毫米波多通道掃頻天線測量系統(tǒng)

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電磁研究的不斷深入，天線作為信號接收和發(fā)射不可或缺的關(guān)鍵部件，其發(fā)展和應(yīng)用已經(jīng)滲透到雷達(dá)、電子對抗、導(dǎo)航和通信等諸多領(lǐng)域。高性能新型天線的設(shè)計(jì)與研制已成為一種迫切的需要，從而對測試手段也提出了更高的要求。在傳統(tǒng)天線測量中，通常采用的都是單通道，單頻點(diǎn)的測量方式，這種測量方法煩瑣、費(fèi)時(shí)，有時(shí)還會得到片面的結(jié)果，很難全面刻畫天線的頻帶響應(yīng)特性。尤其是現(xiàn)代寬帶、超寬帶天線的研制和發(fā)展，以及低可探測目標(biāo)的RCS測量，隱身與反隱身材料特性的研究等都迫切需要應(yīng)用掃頻技術(shù)來提高效率。

在天線掃頻測量中，采用掃頻信號(一個頻率值隨時(shí)間按一定規(guī)律，在一定頻率范圍內(nèi)掃動的信號代替以往使用的固定頻率信號)可以對被測天線進(jìn)行快速、定量的動態(tài)測量，給出天線頻帶特性的實(shí)時(shí)測量結(jié)果，從而為天線的調(diào)整、校準(zhǔn)及故障排除提供了有力的手段。測量中通過對射頻開關(guān)的控制在各通道間進(jìn)行切換，可實(shí)現(xiàn)天線的多通道自動測量。近代微波和天線測量技術(shù)，要求準(zhǔn)確、快速、智能和自動以提高測量的工作效率。在組成測量系統(tǒng)時(shí)，首要的是具有高性能的接收機(jī)、信號源和相應(yīng)的控制部件，才能組成符合要求的自動測量系統(tǒng)。掃頻測量系統(tǒng)與傳統(tǒng)的點(diǎn)頻測量系統(tǒng)，在組成原則上是相同的，所不同的是掃頻測量系統(tǒng)要求信號源能輸出以直接方式進(jìn)行線性掃動的信號，而測量裝置要有足夠的帶寬。對于天線測量系統(tǒng)而言，還必須具有協(xié)調(diào)各部件同步執(zhí)行的控制器。系統(tǒng)組成見圖1。

該系統(tǒng)由射頻、控制和機(jī)械子系統(tǒng)組成。工業(yè)控制機(jī)通過對運(yùn)動控制器，驅(qū)動器，交流伺服電機(jī)的控制來實(shí)現(xiàn)待測天線和輔助天線的位移和定位，通過GPIB接口完成對Anritsu 37169C網(wǎng)絡(luò)分析儀和Anritsu MG3694A信號源的控制，使其在測試過程按預(yù)訂的要求自動完成信號的發(fā)射，接收，數(shù)據(jù)采集和傳遞。然后由數(shù)據(jù)處理軟件包對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得天線遠(yuǎn)場輻射特性信息，如遠(yuǎn)場方向圖的主瓣寬度，副瓣電平，位置;單脈沖天線的零深及差斜率等一系列特性參數(shù)，并將圖形或數(shù)據(jù)在屏幕顯示或打印輸出。

1 Anritsu射頻系統(tǒng)

對天線測量而言，Anritsu37169C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種高性能的快速測量S參數(shù)的專用儀器。該儀器除了具有速度快、高精度特點(diǎn)外，還具備豐富的編程指令，其所有的人工操作功能都可由計(jì)算機(jī)程序來控制，計(jì)算機(jī)與它的通信聯(lián)絡(luò)由GPIB接口電路來實(shí)現(xiàn)。在遠(yuǎn)場測試中，Anritsu37169C工作于連續(xù)波或掃頻模式，并通過外觸發(fā)，以最快的速度實(shí)現(xiàn)測量，測試觸發(fā)信號來自多軸運(yùn)動控制器，測試數(shù)據(jù)被暫存在Anritsu37169C內(nèi)存里，然后由計(jì)算機(jī)通過GPIB快速讀入，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過處理變成所需的幅度相位或?qū)嵦摬繑?shù)據(jù)格式。

1.1 Anritsu37169C主要技術(shù)指標(biāo)

37100C系列微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀將快速合成掃頻源，自動反轉(zhuǎn)的S參數(shù)測試裝置及四通道接收機(jī)集成于一體，其先進(jìn)的測試水平，大大加快了生產(chǎn)測試速度。37169C具有快速的合成掃描功能，每個測量點(diǎn)的掃描更新時(shí)間小于2ms，為保證測量精度，每個數(shù)據(jù)點(diǎn)都是經(jīng)鎖相并進(jìn)行了矢量誤差修正。內(nèi)部信號源分辨率為1Khz就能滿足大部分寬帶和窄帶帶寬的要求，對于要求更高的頻率精度，則可用1Hz的頻率分辨率和高穩(wěn)定度的時(shí)基。37169C配有兩個GPIB接口，利用高速數(shù)據(jù)傳輸，配合快速誤差修正掃描，從而最大限度的提高生產(chǎn)率。37169C大容量的內(nèi)存、用好的用戶界面和簡便易用的特點(diǎn)，也為其廣泛應(yīng)用提供了條件。儀器技術(shù)指標(biāo)如下：

