试软件通知CPCI计算机当前需要采集的数据类型，以及哪块插件的数据等。CPCI计算机收到命令后会把相应数据打包，通过UDP协议发送给控制计算机。

2.3 分析数据

相控阵天线测试软件需要将收到的数据进行各种分析，比如分析单路的频率，信噪比，不同通路之间的幅相误差，补偿幅相误差、做DBF（数字波束形成）、测试收发天线方向图等。

3 测试软件具体设计

3.1 用户界面

一，用户界面应设置不同按钮来进行各种操作，比如发送控制字、数据采集、FFT分析、I、Q正交性分析、通道幅相误差分析等。二，应该给用户提供输入参数的编辑框以及选择不用工作模式的下拉菜单、单选框等。比如选择光纤号、通道号、单次采样还是连续采样等。三，界面提供画图窗口，可以绘制各种图形，包括原始I、Q信号，FFT输出、圆图、通道幅相误差等。四，软件设计了系统菜单：“文件”菜单包括“保存数据”、“装载数据”、“保存图片”、“打开图片”等子菜单；“编辑”菜单下可以对图形进行放大、缩小、旋转、标注、删除等操作；“工具”菜单提供一个测试网络连接是否正常的小工具；帮助菜单提供该软件的帮助文档，介绍了软件的操作方法。设计好的用户界面如图2所示。

图2 软件界面

3.2 核心功能

该软件的功能可以划分为网络通信功能和数据分析功能。网络通信主要依靠matlab提供的UDP接口来完成。很多人对VC6.0、JAVA 等环境下的sokect编程比较熟悉，对matlab网络编程不是很了解。其实matlab下的网络编程更加方便、简单。下面给出创建客户端和服务端的编程实例：

客户端：udpClient = udp('192.168.62.1',4000);%% 创建UDP对象，设置IP地址和发送端口

数据分析功能则利用matlab丰富的函数，例如FFT等进行信号处理运算的函数，fopen、fread等文件操作函数以及plot、mesh等绘图函数。这些对于具有matlab编程经验的人来说应该很熟悉了，这里不再赘述。

4 结语

鉴于相控阵天线测试工作量巨大，为了提高工作效率，本文基于matlab设计出一款简单、易用的相控阵天线测试软件。该软件在工作中已经为笔者节省了不少时间。该软件利用了matlab方便运算、绘图等优势，开发周期很短，但其必须在matlab环境下运行，移植性差、代码执行效率低是其不足之处。相比而言，该软件优点更加明显，不失为一种操作方便、界面友好的测试工具。

[1] 张光义.相控阵雷达系统[M].北京:国防工业出版社.1994

[2] 张贤达.现代信号处理[M].北京:清华大学出版社,1995

[3] 袁立.相控阵天线自动测试系统的搭建[J].微波学报.2010.(S1)

[4] 李显宏.MATLAB7.X界面设计与编程技巧[M].北京:电子工业出版社.2006

[5] 张志涌.精通MATLAB6.5版[M].北京:航空航天大学出版社.2003

Design Of Phased Array Antenna Measuring Software Based On Matlab

ZHANG Mengda YANG Guangyu No.38 Research Institute of CETC,Hefei 230088,China

Inoder to measure the Phased Array Antenna effectively,software based on matlab GUI is designed.Matlab is a software develop entironment that have good interface and many toolboxes.So the software based on matlab is easy to design and easy to use.That saves lots of time on Phased Array Antenna measurement.

matlab ;GUI 相控阵天线

TN955

matlab;GUI Phased Array Antenna

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.09.070