基于LabVIEW的远场天线测试系统的设计与应用*

江思杰 程照明 江传华

(中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430079)



基于LabVIEW的远场天线测试系统的设计与应用*

江思杰 程照明 江传华

(中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430079)

针对天线参数测试过程及测试要求,分析在天线参数测试中的主要问题,研究实际测试过程中环境因素对天线参数测量结果的影响,提出了一种基于LabVIEW的远场天线性能参数自动测试系统的设计方案,详细阐述了该方案的系统组成部分与工作原理,包括矢量网络分析仪、天线测试转台与吊杆的控制原理以及数据采集的时序设计,结合Matlab实现了对影响因素的误差补偿与天线性能参数的测试计算方法,利用数据库技术实现天线测试数据的存储、读取与报告打印,通过现场测试试验验证了该方案的可靠性与可行性。

天线测试系统; 矢量网络分析仪; LabVIEW; Matlab; 数据库技术

Class Number TP23

1 引言

随着无线电技术的快速发展和无线电仪器设备应用场合的日益增多,用途各异、种类繁多的天线在许多领域得到了广泛应用。在实际工程应用中,天线方向图、增益、波瓣宽度等参数会决定其是否满足性能要求,与此同时,相较于微波暗室,外场测试环境更能反映天线的真实性能[4]。

本文通过分析远场测试环境中的误差来源,确定误差因素并以修正因子的形式补偿至天线性能参数测试计算中,极大提高了远场天线测试的可靠性与可行性。

2 系统构成

系统在传统测试方法进行了诸多改进,形成了一套结合自动控制、高速采集、快速数据处理与报告打印于一身的智能测试系统,与此同时,系统分析了远场测试过程与环境中所存在的误差,在原有算法基础上进行了改进,极大提高了天线测试系统的可靠性。

图1 远场天线测试系统总体结构图

远场天线自动测试系统的总体结构如图1所示,硬件部分主要包括Aglient PNA-X 5230A矢量网络分析仪、天线测试转台、天线测试吊杆、转台/吊杆驱动控制器、监视器与打印机。系统基本工作原理是利用转台/吊杆驱动控制器控制转台/吊杆运动同时采集当前角度参数,期间,通过矢量网络分析仪同时实现标准天线的发射与待测天线的接收,并由工控机将采集到的幅度与角度参数进行数据处理,从而实时绘制方向图,并计算天线性能参数。

3 系统运行流程

远场天线自动测试系统的运行流程图如图2所示,系统运行主要通过工控机上的测控软件实现,具体实施步骤如下:

1) 检查远场天线自动测试系统机柜中的信号线路、射频电缆是否连接正常,确保机柜接地良好;

2) 开启设备,运行工控机上的远场天线自动测试系统软件,通过界面上的指示灯查看各设备装套,确保系统能够正常运行;

3) 配置天线测试的主要参数,包括扫频范围、发射功率、频率点数、转台/吊杆起始角度、转台/吊杆终止角度、转台运行速率、误差补偿参数、文件存储名称与路径等,设置完毕后运行测试系统;

4) 系统自动运行天线测试,并显示实时天线方向图与测试频率信息,可在不同频点间切换显示;

5) 测试完毕后,系统显示天线性能参数测试结果,保存测试数据至指定路径,生成并打印天线测试报告;

6) 系统初始化,准备下次天线测试。

图2 系统运行流程图

4 测量算法处理

传统远场天线测量由于受到地面反射波的影响,难以达到较高的测量精度。此外,测试场环境中还存在着电磁干扰、气候条件、障碍物杂乱反射、地网参数等因素,需通过分析误差来源从而实现测量误差修正,提高天线性能测试精度[1]。在天线测试过程中,方向图与天线增益的受影响程度尤为突出。

4.1 天线方向图误差修正

远场天线测试过程中,主要影响因素可归纳为2类:外接因素:天线附近的同频干扰源、天线前方高达建筑遮挡物以及天线远场测试条件(需满足R≥2D2λ,其中D为待测天线直径,λ为工作频率)。内部因素:天线转台的角度误差、相位中心的偏离因素[6]。

