（通信与信息系统专业论文）线天线方向图自动测量系统设计.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 天线是无线通信系统辐射和接收无线电波的重要前端器件，其性能的优劣直接影响 到无线通信系统的工作性能。天线的性能由一些表征其工作特性的电参数决定，如天线 的增益、极化和匹配程度等。为了解和掌握天线的特性，最初的方法就是通过理论计算 求得这些参数。但是由于理论计算时存在很多近似和理想化处理，使得理论分析与实际 结果之间总是存在一定的差异。为此，天线设计好后，就要进行实际测量，以确定天线 实际参数。在天线实际测量过程中，对方向图的测量占据了最为重要的地位。通过测量 天线方向图，即可计算出天线的半功率角、主瓣宽度、旁瓣电平值等特征参数，从而更 好地分析天线性能。 根据天线方向图测量原理和自动控制技术的特点，本文着眼实验室研究、教学实践 活动和小型天线工程测量的需要，以线天线作为研究对象，将自动控制技术和虚拟仪器 工程平台( l a b v i e w ) 引入到天线方向图测量当中，从硬件和软件两方面设计实现了天 线方向图的自动测量系统，并进行了实际测试。 在硬件设计方面，以c 8 0 5 1 f 3 4 0 集成芯片为核心，设计了步进电机驱动电路、转台 归零电路和控制模式切换电路，利用c c l 0 0 0 超高频单片机收发i c 组成的无线信号收 发电路实现了无线信号的发射与接收，通过c 8 0 5 1 f 3 4 0 单片机集成的a d 转换功能，将 信号进行模数转换，并通过u s b 接口与上位机组成了一个完整的硬件系统。 在软件开发方面，充分利用l a b v i e w 软件平台强大的仪器控制、数据处理和图形 显示功能，编写了上位机用户操作界面，单片机控制程序采用c 8 0 5 l f 系列单片机专用 程序开发环境s i l i c o nl a b o r a t o r i s ei d e 编写，主要包括步进电机控制程序、转台归零程 序、a d 转换程序、u s b 通信程序和无线信号收发程序，并依托v c 编程语言编写了无 线信号发射模块的上位机辅助程序。 从实验结果来看，该系统能够实现转台的自动控制，数据的自动读取，方向图的自 动绘制和参数的自动计算，测试平台搭建方便，便于展开实际测量，很大程度上减少了 人为因素造成的误差，提高了测量精度。 关键词：线天线；天线方向图；天线测量；自动测量系统 大连理工大学硕士学位论文 t h ea u t o m a t i cm e a s u r i n gs y s t e md e s i g no fa e r i a lr a d i a t i o np a t t e m a bs t r a c t i nt h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，t h ea n t e n n ai sa ni m p o r t 锄t 矗d n t e n dd e v i c et o m d i a t ea 1 1 dr e c e i v et 1 1 er a d i ow a v e s i t sc a p a b i l i 锣i sm a i 址yp r e s e n t e di 1 1s o m ee l e c t r i c a l p a i 锄n e t e r s ，s u c ha s 锄t e n n ap a ：t t e m ，觚t e i l i l ap l u s ，b a i l d w i d t ha n ds oo n i no r d e rt 0u n d e r s t a l l d a i l dm a s t e r 也ec h 2 u r a c t e r i s t i c so fa n t e 皿钆t h ei 1 1 i t i a lm e t h o di st h r o u 曲t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n m e t l l o di so b t a i n e d b u tb e c a u s et h e r ea r em a i l ya p p r o x i m a t et 1 1 e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ，b u tt h e r e i sa l w a y ss o m ed i 仃e r e n c e sb e t 、v e e nt h e o r e t i c a la i l a 】y s i sa i l dp r a c t i c a lr e s u l t s f o rt h i sr e a u s o n o m yb yp r a c t i c a lm e a s u r ec a nt e l lt h e 仃u t h t h em e a s u r eo fc o n v e n t i o n a la n t e r u l