天线远场测试系统设计

2013-11-06吴晶晶高长水

机械设计与制造工程 2013年1期

吴晶晶，高长水

(南京航空航天大学机电学院，江苏南京 210016)

测试系统是基于N5242－PNA矢量网络分析仪的智能化天线测试系统。天线的各项性能数据可以通过测试系统进行精确的测试，对于判别天线的合格率具有至关重要的作用，天线远场测试系统是雷达天线研究与生产的重要测试工具[1]。

测试系统应用光纤通信技术和研华的ADAM5000TCP可编程控制器，对发射端的发射转台、发射信号源和监控设备等进行了远程控制，大大减少了操作人员的工作量，极大地提高了工作效率。同时软件可在界面上显示所选的特性参数，系统软件采用模块结构，操作人员只要根据菜单提示，键入需要的相应参数，就可以自动进行测量和分析计算，并可以快速得到所需要的高精度的测量结果。

1 系统硬件设计

天线远场测试系统除了以工控机为主体的部分外，还包括以下2个部分:

a.天线接收端。

天线接收端由控制转台、参考天线、接收天线、85309A分布式单元、E8257D本振信号源、N5242－PNA－X网络分析仪组成。

b.天线发射端。

天线发射端由发射转台、发射天线、E8257D发射信号源、ADAM－5000TCP、GPIB网关组成。

发射端与接收端相距250m，由于两者之间的距离已经超出了串口通信所能达到的最大距离，为此测试系统选用基于TCP协议的ADAM－5000TCP可编程控制器。ADAM－5000TCP是一个数据采集模块和控制系统，它能通过多通道的I/O模块进行控制、监视。ADAM－5000TCP具有高速的I/O能力，并且全面支持ADAM－5000I/O模块。ADAM－5000TCP提供8个插槽，支持多达128个I/O点。结合研华的5069模块，该模块提供8路的继电器输出，实现了工控机对发射端的远程控制。同时测试系统是通过LAN总线来传输数据信号，而发射转台是只带有GPIB接口的设备，那么测试系统在发射端选用安捷伦E5810A型号的LAN/GPIB网关，E5810A带有标准的10/100LAN和IEEE488接口(最多连接14台GPIB仪器)，提供了一种经由标准LAN来远程访问和操作GPIB仪器的方法。这样把LAN总线传输的数据信号经过LAN/GPIB网关，传输到GPIB总线，再经由GPIB总线传输给发射转台，解决了工控机对发射转台的数据传输问题。天线远场测试系统具体结构如图1所示。

2 软件设计

系统采用面向对象的VC++编制而成，编制的测试软件具有很好的运动控制和数据处理分析能力。软件具有保存测试文件名、数据文件名、日期、时间等记忆功能，能自动生成测试报告。软件流程如图2所示。

2.1 模块设计

图1 天线远场测试系统结构

图2 软件流程

在对软件进行模块设计时，考虑到软件的功能性和人机互动性，软件界面采用属性页的方式，将软件分为4个属性页模块:软件初始化、运动控制、参数设置、数据处理。系统软件模块设计如图3所示。

图3 系统软件模块设计

软件初始化模块:用于介绍制作单位和系统名称。

运动控制模块:主要实现对接收转台的运动控制，显示实时角度和幅值，绘制方向图，并对方向图数据进行保存等。

参数设置模块:主要实现对发射端的仪器设备进行远程控制，并对发射信号源、本振信号源、网络分析仪进行参数设置等。

数据处理模块:用于计算天线方向图的峰值、主瓣宽度、副瓣电平等，并能够计算RMS(远旁瓣电平均方根值)，对图形进行归一化、计算和差矛盾及天线增益等。

2.2 光纤通信及其远程控制应用

由于系统由发射间和接收间2部分组成，两者之间相距250m左右。基于两者之间传输距离长，抗干扰要求高，通信容量大[2]，系统采用了单模光纤进行两者之间的通信。发射端与接收端的光纤通信连接图如图4所示。

图4 光纤通信连接图

应用光纤通信对天线发射端进行远程控制，光电转换器连接GPIB网关，经过GPIB网关连接发射转台、发射信号源。在工控机中装入加入的虚拟软件(VISA)数据库后，然后在开发程序中首先打开GPIB接口卡的资源管理器，具体程序实例如下:

在对发射转台进行参数设置时，调用VISA函数库中的viPrintf和viScanf 2个函数，来实现对发射转台的方位启动和发射转台的极化启动，具体程序实例如下:

在对发射信号源进行参数设置时，同样调用VISA函数库中的viPrintf函数，来打开发射天线的信号源，并进行频率和功率的设置，具体程序实例如下:

在发射端该系统使用研华的ADAM－5000TCP底座和1个5069模块，来实现对发射端的远程外部电源加电，同时打开发射转台，具体程序实例如下:

2.3 接收端参数设置与数据采集的软件设计

接收端主要对安捷伦的E8257D本振信号源和N5242网络分析仪进行参数设置，并采集网络分析仪的幅值信号和接收转台的角度值，同时根据采集的转台角度值和网络分析仪幅值绘制方向图。本文使用WSARecvFrom()函数来读取转台的角度值[3]，并且使用viPrintf函数来设置本振信号源的频率、幅值和设置网络分析仪的扫描频率、频宽、扫描点数等。具体程序实例如下:

2.4 软件实现界面介绍

软件最主要的界面有3个:一是转台运动控制界面;二是仪器设备参数设置界面;三是数据处理界面。其中运动控制界面为本软件系统的核心，该界面分为5个部分，分别是:(1)转台参数设置与运动按钮;(2)转台运动控制选择;(3)信号源状态、信号幅值、转台角度的实时显示;(4)绘图区域设置及绘图区域;(5)系统功能及所绘天线特征的编辑。主控界面如图5所示。

3 测试结果数据分析

系统的另外一个重点部分是对测试结果进行数据处理，打开在运动控制界面保存的方向图数据文件，软件会根据保存的数据文件重新绘制出方向图，并自动算出和图峰值、主瓣宽度、旁瓣电平、差图差不对称、零深等，而且根据需要能够计算出和差矛盾、天线增益等。同时还能够按照需要的格式打印出方向图报告。图6所示是1张和图和1张差图的重叠效果图，和图起始角为－21°，终止角为21°，角度采集间隔为 0.01°;差图起始角为－10°，终止角为10°，角度采集间隔为0.01°。图6所示为数据处理分析结果。