（通信与信息系统专业论文）天线远场自动测量系统的开发与应用.pdf

苏州大学学位论文使用授权声明 本人完全了解苏州大学关于收集、保存和使用学位论文的规定， 即：学位论文著作权归属苏州大学。本学位论文电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。苏州大学有权向国家图书馆、中国社科院文献 信息情报中心、中国科学技术信息研究所( 含万方数据电子出版社) 、 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社送交本学位论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存和汇编学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索。 涉密论文口 本学位论文属 在年一月解密后适用本规定。 非涉密论文口 论文作者签名：签品 日 导师签名：互灶日 期：竺! 兰：堡 期：鲨丝! 墨! 鱼 天线远场自动测量系统的开发引证用中文摘要 天线远场自动测量系统的开发与应用 中文摘要 随着现代化科学技术的发展，天线自动测量技术的应用越来越广泛。同时，天线 高精度测量技术的研究也越来越受到关注。本文是本人参与的学校正在进行的高精度 测量系统研究中部分工作总结。 本文首先利用学校电子信息楼楼顶宽阔的场地条件，构建了天线远场测试平台， 并在利用设备供应商提供模板的基础上，开发出了基于g p i b 远程控制技术的自动测 试系统；接着，设计了两款不同的新型天线，一款是u w b 天线，一款是相位中心稳 定的g p s 天线，分别给出了两款天线的设计过程和实测结果，验证了测量平台的可 用性：最后，对相位中心的测量技术进行了初步的探索，为后续高精度的测试研究奠 定了基础。 论文共分六章。第一章和第二章介绍了天线自动测量系统的研究背景和意义、相 位中心的测量技术、天线理论基础及本文中用到的相关软件，为后面章节的研究工作 做准备。第三章主要介绍了系统的硬件设计，包括基于g p i b 的矢量网络分析仪控制 系统的设计和以m p 0 0 8 控制卡为核心的三维转台控制系统的设计；第四章介绍了系 统的软件开发，以v b 为平台，实现界面化编程。第五章首先设计了两款不同的天线： 一款是u w b 天线；另一款是相位中心稳定的g p s 天线。利用h f s s 仿真优化，并最 终制成实物，再用本文的测试平台进行测量，以验证系统的有效性与可靠性。接着对 天线相位中心的测量技术进行初步的研究。测量采用移动参考点的方法，结合 m a t l a b 处理数据，标定天线的相位中心。 本文成功地完成了天线自动远场测量系统的开发，此系统现已应用到实验室天线 的测量中，为以后高精度测试技术的研究打下了坚实的基础。 关键词：远场测量，v b ，u w b 天线，g p s 天线，天线相位中心 作者：李晶晶 指导老师：刘学观 i t h e d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o n s o fa n t e n n af a r - f i e l d a u t o m a t e dm e a s u r e m e n ts y s t e m a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h ea p p l i c a t i o n so fa u t o 。- m a t e dm e a s u r e m e n ta r em o r ea n dm o r ew i d e l y m e a n w h i l e ，t h er e s e a r c ho fh i g h - p r e c i s i o n m e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yi sp a i dm u c hm o r ea t t e n t i o nt o o t h i sa r t i c l ei st h es u m m a r yo f t h ew o r kt h a tt h ea u t h o rh a sd o n ei nt h es c h o o l so n g o i n gr e s e a r c ho nt h ep r e c i s i o nm e a s 。 