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毫米波多通道掃頻天線測量系統

隨著電子技術的飛速發展,電磁研究的不斷深入,天線作為信號接收和發射不可或缺的關鍵部件,其發展和應用已經滲透到雷達、電子對抗、導航和通信等諸多領域。高性能新型天線的設計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。在傳統天線測量中,通常采用的都是單通道,單頻點的測量方式,這種測量方法煩瑣、費時,有時還會得到片面的結果,很難全面刻畫天線的頻帶響應特性。尤其是現代寬帶、超寬帶天線的研制和發展,以及低可探測目標的RCS測量,隱身與反隱身材料特性的研究等都迫切需要應用掃頻技術來提高效率。在天線掃頻測量中,采用掃頻信號(一個頻率值隨時間按一定規律,在一定頻率范圍內掃動的信號代替以往使用的固定頻率信號)可以對被測天線進行快速、定量的動態測量,給出天線頻帶特性的實時測量結果,從而為天線的調整、校準及故障排除提供了有力的手段。測量中通過對射頻開關的控制在各通道間進行切換,可實現天線的多通道自動測量。近代微波和天線測量技術,要求準確、快速、智能和自動以提高測量的工作效率。在組成測量系統時,首要的是具有高性能的接收機、信號源和相應的控制部件,才能組成符合要求的自動測量系統。掃頻測量系統與傳統的點頻測量系統,在組成原則上是相同的,所不同的是掃頻測量系統要求信號源能輸出以直接方式進行線性掃動的信號,而測量裝置要有足夠的帶寬。對于天線測量系統而言,還必須具有協調各部件同步執行的控制器。系統組成見圖1。



  該系統由射頻、控制和機械子系統組成。工業控制機通過對運動控制器,驅動器,交流伺服電機的控制來實現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網絡分析儀和Anritsu MG3694A信號源的控制,使其在測試過程按預訂的要求自動完成信號的發射,接收,數據采集和傳遞。然后由數據處理軟件包對測量數據進行分析,獲得天線遠場輻射特性信息,如遠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,并將圖形或數據在屏幕顯示或打印輸出。

  1 Anritsu射頻系統

  對天線測量而言,Anritsu37169C矢量網絡分析儀是一種高性能的快速測量S參數的專用儀器。該儀器除了具有速度快、高精度特點外,還具備豐富的編程指令,其所有的人工操作功能都可由計算機程序來控制,計算機與它的通信聯絡由GPIB接口電路來實現。在遠場測試中,Anritsu37169C工作于連續波或掃頻模式,并通過外觸發,以最快的速度實現測量,測試觸發信號來自多軸運動控制器,測試數據被暫存在Anritsu37169C內存里,然后由計算機通過GPIB快速讀入,這些數據經過處理變成所需的幅度相位或實虛部數據格式。

  1.1 Anritsu37169C主要技術指標

  37100C系列微波矢量網絡分析儀將快速合成掃頻源,自動反轉的S參數測試裝置及四通道接收機集成于一體,其先進的測試水平,大大加快了生產測試速度。37169C具有快速的合成掃描功能,每個測量點的掃描更新時間小于2ms,為保證測量精度,每個數據點都是經鎖相并進行了矢量誤差修正。內部信號源分辨率為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定度的時基。37169C配有兩個GPIB接口,利用高速數據傳輸,配合快速誤差修正掃描,從而最大限度的提高生產率。37169C大容量的內存、用好的用戶界面和簡便易用的特點,也為其廣泛應用提供了條件。儀器技術指標如下:


  1.2 多源模式

  根據37169C的技術指標,在毫米波段儀器的內部源輸出功率最大為-3dBm,對于遠場測量,為了保證天線測試系統的動態范圍,必須提高發射端的功率電平,我們采用37169C加MG3694A合成信號發生器的系統配置方案。MG3694A是自動測試系統中理想的信號發生器,其大功率輸出保證了經過測試系統交換和電纜損耗之后,仍能保證有足夠的信號強度。精確的穩幅功率輸出,從-120dBm以0.01dB步進,可以實現接收機高靈敏度的測量。

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



  2 基于PMAC的開放式數控系統

   控制系統配置時需根據應用中的總線結構、電機類型、反饋元件等對PMAC進行擴展。

 我們研制的遠場測量系統是基于PMAC的開放式數控系統,與國內外同類產品比具有領先水平。數控系統以工業控制機為平臺,PMAC為控制器構成主從式雙微處理器結構。工控機負責采樣參數的設定、測試、數據的處理。PMAC控制轉臺的伺服運動,并在采樣的精確位置為網絡分析儀提供觸發脈沖。