其中待测天线相位中心与转台转轴不重合而产生的角度误差以及功率测量不精确而产生的角度误差对天线方向图测试所产生的影响尤为明显,前者属于系统误差,后者属于随即误差。

4.1.1 天线相位中心与转台转轴不重合而产生的角度误差

在天线安装过程中,天线的相位中心很难达到刚好与转动中心完全重合。因此,在测量天线方向图时,由于天线摆放位置的差异,会引起一个偏离标准值的误差。根据天线摆放位置不同,所产生的误差也会不相同,将该引入误差后的转动角度记作θ

θ=(α1-α2)+Δθ

(1)

式中:α1为转台测试的起始角度;α2为转台测试的终止角度;角度总误差为Δθ=Δθ1+Δθ2,其中Δθ1为待测天线相位中心与转台转轴不重合而产生的角度误差,Δθ2为功率测量不精确而产生的角度误差。

由于功率测量不精确而产生的角度误差存在一定的随机性,因此在计算角度误差时往往将其忽略。

根据天线相位中心与转台转轴不后从何而产生的角度误差计算公式:

(2)

式中:d为天线相位中心偏离其旋转轴的距离;R为远场距离。

在远场天线测试中,当R≫d时,θ≫Δθ,最大误差将会发生在cos(θ/2+α1)=nπ(n=0,1,2,…)。

则可推导出Δθ1的最大误差为

(3)

将式(1)与式(2)联立即可求出待测天线相位中心与转台转轴不重合而产生的角度误差Δθ。

因此,在天线方向图测试时,本系统会通过已知参量计算出Δθ,之后代入到式(1)中得到修正后的角度参数,从而降低误差影响。

4.1.2 天线发射功率测量不精确而产生的角度误差

在进行功率方向图测量时,矢量网络分析仪由于内部与外部因素的存在,在测量功率时会产生一定的误差,从而导致测量角度产生偏差。假设该角度误差为Δθ2,由计算公式可知:

(4)

式中:φ(θ)=P(θ)/Pm是方向函数,其中,P(θ)与Pm分别表示天线在任意方向与主瓣最大方向上的单位立体角内的功率;Δφ(θ)=ΔP(θ)/Pm表示功率比测量误差。

将功率比测量误差与方向函数分别代入到公式中即可求解出功率测量不精确而产生的角度误差,之后代入到Δθ=Δθ1+Δθ2中计算总角度误差。由于存在一定的随机性,系统可选择是否启用该误差计算。

4.2 天线增益误差修正

远场天线测试中,天线工作频率不同,其增益测量方法也有所差异,大多数情况都是基于馈线与收发天线匹配下的功率传输公式来计算[5],本系统采用比较法,其功率传输公式为

(5)

式中:Gt与Gr分别表示发射天线与接收天线的增益,λ为工作时的波长,R为接收与发射天线之间的距离,Pt与Pr分别表示发射与接收功率。

由于馈线与收发天线存在匹配失调等问题,主要为阻抗失陪,该误差会对天线增益的计算产生一定的影响,下面就该阻抗失配误差进行具体分析。

在实际天线测试中,系统阻抗不匹配以及馈线损耗都可以造成增益测量误差,因此,向式(5)中引入一个电失配因子M:

(6)

图3 收发天线间的能量传输

如图3所示,该图描述了收发天线之间的能量传输情况。设PM为最大信号源输出功率,在发射信号端,从传输线任一个参考面对于矢量网络分析仪激励信号源的反射系数为Γg,相对发射天线反射系数为Γat,其发射端的失配因子为Mt,依据功率传输公式,天线的实际输入功率P0为

P0=PMMt

(7)

式中,发射端的失配因子Mt为

(8)

在接收端,从馈线任意一个参考平面向接收天线看去,反射系数为Γar,朝接收端看,反射系数为ΓL,其接收端的失配因子Mr为

(9)

则总失配因子M为M=Mt+Mr

(10)

由于发射天线的电压驻波比Sg与矢量网络分析仪测得的电压驻波比Sat已知,则可根据式(11)分别求出两者所对应的反射系数,代入到式(10)中即可得到总的失配因子:

(11)