u r e m e n ts y s t e m f i r s t l y , t a k i n ga d v a n t a g eo ft h eb r o a dr o o f so f e l e c t r o n i ci n f o r m a t i o nb u i l d i n g ，t h et e s t p l a t f o r mo fa n t e n n af a r - - f i e l di sb u i l t a n do nt h eb a s i so ft e m p l a t ep r o v i d e db yt h ee q u i p m e n ts u p p l i e r s ，t h ea u t o m a t i ct e s ts y s t e mi sd e v e l o p e dm a k i n gu s eo fg p i br e m o t ec o n t r o l t e c h n o l o g y t h e n ，t w od i f f e r e n tn e w - t y p ea n t e n n a sa r ed e s i g n e d ，o n ei s au w ba n t e n n a , a n o t h e ri sag p sa n t e n n aw i t hs t e a d yp h a s ec e n t e r t h ed e s i g np r o c e s sa n dm e a s u r e dr e 。 s u i t sa r eg i v e ni nt h i sp a p e r , w h i c hv e r i f y i n gt h ea v a i l a b i l i t yo ft h em e a s u r e m e n tp l a t f o r m f i n a l l y , t h ep a p e rp r e l i m i n a r i l ye x p l o r e st h em e a s u r e m e n tt e c h n i q u e so f t h ep h a s ec e n t e r a n dl a i dt h ef o u n d a t i o nf o rf o l l o w - u ph i g h - p r e c i s i o nt e s tr e s e a r c h t h ep a p e rc o n t a i n s6c h a p t e r s i nt h ef i r s ta n ds e c o n dc h a p t e r s ，r e s e a r c hb a c k g r o u n d a n du s e ds o f t w a r ea r ei n t r o d u c e d ，a n dt h e nt h eb a s i cp r i n c i p l eo fa n t e n n af a r - - f i e l dm e a s u r e m e n ts y s t e m si ss t a t e d ，l a y i n gt h eg r o u n dw o r ko ft h es t u d y t h e nt h et h i r dc h a p t e r s m a i n l yd e s c r i b e st h eh a r d w a r ei m p l e m e n t a t i o no ft h ea n t e n n a f a r - f i e l dm e a s u r e m e n ts y s 。 t e m , i n c l u d i n gt h ec o n t r o ls y s t e mo fv e c t o rn e t w o r ka n a l y z e rb a s e do ng p i b a n dt h ed e _ 。 s i g no ft h et h r e e - d i m e n s i o n a lr o t a t i n gm a c h i n ec o n t r o l l i n gs y s t e mi m p l e m e n t e db yt h e m p c 0 8c o n t r o lc a r d t h ed e s i g no fs y s t e m ss o f t w a r ei si n t r o d u c e di nt h ef o u r t hc h a p t e r v bi st h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r mo ft h es o f t w a r e ，i m p l e m e n t i n gt h ei n t e r f a c ep r o g r a m m i n g i nt h ef i f t hc h a p t e r s ，t w oa n t