1.2 多源模式

根據(jù)37169C的技術(shù)指標(biāo)，在毫米波段儀器的內(nèi)部源輸出功率最大為-3dBm,對于遠(yuǎn)場測量，為了保證天線測試系統(tǒng)的動態(tài)范圍，必須提高發(fā)射端的功率電平,我們采用37169C加MG3694A合成信號發(fā)生器的系統(tǒng)配置方案。MG3694A是自動測試系統(tǒng)中理想的信號發(fā)生器，其大功率輸出保證了經(jīng)過測試系統(tǒng)交換和電纜損耗之后，仍能保證有足夠的信號強(qiáng)度。精確的穩(wěn)幅功率輸出，從-120dBm以0.01dB步進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)接收機(jī)高靈敏度的測量。

37100C系列矢網(wǎng)具有強(qiáng)大的多源控制功能。利用多源控制功能，可以很方便的進(jìn)行混頻器、倍頻器測量。無需外部控制器控制，就可以獨(dú)立控制兩個信號源和一個接收機(jī)?？煞謩e設(shè)定兩個信號源的頻率范圍和輸出功率，以及接收機(jī)的掃描范圍。多源方式的設(shè)定，包括定義每段的頻率范圍和段內(nèi)信號源、接收機(jī)的工作方式。源1為內(nèi)部源，用于驅(qū)動端口1和端口2,源2為外部源，可通過GPIB接口編程控制;矢網(wǎng)與外部信號源的同步通過10MHz時(shí)基控制。圖2為多源方式儀器設(shè)定。

2 基于PMAC的開放式數(shù)控系統(tǒng)

控制系統(tǒng)配置時(shí)需根據(jù)應(yīng)用中的總線結(jié)構(gòu)、電機(jī)類型、反饋元件等對PMAC進(jìn)行擴(kuò)展。

我們研制的遠(yuǎn)場測量系統(tǒng)是基于PMAC的開放式數(shù)控系統(tǒng)，與國內(nèi)外同類產(chǎn)品比具有領(lǐng)先水平。數(shù)控系統(tǒng)以工業(yè)控制機(jī)為平臺，PMAC為控制器構(gòu)成主從式雙微處理器結(jié)構(gòu)。工控機(jī)負(fù)責(zé)采樣參數(shù)的設(shè)定、測試、數(shù)據(jù)的處理。PMAC控制轉(zhuǎn)臺的伺服運(yùn)動,并在采樣的精確位置為網(wǎng)絡(luò)分析儀提供觸發(fā)脈沖。

PMAC可編程多軸運(yùn)動控制器是美國Delta Tau 公司研制的世界上功能最強(qiáng)大的運(yùn)動控制器之一。它首先全面地開發(fā)了DSP (Digital Signal Processing)功能，具有極快的處理速度，每軸的伺服更新在20-30 從而保證了伺服的剛性和響應(yīng)速度，同時(shí)減小了系統(tǒng)誤差和滯后。另外，PMAC良好的軌跡特性，為高級伺服應(yīng)用提供了準(zhǔn)確性和平滑性，而其大寬帶輸入特性也為轉(zhuǎn)臺的快速精密運(yùn)動提供了保障。軟件方面PMAC的開放結(jié)構(gòu)，編程的靈活性以及后臺運(yùn)行的PLC(Programable Logic Control)程序都為系統(tǒng)的開發(fā)提供了便利條件。

其中包括從絕對編程器或激光干涉儀獲得反饋的I/O板，伺服驅(qū)動單元，伺服電機(jī)，雙端口存儲器等進(jìn)而形成完整的數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3。

工業(yè)控制機(jī)與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀之間的通訊由GPIB(General Purpose Interface Bus)總線完成。主機(jī)通過GPIB卡設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的頻率，信號源功率，激勵方式，中頻帶寬等測量參數(shù)。遠(yuǎn)場測量時(shí)，網(wǎng)絡(luò)分析儀收到PMAC的觸發(fā)脈沖后立即進(jìn)行幅相數(shù)據(jù)采集并將其存入緩沖區(qū)，隨后送到主機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示。系統(tǒng)配置的AGP(Accelerated Graphics Port)雙端口顯示卡，可將桌面擴(kuò)展到兩個顯示器。實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺位置信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控?？刂栖浖▽MAC和GPIB接口的控制，并由此實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)臺的閉環(huán)控制，以及網(wǎng)絡(luò)分析儀的功能設(shè)定與采樣控制?？刂栖浖墓δ苣K包括：系統(tǒng)初始化，PMAC參數(shù)設(shè)定，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀控制，文件管理，運(yùn)動軸定位，遠(yuǎn)場測試等功能。