ai sm a i n l y m e a s u r et h ea n t e 彻ap a t t e m t h r o u g hm e a s u r i n g 觚t e 衄ad i r e c t i o n ，w ec a l lc a l c u l a t et 1 1 e h p b w ，b w f n s l la n ds oo n a c c o r d i n g t ot h en e e do f t l l e1 a br e s e a r c ha 1 1 da n t e 肌ae n g i n e e r i n g s u r v e y ，t h i sp a p e rb a s e d o nl a b o r a t o 巧r e s e a r c h ，t e a c h i n gp r a c t i c e 锄ds m a l la 1 1 t e i l l l ae n g i n e e r i n g s u r v e y ，i i la n t e r u l aa s t h er e s e a r c ho b j e c t ，t op u l la u t o m a t i c a l l yc o n t r o lt e c l l i l o l o g ya 1 1 dv i r t u a l i n s 咖e n te n g i n e e r i n g p l a t f o mi n t ot 1 1 ea n t e n n am e a s u r e m e n t s f r o mt w oa s p e c t so fh a r d w a r ea n ds o r 、v a r ed e s i g no f 协ea n t e l l l l aa u t o m a t i cm e a s u r e m e n ts y s t e m ，a i l dt h ea c t u a l t e s t t h ew h o l eh a r d w a r ew h o s e 肌c l e l l si s i n t e g r a t e dc h i p c 8 0 5lf 3 4 0i n c l u d e ss t e p p e r m o t o r 鲥v i n gc i r c u i t ，r e t 啪- z e r oc i r c u i t ，a 1 1 dc o n t r o l l i n gm o d es 、v i t c h i n gc i r c u i t i t 仃乏m s m i t s a 1 1 dr e c e i v e sw i r e l e s ss i g n a l su s i n gt r a n s c e i v e rc i r c u i tc o n s i s to fs c mc c10 0 0 ，a n dr e a l i z e s a d c 恤o u g hc 8 0 51f 3 4 0h o l d i n gm ef h c t i o no fa 7 d a sf o rs o f h a r e ，w eu s el a b v i e ws o 觚a r ew h i c hh o l d sp o w e r f h l 胁c t i o n si n c l u d i n g i n s t n 肛n e n tc o n t r o l ，d a t a - p r o c e s s i n ga i l d 伊印h i cd e m o n s t r a t i o n ，t od e s i g nau s e ri n t e a c ei nt h e h o s tc o m p u t e r w eu s es i l i c o nl a b o r a t o r i s ei d et od e v e l o pt h ec o n t r o l p r o g 瑚f i l ，w h i c hm a i n l y i i l c l u d e s c o n t r o l l i n gs t e p p e rm o t o r ， r e t u m i n g z e r o ，a d ， c o m m u m c a t i o no fu s ba 1 1 d 咖l s m i t t i n ga i l dr e c e i v i n g 埘r e l e s s a tt h es 锄et i m e ，w ed e v e l o pa s s i s t a i l t h o s tc o m p u t e r p m g r 锄o ft r a n s m i t t i i l gw i r e l e s ss i g n a l sv i av cl a n g u a g e f r o mm ee x p 嘶m e n tr e s u l t s ，t m ss y s t e mc a i lr e