e n n a sa r ed e s i g n e df i r s t l yo n ei sau w ba n t e n n a , a n da n o t h e r i sag p sa n t e n n aw i t hs t e a d yp h a s e c e n t e r t h e ya r es i m u l a t e db yh f s ss o f t w a r ea n dp r o c - e s s c di n t op h y s i c a l t ov e r i f yt h ev a l i d i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m ，t h e ya r em e a s u r e d u s i n gt h em e a s u r e m e n tp l a t f o r m b u i l ti n t h i s p a p e r t h e nt h em e a s u r e m e n tt e c h - n i q u eo ft h ea n t e n n ap h a s ec e n t e ri ss t u d i e d t h em e a s u r e m e mu s e dt h ef u n c t i o no fm o v i n g r e f e r e n c ep o i n ta n dt h ed a t ai sp r o c e s s e dw i t ht h eh e l po fm a t l a bs o f t w a r e 1 1 a ea n t e n n af a r - f i e l da u t o m a t e dm e a s u r e m e ms y s t e mi sc o m p l e t e ds u c c e s s f u l l yi n t h i sp a p e r a n dt h es y s t e mh a sb e e na p p l i e dt ot h ea n t e n n am e a s u r e m e n to fo u r l a b o r a t o r y , l a y i n gas o l i df o u n d a t i o nf o rf u t u r eh i g h - p r e c i s i o nt e s tt e c h n o l o g y k e yw o r d s ：f a r - - f i e l dm e a s u r e m e ms y s t e m ，v b ，t h eu w ba n t e n n a , g p sa n t e n n a , t h ea n t e r m ap h a s ec e n t e r i n w r i t t e n b y ：l ij i n g j i n g s u p e r v i s e db y ：l i ux u e g u a n 目录 第一章绪论3 1 1 天线自动测量系统的研究背景及意义3 1 。2 天线相位中心及其测量技术3 1 3 天线的理论基础3 1 4 系统开发和天线设计相关软件。3 1 5 论文的主要内容与结构安排3 第二章天线远场测量的基本理论3 2 1 天线周边场区的分类3 2 2 高架天线测量场地的设计3 2 3 天线方向图的测量原理3 2 4 本章小结3 第三章 天线远场自动测量系统的硬件设计3 3 1 天线自动远场测量系统的组成3 3 2 矢量网络分析仪控制系统的设计3 3 2 1g p i b 总线标准与s c p i 命令3 3 2 2 矢量网络分析仪3 3 2 3u s b 电p i b 转换接口3 3 3 三维转台控制系统的设计3 3 3 1m p c 0 8 控带0 卡3 3 3 ，2 控制系统的驱动器和电机3 3 4 本章小结3 第四章 天线远场自动测量系统的软件开发一3 4 1 基本参数设置模块3 4 1 1 矢量网络分析仪的基本参数设置3 4 1 2 三维转台基本参数设置3 4 2 开始测量模块3 4 3 三维转台控制模块3 4 4 其他模块一3 4 4 1 系统主界面模块3 4 4 2 显示设置模块3 4 4 3 数据保存模块一3 4 4 4 退出系统模块一3 4 5 天线测量的方法和步骤3 4 6 本章小结3 第五章天线设计及相位中心测量技术的研究3 5 1 共面波导馈电具有带陷结构的u w b 天线的设计：3 5 1 1 天线的分析与设计3 5 1 2 结果的分析与比较3 5 2 一款相位中心稳定的g p s 天线的设计3 5 2 1 天线的结构设计3 5 2 2 馈电网络结构设计3 5 2 3 实验结果分析3 5 3 天线相位中心的测量3 5 3 1 利用相位方向图测量天线的相位中心的原理3 5 3 2 天线相位中心标定的步骤。