高精度天线测试系统的研究与设计.pdf

20 2013 年第 01 期 第 46 卷 通 信 技 术 Vol 46 No 01 2013 总第 253 期 Communications Technology No 253 Totally 高精度天线测试系统的研究与设计 张朋祥 周鸣籁 刘学观 郭辉萍 苏州大学 电子信息学院 江苏 苏州 215006 摘 要 摘 要 为了使天线测试系统能有较高的测试精度 系统需具备水平圆周方向 俯仰方向和水平直 线方向均可转动且转动精度非常高的天线转台 还需具备宽频率范围 高灵敏度的信号发射与接收处理装 置 同时需具备操作方便 可精确控制天线转台和矢量网分仪以及能把测量的数据显示并保存 处理的测 试软件 利用高精度天线转台和矢量网络分析仪 开发设计相应的自动测试软件 并进行天线相位中心的 标定 为高精度天线相位中心的应用奠定了基础 关键词 关键词 天线测试 相位中心 转台 控制 中图分类号 中图分类号 TN98 文献标识码 文献标识码 A 文章编号 文章编号 1002 0802 2013 01 0020 03 Research and Design of Antenna Test System with High Precision Research and Design of Antenna Test System with High Precision ZHANG Peng xiang ZHOU Ming lai LIU Xue guan GUO Hui ping School of Electronic and Information Engineering Soochow University Suzhou Juangsu 215006 China Abstract Abstract The antenna test system should contain an antenna turntable that could move very precisely in azimuthal direction in tilted direction in horizontal linear direction This system should also have signal transmitter and receiver with wide frequency range and sensitivity Finally the system should also contain the test software that could be operated easily and control the turntable and vector network analyzer precisely and display save process the tested data Based on the high precision antenna turntable and vector network analyzer the corresponding automatic test software is developed and used Besides the antenna phase center is calibrated and this would lay a foundation for the application of antenna phase center Key words Key words antenna test phase center turntable control 0 引言 随着射频技术的发展 现代通信设备要处理 越来越多的信息 天线作为发送信息必需的设备 其性能的好坏直接影响通信过程 基站天线新旧 影响能量消耗 在研究天线的传播特性及天线发 射信号方向性的过程中 用解析分析和数值算法 只能给出理论参考模型 并不能精确分析天线结 构及制造过程和环境对它们的影响 必须通过实 验的方法进行检验和修正理论模型 很多新型的 天线 其方向性 增益等参数都有了很大提高 对天线测试系统提出了非常高的要求 鉴于此 提出一种新型的基于计算机和高精度设备的高精 度天线测试系统 1 5 1 系统的软硬件介绍 此天线测试系统可以测量天线的相位方向图和 幅度方向图 由硬件和软件两部分组成 接下来将 对软硬件展开说明 1 1 高精度天线测试硬件 1 1 高精度天线测试硬件 典型的天线测试系统硬件组成必须包括以下部 分 发射天线支架 源塔 源塔控制器 源塔指示 器 发射信号源控制器 受试天线定位器 天线转 收稿日期收稿日期 2012 09 25 作者简介 作者简介 张朋祥 1988 男 硕士研究生 主要研究 方向为自动测试技术 周鸣籁 1964 男 副教授 硕士生导师 主要研究方向为嵌入式 系统网络通信 电能质量监测和工业设备远程 监控 刘学观 1965 男 博士 教授 硕 士生导师 主要研究方向为电磁理论 电磁兼 容 微波部件与天线设计 微波自动测量技术 郭辉萍 1964 女 副教授 硕士生导师 主要研究方向为电磁场与电磁波技术 21 台 定位器控制 定位器指示器 接收机 天线方 向图记录仪等 6 7 上述硬件系统包含组成部分较 多 多部件组合要考虑系统兼容性等参数 容易导 致测试精度不高 因此新型的天线测试系统必须简 化结构 运用精度高 集成度高的硬件 本文描述 的高精度天线测试系统主要由控制部分 天线转台 和矢量网络分析仪组成 这三个部分就完成前面大 量设备完成的功能 控制部分主要由个人计算机 PC Personal Computer 软件和相对应的硬件组成 可高精度地 控制定位器 转台 运动和信号源信号的发射 PC 机软件通过与安装在外设组件互连 PCI Peripheral Component Interconnect 总线上的步进电机控制卡 通信来控制三个接收转台上电机驱动器和一个发送 转台上的电机驱动器 进而控制天线转台 用局域 网 LAN Local Area Network 接口连接 PC 与矢 量网分仪 从 PC 机向网分仪发送控制指令 并把 