a l i z et h ea u t o m a t i cc o n t r o lo fr o t a r yt a b l e ， a u t o m a t i cd a _ t aa c q u i s i t i o n ，a u t o m a t i cd r a wo fa 1 1 t e 衄ap a _ t t e ma n da u t o m a t i cp a r a m e t e r s c o m p u t a t i o n ，w h i c hg r e a t l yd e c r e a s et l l e e 1 1 r o rh 啪a 1 1f a c t o r s c a u s e d ， a n di m p r o v et 1 1 e m e a s u 订n ga c c u r a c y k e yw o r d s ：a n t e 衄a ；a e r i a lr a d i a t i o np a n e m ；a n t e l l i l am e a s u r e m e n t s ；a u t o m a t i c m e a s u n n gs y s t e m 一i l i 大连理工人学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：丛圣缉塑塑圣鲨塑j 塾至! 垫墨兰互 作者签名： 出：馥z 抽日期：丑年竺月j 生日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1天线及其测量技术的发展概况 天线( 锄t e 肌嬲) 一词最早起源于动物，代指动物、昆虫、禽鸟等的触觉器官【。1 8 7 3 年麦克斯韦从理论上提出了电磁波的存在后，天线就被赋予了连接无线通信系统和外部 空间的新涵义。 天线是构成无线通信系统的重要前端器件，其基本功能是辐射和接收电磁波。图1 1 是最简单的无线电通信系统原理图，发射天线将发射机输出的高频电流能量转换成电磁 波后辐射出去，接收天线再将电波信号转换成高频电流能量回传给接收机。 图1 1 无线电通信系统原理图 f i g 1 1 t h ed i 楚阳mo fr a d i oc o m m u n i c a t i o n ss y s t e m 天线的发展总是伴随着无线通信系统的发展而发展。世界上第一个天线系统是赫兹 于1 8 8 6 年建立的，他采用终端加载的偶极子天线作为发射天线，采用谐振方环作为接 收天线，组成了一个完整的无线电系统。1 8 9 7 年，意大利物理学家马可尼和他的助手们 在船上架设了一个3 5 米高的桅杆，用其支撑一个简易的天线进行了远洋通信研究，信 号最终被传播到了2 2 公里以外的海岸上，这是人类首次采用天线实现了远洋通信，并 获得了一个完整的无线电报系统专利【2 】。在真空管振荡器尚未发明之前，为了实现远距 离通信，采用天线的波长都在1 0 0 0 米以上。在这一波段中，显然水平天线是不合适的， 因为大地中的镜像电流和天线电流方向相反，天线辐射很小，并且它所产生的水平极化 波沿地面传播时衰减很大。因此，这一时期应用的是各种不对称的线天线，如倒l 形、 t 形、伞形天线等。由于高度受到结构上的限制，这些天线的尺寸比波长小很多，属于 电小天线的范畴。为了使信号传播的更远，人们在短波波段和中波波段领域进行了有益 探索，极大的促进了天线事业的发展。这一时期，还相继出现了偶极天线、环形天线、 长导线天线、同相水平天线、八木天线、菱形天线和鱼骨形天线等水平天线和天线阵， 天线尺寸可以与波长相比拟，信号传播更远，通信效果更好。 随着微波电子管的发明，各种面天线相继出现。面天线出现在1 8 8 8 年，但真正的 发展却是在上世纪3 0 年代。如与声学方法相类比的喇叭天线、与光学方法相类比的抛 线天线方向图自动测量系统 物反射面天线和透镜天线等，特别是二战期间，为了满足战争的需要，人类发明了雷达， 极大地促进了微波技术的发展。与此同时，还研制出了波束扫描天线、波导缝隙天线和 介质棒天线以及由它们组成的天线阵。 二战结束后至5 0 年代末期，为了满足微波中继通信、对流层散射通信、射电天文 和电视广播等工程技术的需要，建立了大型反射面天线，到6 0 年代，又出现了以卡塞 格伦天线为代表的双反射面天线，这是最常用的一类微波和毫米波高增益天线，广泛应 用于通信、雷达、无线电导航、电子对抗、遥测、射电天文和气象等技术领域。 进入到7 0 年代后，天线发展进入了一个飞速发展的阶段，随着无线电频道的日益 拥挤、卫星通信事业的发展和反射面天线的频率复用、正交极化等问题的出现，无线电 技术开始向波长越来越短的毫米波、亚毫米波以及光波方向发展，随之出现了介质波导、 表面波和漏波天线等新型毫米波天线。此外，信号处理天线，自适应天线、合成孔径天 线等技术也都进入了实用阶段。在7 0 年代，还出现了适用于微型集成电路的微带天线， 这种天线和常用的微波天线相比，具有体积小、重量轻、低剖面，易于实现线极化和圆 极化等特点，已经广泛应用于卫星通信、雷达、制导武器以及便携式无线电设备上。 