3 5 3 3 一款喇叭天线相位中心的测量3 5 4 本章小结3 第六章结论与展望3 6 1 本论文的主要工作3 6 2 未来工作展望3 参考文献3 攻读学位期间公开发表的论文3 致谢3 天线远场自动测量系统的开发j 应用 第一章绪论 第一章绪论 本章首先阐述了天线自动测量系统的研究背景和意义；然后介绍了天线相位中 心及测量技术；接着是天线的理论基础：又简要介绍了天线自动远场测量系统开发及 天线设计中用到的相关软件；最后给出了论文的主要内容和结构安排。 1 1 天线自动测量系统的研究背景及意义 天线是无线电系统的重要组成部分，它的基本功能是辐射和接收电磁波。自1 9 世纪后期德国物理学家赫兹( 1 8 5 7 1 8 9 4 ) 的电磁波收发实验起，经过一个多世纪的 发展，天线种类得到了极大的丰富，其性能也不断有新的突破。要想研究天线，必须 获得它的特性参数。但是单靠解析方法和数值算法仅能给出其理论模型的结果，并不 能精确地分析和模拟复杂的天线结构以及实际环境对它们的影响，还需要通过实验测 量来检验和修正理论模型。因此，天线的设计和天线测量技术在天线的发展过程中是 相辅相成相互促进的【l 】。天线的测量最早在1 9 0 5 年出现，一般是在被测天线的接收 模式下测量，测量的前提是该天线是互易的，即该天线的接收和发射具有相同的参数。 天线测试场是测量天线或鉴定天线的场所，天线测试场可以分为室内远场，室外远场， 室内近场( 平面，柱面，球面) ，室内紧缩场。天线测量方法包括远场法和近场法。到 目前为止，远场测量方法已有4 0 多年的历史，它是一种常规的测量方法，优点就是 直观、实时，大家很容易接受。而近场测量指的是在小于最小远场距离内，用解析方 法将近场测量数据转换为远场辐射参量来求得天线远场特性的测量【3 叫。 随着现代化科学技术的发展，天线的自动测量技术应用越来越广泛。利用计算机 的程序控制和卓越的计算机能力来代替人的部分脑力劳动，具有快速、多功能、操作 简便和智能化等一系列优点。目前，国内外对天线自动测量技术的研究也越来越多。 美国科学亚特兰大( s c i e n t i f i ca t l a n t a 简写s a ) 公司生产的天线自动测量系统由2 0 世纪7 0 年代的2 0 2 0 系列到2 0 世纪9 0 年代的2 0 9 5 系列，其性能指标在不断提高， 功能在进一步增强。2 0 0 0 系列的功能已经非常的强大，以一台计算机为中心，控制 着各种功能的外围设备，能在0 1 g h z 。9 0 g h z 的频带内自动完成天线的远场或者近场 i 第一章绪论 天线远场自动测量系统的开发与应用 的测量任纠2 】。现在国内的很多研究机构、大学和公司也拥有了自己的自动测量场。 本文结合实验室建设的需要，充分利用实验室现有的仪器和设备构建了一套自动程度 较高的天线远场测量系统。该系统操作方便、测量参数较为齐全，目前已经在实验室 的天线测试中得到了应用，并且能够满足基本测试要求。 1 2 天线相位中心及其测量技术 历年来，对天线的研究重点都在改善带宽、提高增益上，而对天线相位中心的研 究甚少。但是随着通信、雷达、人造卫星和宇航技术的发展，对天线的跟踪、定位精 确度要求越来越高，单靠幅度波束来搜索定位已不能满足要求，必须以天线的相位中 心为基准进行精确定位或测量闭。所以，目前对天线相位中心精度研究的关注度越来 越高。 对天线而言，若它的辐射场分量可等效的认为由一个点向外辐射，这个点就被称 为天线的相位中心点。只有理想天线才有唯一的相位中心，绝大部分天线在整个波束 空间并没有唯一的相位中心，只是在主瓣一定的范围内相位保持相对恒定，叫做“视 在相位中心 。对于大多数天线来说，对所有方向都适用的相位中心实际上并不存在， 在不同方位角的平面内，天线的相位中心将位于不同的点上，同时，在一个方位角的 平面内，不同仰角范围对应的相位中心也不在同一点上，这种现象称为天线的相散 1 6 1 。天线的相位中心稳定度是表征天线各个切面相位中心离散程度的量，是包含天线 各个切面相位中心点球体的最小半径。天线相位中心的稳定度与天线的形式和馈电方 式相关，一般来说，天线的对称性越好，馈电点数目越多，馈电点越对称，其相位中 心的稳定度越高。本文中设计的g p s 天线就采用多馈电点的方式实现了相位中心的 稳定性。而对天线相位中心进行测量，是建立在天线相位方向图测量的基础上【1 7 2 。 一般是测量多个切面的相位方向图，得到不同方位角和俯仰角的相位变化曲线，之后 再对天线的相位中心点的位置进行全方位的解算，进而对其校准。有的天线可能在不 同截面有不同的相位中心，而且它们可能是不重合的，因此测量的相位中心一般就是 指在某个截面上的相位中心。 2 天线远场自动测量系统的开发j 心用第一章绪论 1 3 天线的理论基础1 , 2 , 8 1 天线就是指用来辐射和接收无线电波的装置。