由上述分析推到可知,测量天线增益与矢量网络分析仪信号接收机、信号源负载失配有着直接的关系,因此,在计算天线增益之前,系统利用已知的发射天线与矢量网络分析仪测得的电压驻波比计算总失配因子,从而得到引入失配因子后的天线增益值。

5 验证比较

系统实体机柜结构与操作界面如图4所示,在系统搭建完毕之后,在联调实验楼中进行了调试验证,参与验证的设备包括:远场天线自动测试系统、天线测试转台、天线测试吊杆、LP450对数周期天线。远场天线测试系统软件编制结合LabVIEW、Matlab与数据库技术,实现了天线方向图与性能参数的自动测试、算法处理与报告输出,此外,软件还具备原始记录读取、方向图实时显示、垂直180°方向图测试等功能,为天线测试技术提供了有力的支撑。

本次验证测试所选择的发射天线与接收天线均为对数周期天线LP450(使用频率范围:450MHz～1000MHz),放置方向均为水平放置,根据接收天线架设高度的不同,测量的天线方向图也会有很大的差异。

由于测试数据繁多,本文仅列出两组典型数据来验证系统的可靠性与可行性,并将测试结果与理想状态下的天线方向图进行对比,如图5、图6所示。

图4 远场天线测试系统控制室

图5 采集频率450MHz,接收天线高度1波长,即0.67m

图6 采集频率450MHz,接收天线高度1.5波长,即1m

通过上述测试方向图对比,虽然测试结果与理想状态略有偏差,但经过误差校正补偿后的天线方向图得到了明显的改善,对数周期天线测试可清晰直观的反应远场天线自动测试系统的强大功能与较高可靠性。

6 结语

本文分析了传统远场天线测试中所存在的诸多问题,利用虚拟仪器技术实现测试方案上的优化,结合Matlab进行误差校正与天线参数计算方法上的改进与扩展,同时,通过数据库调用已存储的天线方向与与性能参数用于报告输出与后续天线结构改进分析,为天线测试技术研究提供了一套精确有效的自动测试系统。

[1] 耿国磊,别红霞.基于LabVIEW的高阻自动测量系统[J].电子测量与仪器学报,2009,23(3):70-75.

[2] 杨尧,王民钢,赵岳楼.基于LabVIEW的飞控计算机测试系统设计[J].电子测量技术,2009,32(9):96-99.

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[4] 陈兰姑.天线方向图测试系统的设计[J].大科技科技天地,2010(1):179-182.

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[6] 王秀清,崔菲菲,张春霞,等.基于DSP植物生长状况天线监测系统的研究[J].国外电子测量技术,2010,29(10):44-47.

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Design and Application of Far Field Antenna Testing System Based on LabVIEW

JIANG Sijie CHENG Zhaoming JIANG Chuanhua

(No. 722 Research Institute of CSIC, Wuhan 430079)

Aiming at the measurement process and parameters requirements of antenna test, the main problems in the antenna parameters test are analyzed, and the actual test environment in the process of the influence of factors on the antenna parameters measurement results are studied. A design of far field antenna performance based on LabVIEW parameters automatic test system is proposed. The system component and working principle of the scheme are elaborated in detail, including the vector network analyzer, the antenna test turntable and control principle of the derrick and timing design of data acquisition. Combined with Matlab, the error compensation of affecting factors and the testing calculation methods of performance parameters of the antenna are realized. Database technology is used to accomplish antenna test data storage, read and report printing. Field test experiment verifies the reliability and feasibility of the scheme.

antenna testing system, vector network analyzer, LabVIEW, Matlab, database technology

2014年10月11日,

2014年11月29日

江思杰,男,硕士,工程师,研究方向:仪器与测试技术、数据算法处理、机械自动化控制、低频通信技术、计量科研等。程照明,男,硕士,高级工程师,研究方向:低频通信技术、电力载波技术、仪器与测试技术、数据算法处理等。江传华,女,硕士,研究员,研究方向:低频通信技术、天线理论技术、仪器与测试技术、数据算法处理、计量科研等。

TP23

10.3969/j.issn1672-9730.2015.04.036