随着移动通信技术的迅猛发展，越来越多的业务将通过无线电波的方式来进行，有 限的频谱资源面对着越来越高的容量需求的压力。2 0 世纪9 0 年代初期，阵列信号处理 技术被引入移动通信领域，形成了智能天线这个新的研究课题【3 】。智能天线是指天线方 向图的增益特性能够根据信号情况实时进行自适应变化的天线。智能天线是一种阵列天 线，其利用各个用户信号空间特征的差异，根据某个接收准则自动调节各天线阵元的加 权向量。智能天线技术以其强大的抗多址干扰和良好的扩容能力，成为目前突破通信瓶 颈问题的最有效手段，并被公认为未来移动通信的一种发展趋势，第三代移动通信系统 的核心技术。 天线的发展离不开无线通信技术的发展需求，而作为无线通信系统的重要组成部 分，天线的特性又决定了无线通信系统的整体性能。天线特性一般由电路特性和辐射特 性两个方面表征1 4 j 。电路特性包括天线的输入阻抗、效率、频带宽度和匹配程度等，辐 射特性包括方向图、增益、极化、相位等，为了达到最佳的通信效果，要求天线必须具 备一定的方向特性，较高的转换效率，以及能够满足系统工作的频带宽度。要想研究天 线，必须获得这些特性参数。通过理论计算获得天线参数是常规的方法。如通过麦克斯 韦方程来推导天线方向图，将经典波动光学的惠更斯一菲涅尔原理应用于天线研究，将 计算机科学计算引入辅助分析等等，虽然分析方法越来越科学，计算方式越来越精确， 但由于在求解复杂的天线问题时，为了简化求解过程，需要做大量的简化和理想化处理， 大连理工大学硕士学位论文 从而造成了误差的产生。为此，天线设计好后，就要进行实际测量，以确定天线实际参 数。 天线测量是天线设计和性能分析工作中的一个重要环节。天线测量技术始于二战期 间，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历程。 天线测量必须立足一定的测试场地进行。围绕天线的场区可划分为近场区( 或称菲 涅耳区) 和远场区( 或夫琅和费区) 两个场区。两区的分界为半径 尺：丝m( 1 1 ) 五 其中，d 为天线的最大长度，五为波长。 根据惠更斯原理，应该在围绕待测天线的某个表面上采样，为场提供足够的信息。 但在实际测量中，会受到从该表面到待测天线距离的影响。图1 2 是在近场和远场区内 的辐射波瓣图。 线 | 图 主瓣 近场 远场 o2 d 2 五5 0 d 2 a 距离 图1 2 近场和远场区内的辐射波瓣图 f i g 1 2 t h er a d ia _ t o np a n e mi nn e a r f i e l da n d 最玎f j e l d 从图1 2 可以看出，在天线的远场区测量天线方向图效果更好，因此，在天线的远 场区( 即测量远场) 测量天线方向图是经常采用的测量方法。这种方法是将被测天线作 为接收天线，把发射天线置于它的远场区，在被测天线的口面便形成近似的口面波【5 1 。 但是在远场测量时，天线之间必须要有足够远的距离，对一般的测试用户而言，这一条 件很难达到。美国i t t 公司在罗马建造的测试场地，由许多高塔和高大建筑物来建设源 天线，测量距离最远可达1 5 0 0 米。 由于远场测量开放的测试场地和电磁环境对测量精度影响较大，对具有低副瓣或超 低副瓣天线及其他一些具有特殊性能的天线进行测试时，误差很大。从上世纪五十年代 r 。l l 线天线方向图自动测量系统 初期开始，近场测量方法逐渐成为人们研究的重点，并且发展迅速。天线近场测量就是 对天线的近区电磁场分布进行测量，然后利用有关的电磁场定律，通过严格的数学交换， 可以得到天线在任意远处的电磁场分布。近场测量常在微波暗室内进行。所谓微波暗室 就是指利用吸波材料制造的一个封闭空间，这样就可在暗室内制造出一个纯净的电磁环 境，以方便排除外界电磁干扰。微波暗室材料可以是一切吸波材料，目前以铁氧体吸波 材料性能最佳，它具有吸收频段高、吸收率高、匹配厚度薄等特点。测量分为两个步骤： 首先是在包围被测天线的某一封闭曲面上测出近场的幅度和相位分布及极化特性，然后 用近场转换到远场的公式计算出被测天线的远场方向图。近场测量方法还有平面扫描、 柱面扫描和球面扫描之分。利用近场测量技术测量天线性能，一定程度减小了远场测量 对测试场的要求，但是仍有方法误差、数据处理误差和用于扫描之用的探头误差的影响， 并且操作流程较为复杂，测量平台不易构建，决大部分工作都由人工控制，测量误差较 大，工作效率不高。 进入八十年代中后期以后，计算机应用技术在测控领域被广泛应用，出现了用于天 线测量的自动控制系统，降低了测试过程中的人为误差，故障次数少，维护成本低，并 能把大量实验数据快速进行处理，实现了信号录取、数据处理以及方向图绘制的自动化。 自此，由计算机控制的天线自动化测量系统成为天线领域研究的一个重要方面。比如 h p 公司的h p 8 5 3 0 1 a 天线测试系统【6 】，该天线测量系统方框图如图1 3 所示。 i 叠善h 盔l 、霸- 墨銎。八7 li 黜 一剖 1 n t ；一1 lt o 【l k i 窜舅 - m ，t 、7l _ l l ：l ：i 一r 哪i 舅爱 扩充謦 。 一、) l c 。妒矗。m 。i - l l 一疆 r -t t d i 口叠 a 回 ll 麓敖 。