天线的电参数就是能定量的表征其 能量转化和定向辐射能力的量。天线的电参数主要是有方向图、输入阻抗和驻波比、 频带宽度、增益系数、天线效率、有效长度、极化特性等【7 】。以下做一些说明： 1 天线的方向图 天线方向图指是在天线一定距离处，随方向的变化，辐射场的相对场强( 归一化 模值) 随之变化的曲线图，一般用与场矢量相平行的两个平面来表示，即e 平面和h 平面。 2 输入阻抗与驻波比 要使天线具有高的辐射效率，天线和馈线必须良好地匹配，即只有当天线的输入 阻抗等于传输线的特性阻抗时，才能使天线获得最大功率。如图l l 所示。 图卜l 天线与馈线的匹配 3 频带宽度 当工作频率变化时，天线的有关电参数如( 主瓣宽度、旁瓣电平、增益、输入阻 抗和极化特性等) 不超出规定的频率范围，称为频带宽度，简称为带宽。天线的带宽 的表示方法有两种：一种是绝对带宽，它是指天线能实际工作的频率范围，即高端频 率与低端频率之差；另一种是相对带宽，它是绝对带宽与中心频率之比的百分数。即 f ：f m a x - f m i n ( 1 1 ) f o 4 增益系数 3 第一章绪论 天线远场自动测量系统的开发。j 应用 增益系数是综合衡量天线能量转换和方向特性的参数，它是方向系数与天线效率 的乘积，用g 表示，即 g = d r ( 卜2 ) 5 天线效率 天线效率玑描述了天线将输入端功率转化为辐射功率的能力，是衡量天线性能 的重要指标之一，它的定义是天线功率与输入功率之比： ，7 ：墨：土( 1 - 3 ) - 2 玑2 盲2i 酉 式中，只是输入功率，而毋代表欧姆损耗，罡是辐射功率。 6 有效长度 天线的有效长度为在保持天线最大辐射方向上的场强值不变的情况下，假设天线 上电流分布时均匀分布时天线的等效长度。它是衡量天线辐射能力的又一个重要指 标。 7 极化 天线极化是描述天线辐射电磁波场矢量空间指向的参数。一般情况下，都是采用 电场矢量的空间指向作为天线辐射电磁波的极化方向。电场矢量在空间的取向固定不 变的电磁波叫做线极化；当电场矢量取向随时间变化，其矢量端点在垂直于传播方向 的平面内描绘的是一个圆，就称为圆极化；描绘的轨迹是一个椭圆，就称为椭圆极化。 在天线的设计中要考虑到多项技术指标，因此为了达到设计要求，一般采取折中 的办法来设计天线。 1 4 系统开发和天线设计相关软件 本文主要用到了v i s u a lb a s i c 6 0 、h f s s 、m a t l a b 这三款软件。天线自动远场 测量系统以v i s u a lb a s i c 6 0 为平台进行开发设计：h f s s 软件用于天线的仿真： m a t l a b 主要用于在计算天线相位中心时的数据处理。 1 9 9 1 年微软公司推出了颠覆传统开发方式的革命性i d e ：v i s u a lb a s i c l 0 。之后 4 天线远场自动澳4 量系统的开发引赶用 第一章鳍论 几年，微软又推出了很多新的版本。v i s u a lb a s i c 6 o 【9 1 是基于w i n d o w s 环境的一种面 向对象的可视化的程序开发环境。因其易学易用、功能强大、开发高效的特点得到了 广泛的应用。v b 的程序是一种以窗体为基础的可视化组件安排的联合，组件的属性 和方法已经有一部分进行了定义，因此程序员在开发比较简单的程序只需写相对较少 的代码即可i 。 a n s o t fh f s s 是a n s o f f 公司推出的基于电磁场有限元方法( f e m ) 的分析微波工 程问题的三维电磁仿真软件，它可以对任意的三维模型进行全波分析求解【】。h f s s 提供了准确强大的场解器、简洁直观的用户设计界面、具备良好电性能计算能 力的后处理器。另外，h f s s 软件还具备强大设计天线的功能。先进的材料类型， 求解技术及边界条件，快速的仿真速度，简洁方便的操作界面，无可比拟的仿真精度 和可靠性，成熟稳定的自适应网格剖分技术使h f s s 成为了设计高频结构时的首选软 件。 m a t l a b 具有强大的数值计算能力，而且提供了丰富的内置函数，在控制系统、 信息处理和分析、科学计算、仿真和设计工作中被广泛地应用。m a t l a b 的基本数 据单位是矩阵，它的指令表达式与数学，工程中常用的形式十分相似，故用它来解算 问题要比用c 、f o r t r a n 等语言简捷得多。它具有很多的优点：1 非常友好的编程 环境，操作也更加简单快捷；2 程序语言简单易用；3 强大的处理数据能力；4 突 出的处理图形的能力，具有数据可视化的功能，新版本的m a t l a b 在图形用户 界面( g u i ) 方面也有很多修改；5 强大的模块工具箱，用户可以直接使用，无 需自己编写代码【1 2 。 