一种基于VSTO的阵列天线自动测试系统的设计

陈 亮,蒋治国,徐建敏

(中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江 嘉兴 314033)



一种基于VSTO的阵列天线自动测试系统的设计

陈 亮,蒋治国,徐建敏

(中国电子科技集团公司第三十六研究所，浙江 嘉兴 314033)

阵列天线由于具有较强方向性和较高增益，可显著提高电子信息系统的整体性能。阵列天线性能的优劣主要通过方向图表现出来。因此对天线方向图的测试和验证是阵列天线系统设计中比较重要的一个环节。考虑到要对大量的测试数据进行较为复杂的自动化的后期处理，提出了一种适用于远场测试环境的阵列天线自动测试系统解决方案。该系统基于VSTO实现，在用户熟悉的Excel界面中实现了测试数据获取、处理、表现的全生命周期的所有功能，自动完成了对阵列天线方向图的测试。

VSTO；阵列天线；自动测试系统；外场测试；方向图

0 引言

随着阵列天线技术的不断发展和成熟，其在通信、雷达等电子信息系统中的应用也越来越广泛。阵列天线可以实现单个天线无法实现的复杂功能，其较强的方向性和较高的增益，以及方向图扫描等优点，可以显著提高系统性能。阵列天线性能的优劣主要通过方向图等系统参数反应出来的[1]。因此对阵列天线方向图的测试和验证，在阵列天线研发过程中的理论验证和工程实现方面都具有重要意义。

然而，阵列天线方向图的测试涉及测试环境、测试仪器与设备，以及测试方式等诸多因素，开发一种能够对被测阵列天线自动进行测量、故障诊断、数据处理、存储和传输，并以适当方式显示或输出测试结果的自动测试系统是必要的[2]。目前，大多数阵列天线设计和测试过程中，没有采用较为完整的涵盖数据获取、处理和分析3个过程的解决方法。

1 系统组成

阵列天线自动测试系统设计组成包括了系统工作环境和硬件组成2个方面。通过分析，可选定合适的测试工作环境，并明确测试任务的各项指标。

1.1 工作环境

通常而言，天线方向图测试的目的是采用远场或近场的测试方法进行天线参数的准确测量。考虑由源天线(发射)等效相位中心辐射的电磁波经过距离R到达待测天线(接收)口面，以待测天线口面中心为参考，口面边缘的相位差可由式(1)计算得到。

(1)

一般地，取Δφmax=π/8，所得距离称为远场最小测试距离，即Rmin=2D2/λ。这里的D通常取待测天线最大口径尺寸[3]。通过上述计算，并根据天线工作频段及结构尺寸的要求，确定阵列天线的测试需要在天线远场专用测试场地进行，如图1所示。

图1 远场测试的环境设计

图中将阵列天线放置在专用测试转台上，利用测试转台的旋转来获取各个通道和各个频段上的阵列天线方向图。由于转台工作时，始终处于一个匀速和无间断转动的工作状态，因而在这个测试过程中，依靠人工方法记录大量数据是一项根本无法完成测试任务，必须借助自动化的方法来实施。

1.2 硬件组成及实现的功能

为了完成在上述远场测试环境中的阵列天线方向图的自动测试，接下来还需要具体分析系统硬件组成及实现的功能。阵列天线自动测试系统的硬件组成具体如图2所示。

图2 测试系统硬件组成图

系统要求在转台旋转的较短的测试时间周期内，通过控制频谱仪、信号源、开关矩阵和电台等多种测试仪器和设备，实现实时地频谱功率峰值捕获、发射信号的远程控制和切换、接收信号的通道开关切换和数据获取，以及转台控制及瞬时角度读取等功能。此外，还要根据项目的具体要求，系统对测试过程中产生的海量原始数据进行自动地去噪、插值和计算波束宽度，以及生成方向图等处理。

因而必须借助计算机的控制、计算、通信和处理能力，利用能够充分发挥测量仪器的群体优势的自动测试系统来完成这一测试任务。

2 系统设计

一个典型的自动测试系统包括了用户界面与程序控制、数据获取和数据分析3个功能模块。用户界面是自动测试系统与用户的人机接口，也是程序逻辑控制和数据存储的外在表现形式。数据获取模块是按照测试序列的要求，调用仪器驱动或模块化的仪器控制程序来产生测试报表所需的原始的测试数据。数据分析模块是对原始的测试数据采用格式化、数字信号处理、统计分析和曲线拟合等方法最终获得一个简单、明了的测试结果[4]。

VSTO是微软Visual Studio开发环境中的Office解决方案，在Visual Studio编程环境中，利用VSTO解决方案和Office客户端工具，实现用户界面与程序控制、数据获取和分析表现3个功能[5]，如图3所示。

图3 测试系统软件部分的设计

2.1 用户界面与程序控制

本文介绍的阵列天线自动测试系统用户界面和程序控制模块是在Microsoft Visual Studio编程环境下的VSTO模板来实现的。

VSTO通过将Office用作解决方案的前端，便可以使用熟悉的Office用户界面和工具，例如：利用Office Ribbon功能区这种新型菜单项目表现形式可以清晰和快速地构建自动测试程序的测试操作步骤和程序控制流程。利用Office Action Pane Control控件可以构建丰富的用户界面，方便用户选择仪器的地址、设置自动测试系统的预设数据，以及表现测试过程的实时状态。而Office Excel强大的数据分析功能和快速图表生成功能，可以快速制作满足系统需求的数据表现形式[6]。此外，VSTO还支持WPF控件，WPF控件可用于构建具有丰富、引人注目和具有良好使用体验的用户界面，并能够清晰地区分用户界面和程序控制逻辑[5]。