亚嚣闻戤满i _ j r 躐韵 n j 口口d m l， | 一f 警善删 j ，力1 、丧氐 & 一 h p 8 拍o 爰列 h p 诗明嚏喃_ 雌 缘含扫舅露 _ 囊_ 一赡 亡斜二；i 一。l 拉- 控囊- l - - - - _ - _ - 图1 3h p 8 5 3 0 1 a 天线测量系统方框图 f i g 1 3 h p 8 5 3 0laa m e 肌am e a s u r e m e n ts y s t e mb l o c k 大连理工大学硕士学位论文 该天线测试系统包括h p 收发、计算机等设备及相应的测试软件和f r 公司的功放 单元、转台及转台控制器等共同构成天线测试系统。另外还有中国紫金山天文台的t f b 型天线参数测试仪，该测试仪主要用于商业测量，测量精度较高。 1 2 课题研究的意义和应用价值 天线测量的目的是用实验的方法获得表征天线性能的实际参数指标，为研究和改进 天线性能，提高无线通信质量提供技术支撑。天线测量依其测量对象不同主要包括阻抗 测量、方向图测量、增益测量和极化测量等。由于天线的波束宽度、旁瓣特性、天线增 益等多项技术指标都由天线方向图确定，通过测量天线方向图，即可计算出天线的半功 率角、主瓣方向、主瓣宽度、旁瓣电平值等特征参数，从而更好地分析天线性能。所以， 目前应用最多的就是天线方向图测量。 由于天线问题比较抽象且难于理解，长期以来，人们只能凭借数学推导如麦克斯韦 方程来推想它的形态，从而在一些实践和研究领域里造成了很大的影响。在教学实践活 动中，由于受到测试场地和设备等条件的制约，实际测量很难实现，学生对天线的理解 只能停留在书本介绍和仿真图形演示上，很难形成系统、直观的概念。工程测量领域， 常常要对一些小型天线进行测量，测量方法一般采用旋转天线法测量方向图，天线旋转 依靠手工辅助，通过读取指示器读数记录场强及相应的天线角度，从而绘制出方向图， 测量效率和测量精度等不够高，测量周期长。另外，虽然自动测量技术极大地提高了天 线测量的精度，但以往开发的天线自动化测量系统，投入成本高，研发周期长，且主要 应用于商业领域，不便于在实验室研究和工程测量方面应用。本课题主要针对实验研究、 教学实践和小型天线工程测量对天线测量系统的实际需求，设计开发了天线方向图自动 化测量系统，该系统既可配合教学直观地显示天线方向图，也可灵活运用于工程测量测 试天线性能，从而为天线自动测量技术领域的研究提供有益借鉴。 1 3 论文的主要工作和技术路线 主要做了以下几方面工作： 根据天线方向图测量原理，设计了线天线方向图测量系统原理框图，并对测试 平台的机械结构进行了设计； 设计了二相混合式步电机驱动系统，用于驱动天线转台转动； 设计了天线转台归零电路，标定了天线转动的起始位置； 利用c c l 0 0 0 单片i 强收发器的工作特性，设计了工作频率在4 3 3 m h z 的无线 信号收发电路，便于方向图测量； 线天线方向图自动测量系统 选用集成了u s b 和a d 转换功能的片上系统m c u ，极大地减少了系统成本， 提高了系统资源利用率； 依托l a b v i e w 系统平台的强大支撑，开发了上位机应用程序，使方向图显示 更为直观，数据处理更为迅速，u s b 数据通信更为实时，用户操作更为便利； 利用s i l i c o nl a b o r a t o r i e si d e 编程环境( c 8 0 5 1 f 3 4 0 单片机自带) 编写了单片机 控制程序、转台归零程序、a d 转换程序、u s b 通信程序； 编写了无线信号收发程序，并用v c 编写了无线信号发射模块的上位机控制程 序，使无线信号发射模块工作更为智能； 搭建了方向图测试系统实际平台，对方向图进行了实际测试，给出了测试结果。 本系统的设计研发主要涉及天线技术、电子技术、控制技术、通信技术、虚拟仪器 技术和机械设计技术等方面的知识，基于旋转天线法测量方向图这一原理，以测量设备 小型化、设计成本节约化、测量过程自动化、参数计算实时化为设计目标，充分发挥自 动控制技术的特点和虚拟仪器工程平台强大的数据处理、图形显示和仪器控制功能，从 实际测量情况来看，本测量系统性能稳定，操作方便，能够满足小型线天线测量和教学 实验要求。 1 4 论文的结构安排 论文共分六章： 第一章简述了天线及其测量技术的概况，提出了课题研究的理论意义和应用价值， 并对文章的相关工作和技术路线进行了简单介绍。 第二章分析了天线方向图测量原理的一般原理，并从硬件、软件和机械设计三方面， 简要阐述了系统总体设计方案，给出了系统总体结构框图。 第三章和第四章围绕天线转动一信号读取一数据处理这一核心，对系统的软、硬件 设计工作进行了详细说明，是本论文的重点。硬件设计工作介绍了步进电机控制机理及 其运动实现方法，给出了无线收发电路的设计实现；软件设计借助l a b v i e w 程序设计 语言、s i l i c o nl a b o r a t o r i e s i d e ( c 8 0 5 1 f 系列单片机专用编程器) 编程工具和v c 编程语 言，对系统界面程序、电机控制程序、数据采集与处理程序和无线信号收发程序进行了 编写，并对单片机与主控计算机之间如何通过u s b 模块进行通信进行了说明。 