1 5 论文的主要内容与结构安排 本文利用学校电子信息楼楼顶宽阔的场地条件，构建了天线远场测试平台，并在 设备供应商提供模板的基础上，开发出了基于g p i b 远程控制技术的自动测试系统。 此系统的硬件构成主要包括基于g p i b 的矢量网络分析仪控制系统和以m p 0 0 8 控制 卡为核心的三维转台控制系统：软件方面，以v b 为平台进行系统各个功能模块的开 发，主要包括基本参数设置、开始测量、转台控制、数据保存等模块。最后，该系统 5 第一章绪论 天线远场自动测量系统的开发与应用 实现了天线方向图的自动测量的功能。然后为了验证系统的有效性和实用性，用h f s s 软件仿真了两款天线，并加工制作成实物。一款是共面波导馈电的具有带陷结构的 u w b 天线；另一款是相位中心稳定的g p s 天线。利用此系统测量天线的方向图，实测 结果和仿真结果基本一致，验证了此系统的可行性和实用性。又将此系统应用到对天 线相位中心测量技术的研究和分析中，基于移动参考点的方法，结合m a t l a b 处理数 据，标定天线的相位中心，为以后高精度测试技术的研究打下了坚实的基础。 本文具体内容如下： 第一章为绪论，阐述了天线远场测量系统的研究背景和意义，对天线相位中心及 其测量方法进行了简单介绍，然后介绍了天线的理论基础，最后简要地说明了本文中 用到的几款软件。 第二章介绍了天线远场测量技术的基本理论知识，为后续章节作充分的理论铺 垫。 第三章首先介绍了天线自动远场测量系统组成及各个组成部分的功能。然后介绍 了其硬件设计部分，主要包括基于g p i b 的矢量网络分析仪控制系统设计和以m p c 0 8 运动控制卡为核心的三维转台控制系统设计。 第四章介绍了天线自动远场测量系统的软件开发部分，包括矢量网络分析仪和三 维转台的基本参数设置、开始测量、三维转台运动控制、数据保存等几大模块控制界 面的程序设计流程及各个界面的功能等。之后介绍了用此系统实测一款八木天线方向 图测量的步骤及方法。 第五章设计了两款新型天线，分别是具有带陷结构的共面波导馈电的u w b 天线 和相位中心稳定的g p s 天线，并加工成实物，利用本文的测量系统对这两款天线进 行性能测量。然后在本系统的基础上，由对天线相位中心的标定技术进行了一些初步 的研究，为后续高精度的测试研究奠定了基础。 第六章为总结与展望，总结了全文的工作，提出了对后续工作的改进。 6 天线远场自动测量系统的开发j - j i , x z 用第一二章天线远场测量的摹奉理论 第二章天线远场测量的基本理论 天线测量技术经过几十年的发展，经历了由远场测量到近场测量，由室外场地到 微波暗室，由人工操作到自动测量的发展过程。尽管天线远场测试技术受到严峻挑战， 但由于他较快的测试速度、较高的测量精度、操作简单等特点，如果具备符合条件的 测试场地时，它仍然是一种实用方便的测试方法1 1 3 】。 2 1 天线周边场区的分类【1 4 1 天线的功能是实现能量转换，可以用于实现导行波和空间辐射波之间的相互转 换。所以，发射天线就可以看成是用来辐射电磁波的波源，周边分布的场强通常都是 角坐标及距天线距离的函数。一般依据距天线距离的不同，将天线周边的场区分为辐 射远场区、辐射近场区和感应场区。 1 辐射远场区 这个区域里的主要特点包括：场的大小和离天线的距离是成反比的，但是场的 相对角分布和其无关；方向图的零值点、主瓣和副瓣已经全部形成。这个区域是进 行天线测试的非常重要的场区，天线辐射特性所包括各参数的测量都在此内进行。 2 辐射近场区 此区内方向图和离天线的远近相关，因为：天线各辐射源建立的场的相对关系 随距离的改变而变化；这些场的相对振幅也与距离相关，在此区域内边界的位置， 天线方向图主瓣和副瓣难以区分。随着距天线距离的不断增加，到接近远场辐射区时， 天线方向图的就会形成明显的主瓣和副瓣，但副瓣电平和零点电平都很高。 3 感应场区 感应场区是指的是很靠近天线的区域。在这个场区里，占优势的感应场的电场和 磁场的时间相位差是9 0 0 ，波印亭矢量是纯虚数，因此并不会辐射功率，电场能量及 磁场能量相互交替地存储在天线附近的空间内。如图2 一l ( a ) 中电尺寸小的偶极天 线，它的感应场区的外边界为2 1 2 ，r 。感应场会随着离开天线距离的增加而极快衰减， 超过感应场区为辐射场占优势的辐射场区，辐射场区又可以划分为近场区和远场区两 部分，如图图2 1 ( b ) 所示。 7 第二章天线远场测量的基本理论天线远场自动测量系统的开发与应用 ( a ) 电小天线( b ) 孔径天线 图2 1 天线周围的场区 2 2 高架天线测量场地的设计1 5 】 高架天线测试场是指为避免地面反射波引起的影响，把收发天线架设在水泥塔上 或者相邻的高大建筑物项上的测试场。测试场基本形式如下： 使用锐方向形式的发射天线，使其垂直于面方向图的第一个零点与测试场偏离， 指到待测天线方向塔的底部位置，如图2 一所示。 