天线方向图测试系统的设计

张烨

摘 要：针对传统线方向图测量方法效率低、精度差、以及可测频段单一的缺点，本文设计了微波天线方向图测试系统，对发射系统、接收系統以及控制系统进行了比较详细的阐述，并得出了实验的结果。这个系统结构比较的简单，并且成本比较低，在高校实验教学中比较的适用。

关键词：天线；方向图；微波；多频段

在进行无线传输的时候，天线是非常关键的，并且无线电磁波无论是接收还是发射，都是通过天线进行的，所以，天线设计会直接给无线性能造成较大的影响。而作为天线设计的重要参数之一——方向图，能直观的反映出天线的重要性能，因而绘制不同频段天线的方向图则至关重要。目前，实验教学中采用的天线的频段主要为800MHz或者2.4GHz，因此只能绘制出特定频段的方向图，为了解决这一问题，本系统设计出一款多频段的天线方向图测试系统，将单一频点的测试模式升级为多频点，可自动测试频段为50MHz——4.3GHz天线的方向图并绘制显示。该系统通过对不同频段天线特性的测试加深学生对天线方向图的感知认识，同时学生可用该系统设计各种天线进行天线特性测试。

1 系统组成

本系统提供了一种测量天线方向图的测试平台，如图1所示，系统包含发射系统、接收系统、电机控制系统、天线转动平台、数据处理及终端显示系统发射天线发射电磁波，输出电平数字程控可调，电机转动被测天线进行接收，电动转动1周，360度，测出被测范围内不同角度处的信号电平，再经过A/D 将模拟量（角度值，电压值）转换成数字量送入单片机，最后在液晶上显示天线方向。

2 测试原理

所谓辐射参量包括辐射的通量密度、场强、香味和季华，在通常情况下，辐射方向图在远区测定，并表表示为空间方向坐标的函数。

天线位于坐标原点。在距离天线等距离（r=常数）的球面上，天线在各点产生的场强随空间方向的变化曲线，成为场强方向图。

所以，要测归一化场强方向图，只要测得在距离天线等距离舳球面上各点的场强即可。

根据天线的互易性原理.将被测天线作为接收天线.固定的辐射天线作为发射天线。由发射天线发射电磁波，转动被测天线进行接收，测出被测范围内不同角度处的信号电平，便可得到被测天线的方向图。

3 系统硬件设计

在测量的时候，本质上天线方向自动测量的原理和手动测量一样，能够切实实现数据采集、处理、自动进行方向图的绘制。进行测量时天线在被测量的时候，会连续的进行转动，并且可以接受到天线发射的相关微博信号。在进行信号接收的时候，通过变换和放大以及进行A/D 转换后将其传给单片机。在转动天线时，录取信号的装置会根据需要来转换天线位置，并将获得的信号转变成为数字信号。本系统中采用STM32作为主控制器。

3.1 发射端

（1）稳幅信号源：由触摸切换选择两种频段输出，频段分别为 50M-4.3GHz，可由被测天线选择输出信号。

（2）可调衰减器：内置，衰减量 0-30 dB，0.6 dB 步进。

（3）频率计：内置，测量发射信号频率。

（4）频率计：内置，测量发射信号频率。

3.2 接收端

（1）低噪声放大器：内置；

（2）电机：1分钟每转，带暂停控制，带转动铰链，防止天线馈线绕圈；

（3）角度录取及电平录取同步计算；

（4）液晶显示方向圆图。

4 结语

本系统主要针对实验教学，将单一频点的测试模式升级为多频点测试模式，以提升测试的整体效率，同时包含天线方向图自动绘制软件，在液晶界面上直接显示，测量各种天线的特性，实现测试过程的全面自动化。主要包括：测试设备的控制自动化、待测天线射频通路（通道）切换的自动化、数据采集和报告生成的自动化增加。同时，本系统替代矢量网络分析仪“黑匣子”式的测试方法，学生在测试的同时，了解天线的测试原理及电路构成，系统组成部件均可调，改变组成部件的参数，观察不同的实验现象。因此可以直接应用于实验教学。

参考文献：

[1]刘瑾，王化吉.基于LabVIEW的天线方向图测试系统设计[J].电子测量技术，2011，34（3）：62-63.

[2]张金全，陈正宁.天线方向图自动测试系统设计与实现[J].自动化技术与应用，20l4，33（1）：40-41.