第五章构建了系统实际测试平台，并对天线方向图进行了实际测量，对试验结果进 行了分析说明。结束语部分对全文工作进行了简要总结，并对系统的下步改进进行了说 明。 大连理工大学硕士学何论文 2 天线方向图测量理论与自动测量系统方案设计 21 天线方向图测量原理 天线方向图是指与天线等距离处，天线辐射场大小在空间中的相对分布随方向变化 的图形。对于小型天线测量和实验室研究而言，通常采用旋转天线法进行测量”j 。根据 天线互易性原理可知，天线既可用做接收天线，也可用做发射天线。测量时，将源天线 作为发射天线固定不动处于远区的待测天线作为接收天线绕其自身通过相位中心的轴 线进行旋转，旋转方向通常选择电场强度矢量和磁场强度矢量分别所在并包吉最大辐射 方向的e 面和的h 面，转动过程中，安装在待测天线上的场强计直接读取出天线在转 动角度上的功率或场强值大小并进行保存最后计算机依据这些数据绘制出天线方向 图。表21 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21 天线转过角度与接收信号强度的关系 t a b21t h e m l “舢h l pb e t w e e n t 呷j ”g 柚g 】ea n d 咖v l n gs l g n a 】蜘e n g mo f 圳e n n a 转角e2 e3 04 o n 0 堑垫 量垦垦鱼：-鱼 天线方向图可以在极坐标系中绘制，也可在直角坐标系中绘制。通常绘制的方向图 都是经过归一化处理的，即： e = e m a x ( 巨，e 。e ，v ) 其中，云为相对场强值，e 为任一方向的场强值 i1 “ f l 州v扒 a ) 直角坐标圈 豢参警 二一 ( b ) 极坐标图 幽2 1 天线方向幽 f 嘻2 l a n t e n n a d 】r e c l l o n a lp 甜e m ( 2 1 ) 线天线方向图自动测量系统 归一化的信号强度( 相对强度) 最大值为1 ，这样就可将方向图限定在单位圆内。 图21 就是经过归一化处理的天线方向圈。 进行天线方向图测量时，应重点把握好以下几点： ( 1 ) 关于天线测量最小距离问题。待测天线与发射天线必须满足公式( 11 ) 的测 试距离，才能保证足够的测试精度【8 l ： ( 2 ) 测量主平面方向图时，收、发天线的最大辐射方向应对准，且都在旋转平面 内： ( 3 ) 待测天线转动的轴线应通过天线的相位中心； ( 4 ) 收发天线极化要一致： ( 5 ) 对称振子天线要平衡馈电，以保证振子两臂电流对称分布： ( 6 ) 天线架设高度适当，测量场地空旷。尽量避开地物和地面反射的影响； ( 7 ) 收发天线要满足一定的长度要求。根据理论计算和实际经验验证，当天线长 度为无线电信号波长的1 ，4 时，天线的发射和接收转换效率最高。因此，收发天线的长 度根据发射和接收信号的频率而定。无线电信号的波长可根据公式( 22 ) 求得。 五：三m( 22 ) ， 其中 为信号波长，c 为光速，r 为信号频率。 22 天线方向图参数 通过天线方向圈可以方便的得到表征天线性能的电参数。用柬描述天线方向图的参 数通常有主方向角、主瓣宽度、半功率角、副瓣宽度、副瓣电平等。图22 是天线方向 图的一般形状。方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余 的瓣称为副瓣或旁瓣，副瓣中最大的为第一副瓣。 图22 天线方向幽的一般形状 f 1 922 g e n e r a ls h a p e o f a n t e n n ad j m c l l o n a lp a n e m 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 主方向角。指主瓣最大值对应的角度； ( 2 ) 主瓣宽度。也称零功率点波瓣宽度( b e 锄w i d t hb e m e e nf i r s tn u l l s ，b w f n ) ， 指主瓣最大值两边两个零辐射方向之间的夹角，即2 巩。主瓣宽度越窄，方向性越好， 作用距离越远，抗干扰能力越强； ( 3 ) 半功率角。也称半功率点波瓣宽度( h a l f p o w e rb e 锄w i d t h ，h p b w ) ，指 主瓣最大值两边场强等于最大值的o 7 0 7 倍( 或等于最大功率密度一半) 的两辐射方向 之间的夹角，又叫3 分贝波束宽度，即2 巩5 ( 4 ) 副瓣宽度。指第一副瓣两边两个零辐射方向之间的夹角； ( 5 ) 副瓣电平( s i d el o b el e v e r ，s l l ) 。指副瓣最大值与主瓣最大值之比，一般 以分贝表示，即： f 脱上= 1 0 l g 二竺竺丝= 2 0 l g = 蜮 d b( 2 3 ) 。k 一 。k 其中：跣m a ) 2 和m 戤分别为最大副瓣和主瓣的功率密度最大值；晶a ) 【2 和晶双分别 为最大副瓣和主瓣的场强最大值。 2 3 天线方向图测量方法 天线方向图的测量方法主要有固定天线法和旋转天线法两种【9 】。 