图2 2 零点偏离地面的高架测试 假定发射天线的架设高度为h ，所张开平面角为： = 口心丢妥( 尺殄) 设主瓣波束宽度是2 0 0 ，如果要有效地抑制对面反射，就应该使 8 工 九 一 一r卜 天线远场自动测量系统的开发j 心用第_ 二帝天线远场测量的基奉理论 岛或岛告 ( 2 - 1 ) 若发射天线的方向函数为s i n x x 的，主瓣零值宽度为 2 0 0 了2 2 ( 2 2 ) 把式( 2 黼入式( 2 2 ) 并取尺= 等，得 h r d 2 d 2 ( 2 3 ) 再由0 2 5 d b 的锥削幅度准则有 d 0 5 d ( 2 4 ) 把式( 2 - 3 ) 和( 2 0 ) 组合起来可得 0 5 d h ，h r d 2 d 2 ( 2 5 ) 因此，为了同时达到有效抑制地面反射的准则、幅度和相位的要求，显然 以蒜 协6 ) 2 3 天线方向图的测量原理 天线方向图，是指在离天线一定距离处，辐射场的相对场强( 归一化模值) 随方 向变化的图形，通常采用通过天线最大辐射方向上的两个相互垂直的平面方向图来表 示。在实验室条件和小型天线的测量中，一般采用的是旋转天线的方法进行测量。依 据天线的互易性原理，天线既可用做发射天线，也可用做接收天线。旋转天线法是待 测天线绕自己的轴旋转而辅助天线不动。旋转天线法相对而言既灵活又简单，是天线 方向图测量中使用较多的一种方法。如错误l 未找到引用源。所示为辅助天线作为发 射天线，待测天线作为接收天线测量装置原理方框图。 9 第一二章天线远场澳i j _ 量的基本理论 天线远场自动测量系统的开发j 应用 辅助天线 图2 3 待测天线作为接收天线时测量装置方框图 测试水平面上的方向图时，可让待测天线在水平面内进行旋转，记录天线在不同 方位角的位置上对应响应的场强，在选取的坐标系中描绘方向图曲线，当对垂直面的 方向图测量时，可在垂直平面内旋转待测天线，记录俯仰角不同时的相应的场强响应。 旋转方向一般选择磁场强度矢量和电场强度矢量分别所在并包含最大辐射方向的h 面和e 面。安装在待测天线上的场强计读取出天线在不同的转动角度上的功率或场强 值大小。表2 1 是天线方向图测量中天线转过角度与接收信号强度的关系。 表2 一l 天线转过角度与接收信号强度的关系 转角 秒2 p3 p4 秒n p 场强 p ie 2p 3气e n 天线方向图绘制可以选择极坐标系，也可选择直角坐标系。一般来讲，绘制的方 同图都是进行过归一化处理的，如： 一e i - - 面丽b 式中，虿为相对场强值，q 为任一个方向的场强值。 2 4 本章小结 本章主要介绍了天线远场测量的基本理论，分别介绍了天线周围的场区划分，高 架天线测试场地的设计，天线方向图的测量原理，为后续章节的分析研究奠定理论基 础。 l o 天线远场臼动测量系统的开发j 应用_第三章天线远场自动测量系统的硬件设计 第三章天线远场自动测量系统的硬件设计 本章首先介绍了天线自动远场测量系统的组成框图，然后介绍了系统的硬件设计 及组成，主要包括两大块：分别为矢量网络分析仪控制系统的设计及三维转台控制系 统的设计：最后是本章小结。 3 1 天线自动远场测量系统的组成 本文中的天线自动远场测量系统采用的是高架天线测试场的设计形式，整个系统 的组成框图如图3 一l 所示。 发射天线接收天线 图3 1 天线自动远场测量系统的组成框图 该系统的组成包括：矢量网络分析仪、m p c 0 8 运动控制卡、三维转台、极化转 台、p c 机、u s b g p i b 转换接口、低噪声放大器、收发天线和连接电缆。整个测量 系统的核心设备是矢量网络分析仪，它用于完成信号的输出和采样。m p c 0 8 运动控 制卡是基于p c 机p c i 总线的用于控制步进电机的单元，它可以完成所有运动的全部 细节，包括输出方向、脉冲信号、处理升降速、检测限位和原点信号等。三维转台承 载被测天线，由上方位、俯仰位、下方位三个轴叠加而成，三个轴的运动由计算机程 序分别控制。极化转台用于安装发射天线，可作极化转动，一般以水平方向为参考位 l l 箜三童丞线自动远场测量系统的硬件落计天线远场自动测量系统的开发与应用 置控制发射天线的极化方向。测量时，通过p c 机完成各种测量参数的设置，对转台 运动的角度进行控制并同步对矢网输出的数据进行采样，实时显示图像和保存结果。 u s b g p i b 转换接口用于连接p c 机和矢量网络分析仪。低噪声放大器的工作频率为 1 。6 g h z ，增益芝2 0 d b ，作用就是将微弱的信号进行放大。 测量系统的设计采用高架天线测试场的形式，利用旋转天线法，在电子信息楼两 一 间相对的实验室的楼顶分别架设收发天线，两个天线的架设高度相同，h 2 m ，满足 架设高度条件h 4 d ( 式2 - 6 ) ，测试距离r 2 5 m ，远场测试场的示意图如图3 3 所示， 由( a ) 和( b ) 看出，我校的实验场地借助南楼和北楼之间宽阔的场地，无需像普通的测 试场地一样通过增加吸波材料，即可达到减少地面反射的目的。