2.2 数据获取

数据获取程序模块的主要功能是控制仪器和设备，读取并按照一定的格式将测试数据写入Excel表格中。鉴于这部分的程序是以测试数据流为中心的程序设计模式，因而采用了结构化的分析和设计方法[7]，下面以法线方向的增益测试为例，利用便于理解和分析测试数据流的数据流程图,如图4所示，来简述该测试序列程序的实现过程。

图4 数据获取部分的数据流程图(DFD)

从数据流程图中可以看出，阵列天线自动测试系统基本上没有外部实体的介入，整个系统的数据输入都是通过预设的列表直接输入到各个处理程序的。

在进行法线方向的增益测试时，首先要调整转台上的阵列天线，使其主波束方向与源天线方向成一直线和极化方向保持一致。启动程序后，程序自动读取预设参数的列表，按照测试序列操控仪器和设备。最后使用VSTO提供的函数把获取的原始测试数据保存在Office Excel的Sheets对象中，便于后续的数据分析模块来调用。

2.3 数据分析

自动测试系统获取的原始测试数据必须经过格式化、归一化、信号处理、统计分析和曲线拟合等方法来产生最终的结果。经过处理的测试数据还要在用户界面上，利用图表或其他表现形式的控件，按照系统的需求显示出来。

根据阵列天线自动测试系统需求分析结果，主要利用Office Excel提供的内置数据处理函数，对数据进行整理、去噪和插值等处理。首先，测试的原始数据在显示的小数位数和数据格式等方面进行了统一，如有需要还要对测试数据进行时间或序列等方式进行标识，对于测试数据进行一些简单的统计。其次，考虑到转台在测试过程中经历了启动、旋转和停止等动作，它并不是一个理想的匀速转动过程，再者由于读取转台与读取其他仪器或设备的程序响应速度的不匹配，在测试数据中会产生一些重复或空白条目。而频谱仪等仪器在整个测试过程中，或因为周遭电磁环境影响，或因为仪器本身的一些固有问题，也会产生少量的错误数据。以上2类错误数据表现为一些噪点，在数据处理过程中应予去除。最后，考虑到计算方位面3 dB波束宽度θAzim的精度要求，还要对测试数据按照一定密度进行线性插值计算处理。

根据阵列天线自动测试系统的设计要求，利用Office Excel中的Table对象提供的属性和方法来表现计算得到方向图方位面3 dB波束宽度θAzim，同时记录法向扫描波束最大功率电平P0的结果；利用Office Excel中的Chart对象所提供的一些属性和方法来绘制阵列天线方位面主波束方向图，如图5所示。

图5 阵列天线在3种不同工作频段下的方向图

3 系统验证

把阵列天线自动测试系统输出的结果，与设计要求中不同测试频点下，天线增益和波束宽度等指标的仿真结果进行比较，考虑误差因素后，测得数据基本与理论数据相符，说明阵列天线自动测试系统的测试结果是可信的。

另一方面阵列天线自动测试系统，在一次测试过程中可完成多路信道、多个频点的测试，自动测试的速度比人工测试一般可以快50～500倍[8]，极大提高了系统测试效率，也达到设计预期。

4 结束语

介绍了一种基于VSTO的阵列天线自动测试系统的设计过程，该自动测试系统，在Office Excel这样一个用户比较熟悉的工作环境中，完成了对阵列天线方向图的测试，实现了测试数据获取、处理和表现的全生命周期的所有功能。将测得数据整理后与理论仿真得到的数据对比，考虑误差因素后，测得数据基本与理论数据相符，证明该自动测试系统具有一定的创新性和工程使用价值。

[1] 郝延刚,李淑华.在室外测试场中阵列天线方向图的测试方法[J].科学技术与工程,2012,12(29):7745-7748.

[2] 郝延刚,李淑华.在室外测试场中阵列天线方向图的测试方法[J].科学技术与工程,2012,12(29):7745-7748. [3] 杨东萍,未连保,衣尚军.相位误差对相控阵天线影响分析与改进[J].无线电工程,2013,43(3):24-26.

[4] Getting Started with LabWindows/CVI,P21[EB/OL].http:∥www.ni.com/pdf/manuals/373552k.pdf[5] Vivek Thengaswany.VSTO 3.0 for Office 2007 Programming[M].UK:Packt Publishing,2009.

[6] Visual Studio中的Office开发[EB/OL].http:∥msdn.microsoft.com.

[7] 褚 华.软件设计师教程[M].北京:清华大学出版社,2009.

[8] 李立功.现代电子测试技术[M].北京:国防工业出版社,2008.

A VSTO Based Automatic Testing System Design for Array Antenna

CHEN Liang,JIANG Zhi-guo,XU Jian-min

(The 36th Research Institute of CETC,Jiaxing Zhejiang 314033,China)

Array antenna with strong directivity and high gain can significantly improve the system performance. The performance of an array antenna is mainly manifested by the pattern. So the testing and verification of the pattern is an important part during the array antenna system design process. This paper presents an automatic test system solution for the array antenna in far field environment. The system is based on VSTO,implementing within the familiar Excel interface test data acquisition,processing and presentation of full life cycle of the test process,and automatically carries out the testing of the array antenna pattern.

VSTO; array antenna; automatic test system; outdoor test; antenna pattern

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2016.06.23

陈 亮,蒋治国,徐建敏.一种基于VSTO的阵列天线自动测试系统的设计[J].无线电通信技术,2016,42(6):91-94.

2016-07-13

陈 亮(1983—)，男，高级工程师，主要研究方向：半实物仿真与自动测试。蒋治国(1982—)，男，工程师，硕士，主要研究方向：半实物仿真与自动测试。

TN821

A

1003-3114(2016)06-91-4