对于一些室外的大型天线通常采用固定天线法。由于待测天线结构庞大，转动不便， 所以测试工作必须在使用现场进行。测量时，将待测天线固定，辅助测量的天线在地面 或空中( 靠飞行器、气球等运载工具携带) 绕待测天线做圆周运动，并记录下在不同角 度时待测天线接收到的相对场强大小，最后得到该平面内的方向图特性。由于这种测量 方法测试平台不易构建，操作难度又相对较大，并且受到测试现场环境影响较大，很难 得到较为精确的测量数据，所以很少采用。 旋转天线法相对灵活简单，是天线方向图测量经常采用的一种方法。测量时，辅助 天线作为信号源固定不动，待测天线作为接收天线，装在有角标指示的转台上，通过在 一定平面内旋转测得不同角度时的场强大小，即可得到水平方向图和垂直方向图。 在以上两种测试方法的基础上，人们又将方向图自动绘制技术引入到测试当中。其 绘制方法是通过待测天线的旋转速度来调节自动记录器纸带的移动速度，这样，就在自 动记录带上绘制出方位角与衰减量间的关系线，也就是待测天线的方向图。图2 3 就是 一套完整的方向图自动绘制设备方框图。 线天线方向图自动测量系统 图2 3 方向图自动绘制设备方框图 f i g 2 3e x 锄p l eo fh e a d e r ss e r i a ln u m b e r 上述方法虽然能够实现方向图的自动测量和方向图的自动绘制，但不难看出，所需 测试设备较多，系统组成成本较高，对实验室研究和小型的工程测量而言，实现起来有 一定难度，并且参数计算不够实时，测试结果误差较大。因此，如何更好地优化天线方 向图测量系统，特别是如何应用现代科学技术研发出天线方向图自动测量系统，也就成 了天线测量领域着重研究的方向之一。 2 4自动测量系统方案设计 自动测试系统一般是指对那些能自动完成激励、测量、数据处理并显示或输出测试 结果的系统的统称。根据天线方向图测量原理，设计开发了一套天线方向图自动测量系 统。该测试系统由无线信号发射模块、采集控制模块和数据处理与显示模块三部分组成。 原理框图如图2 4 所示。 l 一一一，- j 采集控制器 图2 4 系统原理图 f i g 2 4 t h ed i a g r a mo fs y s t e mp r i n c i p 】e 大连理工大学硕士学位论文 自动测量系统基本设计要求如下： 发射天线固定不动，产生工作信号为频率4 3 3 m h z 的调制信号； 接收天线在转台的控制下旋转，其长度可调，接收发射天线发射的电磁波，送 单片机进行处理； 天线转台的控制由单片机控制的步进电机实现，通过转台的旋转，带动天线转 动； 单片机完成对采集信号的a d 转换、步进电机的起停控制和转台归零控制，将 采集数据送入计算机，用于方向图绘制和数据处理； 单片机与p c 机通过u s b 接口进行数据交互； p c 机完成采集命令的下达、方向图的绘制和测量参数的数据处理。 测量系统整体结构如图2 5 所示。 ( a ) 发射天线( b ) 接收天线 图2 5 天线方向图测量系统整体结构图 f i g 2 5 t h em e 勰u r i n gs y s t e ms t n j c t u 陀o f 锄t e 彻ad i r e c t i o np a t t e m 线天线方向图自动测量系统 3自动测试系统硬件实现 3 1 设计要求及实现说明 硬件电路设计要求如下： 能够实现对步进电机的驱动控制，控制方式包括自动控制方式和手动控制方式 两种，自动控制由p c 完成，手动控制部分由外接控制信号实现，两种控制模 式之间通过开关进行切换； 能够完成天线转台的零点归位，便于每次测试都从同一原点开始； 具有稳定的无线信号发射源，待测天线部分能够只对发射源产生的电磁波进行 有效的接收； 单片机与p c 之间的通信采用u s b 口连接； 基于以上设计要求，整个电路部分以系统稳定、功能全面、控制方便、成本节约为 原则进行设计，主要由单片机系统电路、转台控制电路、归零点电路、控制模式切换电 路、无线信号收发电路和电源转换模块电路六部分组成。 3 2 单片机系统电路设计 3 2 1c 8 0 5 1f 3 4 0 单片机概述 单片机是自动测量系统的控制核心，主要实现与p c 的u s b 通信、电机自动控制信 号产生、无线信号接收等功能的控制。本设计采用s i l i c o nl a b o r a t o r i e s 公司设计的 c 8 0 5 1 f 3 4 0 单片机作为主控m c u ，这是一款集成了u s b 通信控制器和a ，d 转换器的混 合信号片上系统单片机。该单片机与其他单片机相比有如下优点【l0 】： ( 1 ) 高速、流水线结构的8 0 5 l 兼容的微控制器内核( 可达4 8 m i p s ) 。c 8 0 5 l f 3 4 0 单片机采用s i l i c o nl a b s 的专利c i p 5 1 微控制器内核，采用流水线结构，与标准的8 0 5 1 结构相比指令执行速度有很大的提高，与m c s 5 1 。m 指令集完全兼容，可以使用标准 8 0 3 刈8 0 5 x 的汇编器和编译器进行软件开发，扩展的中断系统向c i p 5 1 提供1 6 个中断 源( 标准8 0 5 1 只有7 个中断源) ，允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。