实物图如图3 3 所示， 可以看出测试场的明显优势。 接 天 ( a ) 我校的测试场地( b ) 普通的测试场地 图3 2 远场测试场示意图 r 幻 1 2 射 线 天线远场自动测量系统的开发与应用第三章天线远场自动测量系统的硬件设计 ( c ) ( a ) 全景图( b ) 发射转台( c ) 接收转台 图3 3 远场测试场实物图 3 2 矢量网络分析仪控制系统的设计 3 2 1g p i b 总线标准与s c p i 命令 t 6 , 2 2 - 2 s 1 智能仪器一般都设置通信接口，以便能够实现程控，方便用户构成自动测试系 统。g p i b 即通用接口总线( g e n e r a lp u r p o s ei n t e r f a c eb u s ) ，是国际通用的仪器接口标 准。目前生产的智能仪器几乎都配有g p i b 标准接口，基本特性有： ( 1 ) 可以用一条总线连接若干台装置，以组成一个自动测试系统。 ( 2 ) 采用串行字节( 位组) 、并行比特( 位) 、双向异步传输的数据传输方式，最大 的传输速率不能超过l l v l b s 。 ( 3 ) 在总线上传输的消息采用负逻辑，逻辑咿为高电平，逻辑“1 ”为低电平。 ( 4 ) 地址容量。单字节地址为3 1 个；双字节地址为9 6 1 个； ( 5 ) 通常应用在电气干扰比较轻的实验室或生产现场。 s c p i ( s t a n d a r dc o m m a n d sf o rp r o g r a m m a b l ei n s t r u m e n t s ) 是一种用来控制仪 器的新的仪器命令语言。它对仪器到控制器和控制器到仪器之间信息交换层信息的内 容和构造作了规定，用于可编程仪器系统，可以与i e e e 4 8 8 1 、v x i 总线、r s - 2 3 2 c 等控制仪器接口一起使用。s c p i 与之前的仪器语言的不同点，在于命令描述的是正 在试图测量的信号，而不是正在用于测量信号的仪器。s c p i 命令是一种“活”的标准， 为满足新技术和新仪器发展的需要，可以不断对它增加新命令。它由三部分内容组成： 第一部分“语法和样式”描述实际语言的应用及发展维护的基本原理；第二部分“命令 1 3 第三章天线自动远场测量系统的硬件设计 天线远场自动测量系统的开发j 应用 结构”描述在仪器中出现的实际语言结构；第三部分“数据交换格式”描述一种在仪器 与应用之间、应用与应用之间或仪器与仪器之间可以使用的数据集的标准表示方法。 标准中的命令前缀也如图3 4 所示，s c p i 的命令不区分大小写。 澳啦强数 一器一i n p u t 一一伽一一 辛 m 呦 上t 一显一一卜一一一一 信号发生 图3 4s c p i 标准中的统一仪器模型 另外还应当区分命令与设备响应，命令是由控制器发送给仪器的消息，而设备响 应是相反方向传送的消息。编程中要区分下列过程， 1 设备命令，修改仪器的设置。比如，仪器可以通过“掌r s r r 命令重置或者使用 “s e n s ：b w i d1 0 k h z 命令选择特定的测量带宽。 2 查询输出数据。例如通过“c a l c ：m a r k i ：y ? ”命令可以查询一个标记。仪 器的响应由控制计算机通过读取过程获得；比如，测试仪器对 “s e n s e ：b w d ? ”的响应是当前的测量带宽值。 3 。错误处理通过查询命令影响专用状态寄存器。 总之，用s c p i 编写的程序不仅更可读，而且更加直观。s c p i 这一标准命令不仅 实现了参数格式的统一性，助记符的一致性以及功能扩展战略和执行方式的一致性： 而且缩短了测量软件开发的时间，使仪器的互换更加容易实现。 3 2 2 矢量网络分析仪1 2 2 1 网络分析仪是以极高的精度和效率进行电路( 网络) 分析的仪器。在测量射频元 件和设备的线性特性方面应用十分的广泛。本测量系统中使用的是由罗德与施瓦茨公 1 4 萨 ，脚 一 一 - 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 一 l r上t 天线远场自动测量系统的开鸳j 应用 第三章天线远场自动测量系统的碘件设计 司生产的基于外差式原理的矢量网络分析仪r & s z v l l 3 。首先，网络分析仪产生一 个正弦测试信号输入被测器件( d e v i c eu n d e rt e s t ，d u t ) 作为激励( 例如a 1 ) 。对于 线性被测器件，分析仪测量同为正弦信号的被测器件响应( 例如b 2 ) 。波量通常用于 描述射频电路，包括入射波和反射波。下图3 5 展示了波量a 。和b ：的例子。它们的 幅度和相位通常都不相同；参数s 。展示了它们之间的差值。矢量网分仪即可以测量 各波量的幅度，又可以测量各波量的相位，并通过这些测得数值计算出复s 参数。s 参数的模