在定位控制和遠(yuǎn)場掃描中不僅要對PMAC設(shè)置運(yùn)動及采樣參數(shù)，而且需要對各軸的位置反饋信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，即實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)間的實(shí)時(shí)通訊。軟件采用PCOMM32動態(tài)連接庫實(shí)現(xiàn)通訊。PCOMM32與GPIB驅(qū)動結(jié)構(gòu)框圖見圖4。

在驅(qū)動程序的外層開發(fā)人員可采用Visual Basic、C++、Delphi等可視化語言進(jìn)行編程，并充分利用Windows豐富的GUI(Graphics User Interface)函數(shù)創(chuàng)建友好的人機(jī)界面。

3 系統(tǒng)軟件包

天線遠(yuǎn)場測量系統(tǒng)是一套在計(jì)算機(jī)控制下的高精度自動測試設(shè)備。整個系統(tǒng)的正常工作依賴于系統(tǒng)軟件的支持。系統(tǒng)軟件包括在遠(yuǎn)場測量方式下對被測天線及輔助天線各運(yùn)動軸的驅(qū)動控制，通過GPIB接口對矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Anritsu 37169C的設(shè)定和控制,以及遠(yuǎn)場信息的采集，存儲和天線輻射特性分析處理。全部軟件采用模塊結(jié)構(gòu)，在WINDOWS界面下，通過窗體屏幕，菜單提示，簡單人機(jī)對話等方式為用戶提供極大的方便。系統(tǒng)具有連續(xù)波點(diǎn)頻測量、多通道測量、掃頻測量和極化測量功能。各種方式的靈活組合，充分滿足了用戶的測試需求。系統(tǒng)軟件包括測量和數(shù)據(jù)處理兩大功能，其它選項(xiàng)可以幫助用用戶分析和處理數(shù)據(jù)。

(1) 測量部分由五個功能模塊組成：

掃描設(shè)定：本模塊允許用戶定義測試類型和待側(cè)天線的基本特性，該信息將作為自動測試參數(shù);

多通道設(shè)置：本模塊由于自動產(chǎn)生通道選擇表，用戶可以選擇掃描速度;

掃頻測量設(shè)定：選擇掃頻測量頻率，生成頻率列表;

接收機(jī)控制：控制Anritsu 37169C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和綜合頻率源。根據(jù)掃描方式設(shè)定儀器工作狀態(tài);

定位功能：控制轉(zhuǎn)臺和極化器的精確確定和測量軌跡。

(2) 數(shù)據(jù)處理部分

遠(yuǎn)場方向圖參數(shù)分析：用戶可以輸入和改變遠(yuǎn)場方向圖的顯示方式，并可對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化、平滑、移動、截?cái)嗟忍幚?

掃頻數(shù)據(jù)處理：實(shí)現(xiàn)多頻點(diǎn)數(shù)據(jù)的顯示、參數(shù)分析、比較和轉(zhuǎn)換;

數(shù)據(jù)比較、疊加、平滑功能;分析比較個通道方向圖的差別。分段平滑測試數(shù)據(jù)。

立體方向圖重構(gòu)：根據(jù)E面和H面方向圖重構(gòu)天線的空間立體方向圖。

4 測試實(shí)例

根據(jù)圖1遠(yuǎn)場測量系統(tǒng)配置，我們對某機(jī)載多通道天線進(jìn)行了掃頻測量，測試通道數(shù)為3，極化狀態(tài)為1，頻率點(diǎn)數(shù)為11。一次掃描完成33個方向圖測量。因而整個測量時(shí)間約為2min。在保證近場測量精度的同時(shí)，與單通道單頻點(diǎn)遠(yuǎn)場測量相比測試效率提高了20倍。圖5為某天線第二通道，11個頻率的遠(yuǎn)場方向圖。圖6為中心頻率三個通道方向圖比較。

5 結(jié)論

毫米波多通道掃頻遠(yuǎn)場測量系統(tǒng)是一套基于PMAC多軸運(yùn)動控制器的高精度、多功能、自動化的測量設(shè)備。該系統(tǒng)集數(shù)據(jù)分析、圖像處理、系統(tǒng)控制等功能于一體，能方便快捷地完成天線遠(yuǎn)場測量任務(wù)，是天線現(xiàn)代化測試技術(shù)的高度集成。系統(tǒng)采用Anritsu"閃電"37169C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和MG3694微波合成信號發(fā)生器，在保證測量精度的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了多通道掃頻遠(yuǎn)場測量，有效地降低了測量時(shí)間。系統(tǒng)滿足了毫米波遠(yuǎn)場測試的高指標(biāo)要求，與國外同類產(chǎn)品相比，具有良好的性能價(jià)格比和推廣應(yīng)用價(jià)值。