一个中 断驱动的系统需要较少的m c u 干预，因而有更高的执行效率。在设计一个多任务实时 系统时，这些增加的中断源是非常有用的。 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 通用串行总线控制器( u s b o ) 符合u s b 2 o 规范，可以全速或低速工作，集 成了收发器和端点f i f or a m 。共有8 个端点：一个双向控制端点( 端点o ) 和三对输 入输出端点( 端点1 3 输入输出) ； ( 3 ) 真正1 0 位2 0 0 k s p s 的单端差分a d c ，带模拟多路器。a d c o 的转换时钟由系 统时钟分频得到，有6 种a ，d 转换启动方式； ( 4 ) 精确校准的1 2 m h z 内部振荡器和4 倍时钟乘法器； ( 5 ) 多达6 4 k b 的片内f l a s h 存储器； ( 6 ) 多达4 3 5 2 字节片内r a m ( 2 5 6 + 4 k b ) ； ( 7 ) 4 个通用的1 6 位定时器；其中两个与标准8 0 5 l 中的计数器定时器兼容，另 外两个是1 6 位自动重装载定时器，可用于a d c 、s m b u s 、u s b ( 帧测量) 、低频振荡 器( 周期测量) 或作为通用定时器使用。这些定时器可以用于测量时间间隔，对外部事 件计数或产生周期性的中断请求； ( 8 ) 多达4 0 个端口i 0 ( 容许5 v 输入) 。每个端口引脚都可以被定义为通用i o ( g p i o ) 或模拟输入。 通过选用c 8 0 5 1 f 3 4 0 单片机，可同时满足步进电机控制、a d 数据采集，u s b 端 口与上位机进行数据交换，有效地利用了芯片的内部资源，节约了系统成本【1 1 1 。 3 2 2 单片机系统最小电路设计 单片机系统电路图如图3 1 所示。 图3 1单片机系统电路图 f i g 3 1 t h ec i r c u i to fm c us y s t e m 线天线方向图自动测量系统 单片机最小系统电路由u s b 接口电路、程序下载电路、系统复位电路、信号放大 电路和与单片机相连的各功能引脚电路组成。单片机的p 2 2 一p 2 5 及p 3 5 引脚用于控 制无线信号收发，p 3 o p 3 3 用于控制步进电机转动，p 2 6 用于接收场强信号，p 2 7 接 转台归零信号。p 7 为u s b 接口，p 3 为程序下载口。由于从信号接收模块中采集的信号 电压范围只在0 1 2 v ，而单片机a d 转换的参考电压为2 4 v ，系统采用l m 3 5 8 放大器 对采集信号进行了放大处理。 3 3 转台控制电路设计 3 3 1 步进电机概述 步进电机是一种将输入的数字信号转换成角位移或线位移的高精度机电器件【l2 1 。只 要对其各相按一定规律输入脉冲序列，即可实现对步进电机的角度和位移的控制，还可 通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的，同时可以通过控制脉冲 频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的，因其定位精度高、可控性 强，所以比较适合用单片机进行控制。 步进电机具有以下特点： 步进电机的精度为步进角的3 5 ，且不累积； 步进电机外表允许的最高温度可达摄氏8 0 9 0 度，不易损坏； 步进电机的力矩会随转速的升高而下降； 步进电机低速时可以正常运转，但若高于一定速度就无法启动，并伴有啸叫声 步进电机不能使用直流或交流电源直接供电，而需使用脉冲电源供电才能正常 运行； 其旋转转速与输入脉冲的频率保持严格的对应关系，不受电压波动和负载变化 的影响； 开环控制，不需要反馈信号i l 3 1 。 目前常用的步进电机有三种：永磁式步进电机、反应式电机和混合式步进电机【l 4 1 。 永磁式步电机转矩出力大，动态性能好，但步距角大，一般为1 5 0 或7 5 0 。反应式步进 电动机结构简单，生产成本低，步距角小；但动态性能差，噪声较大，稳定性不高，欧 美等发达国家8 0 年代就已将其淘汰。混合式步进电动机也称作永磁感应式步进电动机， 综合了反应式、永磁式步进电动机两者的优点，步距角小，转矩出力大，动态性能好， 是目前应用最为广泛的步进电动机。混合式步进电机一般为两相或五相，步进角分别为 1 8 0 和0 7 2 0 ，其中五相混合式步进电机因相数过多，制造成本较高，所以相对二相混合 大连理丁大学硕士学位论文 式步进电机而言，应用较少。本方案使用的步进电机就是两相混合式步进电机，步进角 为l8 0 。图32 为混台式步电机剖面图。 图32 混台式步进电机剖面图 f 培32c u u ”a yv j 刚o f a h b m o t o r 二相混合式步进电机的定子上有4 个磁极，每两个相对磁极上绕有一相绕组，定子 的四相绕组即为控制绕组以a 、b 、c 、d 表示。定子两个磁极之间