  PMAC可編程多軸運動控制器是美國Delta Tau 公司研制的世界上功能最強大的運動控制器之一。它首先全面地開發了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速度,同時減小了系統誤差和滯后。另外,PMAC良好的軌跡特性,為高級伺服應用提供了準確性和平滑性,而其大寬帶輸入特性也為轉臺的快速精密運動提供了保障。軟件方面PMAC的開放結構,編程的靈活性以及后臺運行的PLC(Programable Logic Control)程序都為系統的開發提供了便利條件。


  其中包括從絕對編程器或激光干涉儀獲得反饋的I/O板,伺服驅動單元,伺服電機,雙端口存儲器等進而形成完整的數控系統。數控系統結構如圖3。


  工業控制機與矢量網絡分析儀之間的通訊由GPIB(General Purpose Interface Bus)總線完成。主機通過GPIB卡設置矢量網絡分析儀的頻率,信號源功率,激勵方式,中頻帶寬等測量參數。遠場測量時,網絡分析儀收到PMAC的觸發脈沖后立即進行幅相數據采集并將其存入緩沖區,隨后送到主機進行實時數據顯示。系統配置的AGP(Accelerated Graphics Port)雙端口顯示卡,可將桌面擴展到兩個顯示器。實現轉臺位置信息的實時監控??刂栖浖▽MAC和GPIB接口的控制,并由此實現轉臺的閉環控制,以及網絡分析儀的功能設定與采樣控制??刂栖浖墓δ苣K包括:系統初始化,PMAC參數設定,矢量網絡分析儀控制,文件管理,運動軸定位,遠場測試等功能。

  在定位控制和遠場掃描中不僅要對PMAC設置運動及采樣參數,而且需要對各軸的位置反饋信息進行實時處理,即實現上下位機間的實時通訊。軟件采用PCOMM32動態連接庫實現通訊。PCOMM32與GPIB驅動結構框圖見圖4。



  在驅動程序的外層開發人員可采用Visual Basic、C++、Delphi等可視化語言進行編程,并充分利用Windows豐富的GUI(Graphics User Interface)函數創建友好的人機界面。

  3 系統軟件包

  天線遠場測量系統是一套在計算機控制下的高精度自動測試設備。整個系統的正常工作依賴于系統軟件的支持。系統軟件包括在遠場測量方式下對被測天線及輔助天線各運動軸的驅動控制,通過GPIB接口對矢量網絡分析儀Anritsu 37169C的設定和控制,以及遠場信息的采集,存儲和天線輻射特性分析處理。全部軟件采用模塊結構,在WINDOWS界面下,通過窗體屏幕,菜單提示,簡單人機對話等方式為用戶提供極大的方便。系統具有連續波點頻測量、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。系統軟件包括測量和數據處理兩大功能,其它選項可以幫助用用戶分析和處理數據。

  (1) 測量部分由五個功能模塊組成:

掃描設定:本模塊允許用戶定義測試類型和待側天線的基本特性,該信息將作為自動測試參數;
多通道設置:本模塊由于自動產生通道選擇表,用戶可以選擇掃描速度;
掃頻測量設定:選擇掃頻測量頻率,生成頻率列表;
接收機控制:控制Anritsu 37169C矢量網絡分析儀和綜合頻率源。根據掃描方式設定儀器工作狀態;
定位功能:控制轉臺和極化器的精確確定和測量軌跡。

  (2) 數據處理部分

遠場方向圖參數分析:用戶可以輸入和改變遠場方向圖的顯示方式,并可對數據進行歸一化、平滑、移動、截斷等處理;
掃頻數據處理:實現多頻點數據的顯示、參數分析、比較和轉換;
數據比較、疊加、平滑功能;分析比較個通道方向圖的差別。分段平滑測試數據。
立體方向圖重構:根據E面和H面方向圖重構天線的空間立體方向圖。

4 測試實例

  根據圖1遠場測量系統配置,我們對某機載多通道天線進行了掃頻測量,測試通道數為3,極化狀態為1,頻率點數為11。一次掃描完成33個方向圖測量。因而整個測量時間約為2min。在保證近場測量精度的同時,與單通道單頻點遠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個頻率的遠場方向圖。圖6為中心頻率三個通道方向圖比較。


  5 結論

  毫米波多通道掃頻遠場測量系統是一套基于PMAC多軸運動控制器的高精度、多功能、自動化的測量設備。該系統集數據分析、圖像處理、系統控制等功能于一體,能方便快捷地完成天線遠場測量任務,是天線現代化測試技術的高度集成。系統采用Anritsu"閃電"37169C矢量網絡分析儀和MG3694微波合成信號發生器,在保證測量精度的同時,實現了多通道掃頻遠場測量,有效地降低了測量時間。系統滿足了毫米波遠場測試的高指標要求,與國外同類產品相比,具有良好的性能價格比和推廣應用價值。


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