基于Labview的天线自动测试系统设计与实现

司 毅，杨 威，杜爱华

(中国船舶集团有限公司第八研究院，江苏 扬州 225101)

0 引 言

在天线研制过程中,需要对天线的辐射特性有明确的了解，而通过准确的天线方向图衡量天线辐射特性则是最直观明晰的方法[1]。通过对天线方向图数据的分析处理,可以确定天线的峰值电平、波束宽度、旁瓣电平以及旁瓣宽度等参数，从而获得天线的实际指标。

由于计算机的普遍应用和自动化技术的发展，出现了天线方向图的自动测试技术，解决了手动测试中存在的耗时长、误差大的缺点。为实现天线方向图测试自动化，本文基于Labview软件开发了一套远场天线方向图自动测试系统。该系统包括方向图测试与方向图处理两部分，能够测量方向图并处理得到天线的多项指标。

1 系统组成

该测试系统主要包括以下几个部分：上位机控制软件、矢量网络分析仪、天线升降架、转台、接收天线、被测天线。测试系统原理图如图1所示。

图1 天线测试系统原理图

测试系统主要硬件为转台和矢量网络分析仪，这两者的性能直接决定测试系统所能实现的最高性能。

本系统转台通过现场可编程门阵列(FPGA)驱动伺服电机带动台面以某一速度转动，转动的最大角速度为1转/min，最低速能达到1转/h；伺服电机上同轴连接16位编码器，理论测角精度能达到0.005 5°；FPGA通过网口接收主控计算机指令，并向主控计算机发送转台当前角度值，每秒可传输100次角度数据，转台以1°/s转动时，理论角度延迟最多0.01°。

矢量网络分析仪作为电磁波能量测试设备，其扫描速度直接影响系统测试速度和精度。系统使用是德(KeySight)公司的N5244A矢量网络分析仪，扫描速度仅需6 ms可达201个点,能有效降低幅度/相位测试时产生的角度偏移问题。

2 软件设计

测试软件采用在虚拟仪器领域应用最广泛的图形化编程软件Labview编写，具有界面直观、操作简单等优点[2]。该测试系统的软件由方向图测试和方向图分析两部分组成。

2.1 方向图测试软件

天线方向图的测量方法常用的有固定天线法和旋转天线法[3]。固定天线法主要应用于大型不易旋转的天线。本系统主要用于小型天线的方向图测试，因而采用旋转天线法。

旋转天线法将固定的标准天线作为发射天线发射电磁波，转动被测天线，采集不同角度处的幅度/相位数据，将角度与幅度/相位数据处理后得到被测天线的方向图。方向图测试流程如图2所示。

图2 天线方向图自动测试流程图

方向图测试模块设计时采用单角度、多频点的连续测试方法，即在转台连续转动过程中，到达每个目标角度时对所有需要测试的频点进行测试保存。这种方式测试过程平滑，效率高。但相邻2个目标角度间包含矢网扫描、数据读取、数据处理3个测试过程，若其耗时过长会产生数据丢失或实际采样间隔角大于设定值的情况。由于N5244A矢量网络分析仪的扫描时间仅几毫秒，矢网测试时间影响非常小，因此数据读取、数据处理的优化就显得非常重要。

2.1.1 数据读取优化

矢量网络分析仪数据读取通常采用MARK方式，首先用“CALC:MARK:X”定位到所需读取的频率，然后用“CALC:MARK:Y？”读取其幅度/相位参数，这种方式简单直观，但在多频率数据采集时需反复定位、读取，测量频点越多需要耗费时间越长。方向图测试软件通过“CALC:DATA? FDATA”指令，一次读取所有频点数值，数据处理后即可得到各频点对应的幅值/相位。

2.1.2 数据处理优化

方向图测试主要功能是数据采集，数据处理部分在循环过程用时越少越有利于提升测试速度。通过将数据采集与数据处理变为并行循环，无需占用循环时间。

Labview“生产者与消费者”循环可以满足同时运行2个过程的需要，并且不会影响执行速度。队列操作函数可在同一程序框图的不同部分或者不同VI之间进行数据传递。

如图3所示，数据通过队列在各个循环之间传递，第1个循环通过入队函数将读取的方位、幅度、相位等数据入队。第2个循环中通过出队函数从队列中读取数据，并处理数据、实时显示方向图。

图3 “生产者与消费者”循环

队列操作函数可以缓存数据，在数据处理循环速度低于数据读取循环时不会丢失数据，进一步提高了测试速度、降低了采样间隔。

经实测验证，天线方向图测试软件以0.1°步进，测试21个频点方向图时，逐步提高转速，最高转速1.3°/s时不会出现数据丢失或实际采样角度误差大于转台理论误差0.01°的情况，见图4，如表1所示。

图4 方向图0.1°步进测试

表1 方位采样偏差

2.2 方向图分析软件

方向图分析软件主要功能为方向图数据处理与显示，其中包括方向图显示、天线参数计算(3/5 dB、旁瓣电平、前后比等)、方向图归一化与错位显示、曲线保存、生成测试报告等。

Labview极坐标图VI可用于生成极坐标方向图，但该VI只能生成单曲线极坐标图，为同时显示多条极坐标曲线，将极坐标图VI程序中数据处理函数plot polar.vi 做for循环处理，逐个频率做方向图,如图5、图6所示。

图5 多曲线极坐标程序图

图6 方向图分析软件界面

该软件能够同时载入一个或多个测试数据。载入单个数据文件时，能够实现方向图的全频或选频显示；载入多个数据文件时，可选择显示同频方向图，也可单独显示某数据文件中的某一频率方向图。通过选项能够对方向图进行归一化：方向图的幅值归一化能够便于查看天线方向图不同频率下的角度差异，如轴线的偏角；角度归一化能够便于查看天线在不同频率下的幅度差异，如峰值；幅角归一化能够便于比较天线在不同频率下主瓣、旁瓣的具体差别，如3 dB宽度等。

在计算天线参数的时候，若采样间距较大，则可能产生较大误差。软件通过采用线性、多项式等曲线拟合方式，将方向图精细化，可得到更加近似的参数值。

3 测试实例

为测试天线测试系统性能，选取英联(A-INFO)公司的LB-90-20标准增益喇叭天线进行测试。该天线的相关参数如表2所示。

表2 LB-90-20天线参数

待测天线与发射天线间距离为6 m，测试的频率范围为8～12 GHz，频率间隔1 GHz，角度间隔为0.1°。反复测试5次，得到的方向图如图7所示。各频率测试数据重复性统计见表3，测试结果显示该天线测试系统具有很好的重复性。

表3 各频率测试数据重复性统计

4 结束语

本文介绍了天线方向图测试系统的设计及实现，并对天线进行实际测试。该系统在采样间隔为0.1°时，测试1周仅需4.6 min，相比传统的手动测试节省了大量时间。该系统采样间隔可达0.01°，重复性好，通过曲线拟合进一步提升了测试精度，可广泛用于各种小型天线的方向图测试。