网分仪测得的数据返回到 PC 机上 硬件组成框图 如图 1 所示 天线转台可以实现方位角与俯仰角的转动 且 转动精度较高 最小步进角度为 0 0003 度 相对普 通天线转台步进角度 0 05 或 0 1 度有较大的提高 另外 此转台有平动机构和竖直抱杆 可以进行直 线运动 用来纠正转台安装误差及进行水平方向的 天线测试 也可以上下移动天线 使收发天线严格 对准 进而提高测量精度 图 1 硬件组成框图 矢量网分仪选用罗德与施瓦茨公司型号为 ZVL13 的矢网 其测量频率范围 9 kHz 13 6 GHz 可测频率范围宽 有两个端口 可供接收与发送两 个天线连接 另外 测量参数多样精度高 把网分 仪作为接收机 发射机与信源控制的集合体 简化 了测试系统结构 并且提高了测试精度与可靠性 1 2 高精度天线测试软件 1 2 高精度天线测试软件 天线测试软件是天线测试系统最重要的组成部 分之一 它给使用者提供了控制整个天线测试系统 的界面 并显示天线方向图 完成天线参数的测试 另外 此软件还支持天线性能参数保存 总体来说 天线测试软件主要包括三个部分 网分仪控制程序 天线转台控制程序及测试软件界面 网分仪控制程序即控制网分仪的控仪器标准命 令 SCPI Standard Commands for Programmable Instruments 指令 包括设置待测的频率范围 频 点数 待测参数类型等 它通过虚拟仪器软件架构 VISA Virtual Instrument Software Architecture 被传送到网分仪 网分仪返回的数据也是通过 VISA 传输到测试软件 然后利用德州仪器公司的画函数 曲线控件把数据转换成函数曲线显示在测试软件界 面上 天线转台控制程序即步进电机控制卡程序 它 提供设置转动角度范围 转动初速度 加速度 最 终速度和实时查询天线转台位置信息及速度的函 数 当调用此函数时 控制卡向电机驱动器发出相 应指令 使电机运转 天线测试软件最重要的部分是测试软件界面 下面对其作具体描述 1 参数设置界面 此界面可设置待测的频率范围 一般应设置在 天线的工作频段内 为保证天线测试的精确性和数 据的高精度 还应把天线测试参数取平均 平均次 数可自行选择 为明确显示天线工作频段内某些频率点的值 可根据需要设置测量频点数 此外 需测天线幅度 或相位及单位符号 发射与接收天线所连接的网分 仪端口 天线转台转动的角度范围 转动速度 都 可在此界面上设置 2 显示设置界面 利用此界面可找出天线最重要的工作频点 并 把相应频点上的相位或幅度信息显示在测量界面 中 图片的显示背景与函数曲线颜色和类型也要在 此设置 右上角的图片为显示样例 3 测量界面 此界面主要功能是把角域和频域数据以函数曲 线的形式显示出来 把转台的俯仰与方位信息以数 字的形式显示 4 数据保存 用函数曲线显示的只是相应频率范围的几个测 量点 并没有显示频段内所有的测量频点 可通过 数据保存界面把所有的测量频点以文本文档的格式 保存下来 同时可以选择保存角域或频域数据以及 文件保存的路径 5 转台控制 转台控制界面如图 2 所示 天线测试初始阶段 的天线对准操作要控制转台运动才能完成 而天线 严格对准是高精度测试天线性能的基础 此界面可 直接显示俯仰角与方位角 并可以单纯设置转台转 动的角度及速度而不涉及天线性能测试操作 另外 各个转轴可以单独控制也可以进行多轴插补控制 电机 驱动器 1 电机 驱动器 2 电机 驱动器 3 电机 驱动器 4 上方位 转轴 俯仰位 转轴 下方位 转轴 极化方向 转轴 矢量 网分仪 PC 机 PCI LAN 步 进 电 机 控 制 卡 22 图 2 转台控制界面 天线控制软件主要由以上几个部分组成 通过 这几个界面的配合 就可以高精度的测试天线性能 参数 如天线幅度方向图和相位方向图 既可以以 曲线的形式显示 也可以文本文档的形式显示 图 3 所示为测试得到的函数曲线 纵坐标为测得的 S21 参数 可根据此参数算出天线在各个方位角的具体 增益值 横坐标为方位角 图 3 接收天线收到信号的幅度方向图 2 标定天线相位中心 天线相位中心对于精确定位和测量的重要性越 来越突出 其标定成为研究的重点 本文中提出的 天线测试系统含有一维平动机构和方位转台 再利 用此系统测出的天线的相位方向图数据即可进行此 天线相位中心的标定 而且此系统用一维平动机构 标定相位中心 比传统的用二维转台标定相位中心 降低了很多成本 一维平动机构一般花费 1000 2000 元 而二维平动机构由于技术要求高 两个平 动机构要严格垂直 费用在一万元以上 以上数据 差别非常明显 用一维平动机构可以明显降低预算 天线相位中心的标定采用文献 8 中阐述的方 法 步骤如下 首先测试天线相位方向图 然后利 用方向图的数据和收发天线之间的距离计算出天线 相位中心相对于现在转动中心极坐标位置 即找出 的值 以这两个值为标准移动平动机构和方位转 台 使转动中心和天线相位中心重合 继续重复上 面的步骤 直至 达到理想的值 图 4 为第一测 量得到的天线相位方向图 横坐标为方位角 纵 坐标为相位 利用此方向图的数据 计算 的值 并把转台作相应的移动 重新测量天线相位方向图 如图 5 所示 图 4 第一次测量得到的相位方向图 图 5 第二次测量得到的相位方向图 从上图两个函数曲线可知 方位角 40 40 的角度范围内 相位方向图的上凸的程度已经变小 天线现在位置正在向天线相位中心逼近 多次重复进 行此操作之后 即可完成天线相位中心的标定 3 结语 天线测试系统作用主要是测试天线的性能参 数 从而验证其是否满足要求 同时为天线的改进 提供指导性意见 而高精度的测试系统更能真实的 反应天线特性 较快发现其缺陷 本文提出的测试 系统已在实验室的天线测试中得到了应用 测试新 制作出的天线的方向图 找出不满足要求的地方 再进行有针对性的修改 最终使天线满足要求 前 下转第 25 页 1 17 98849 3 09GHz 幅度 S21 dB 20 25 30 35 40 45 60 40 200 2040 2 24 47928 3GHz 相位 S21 60 40 200 2040 200 150 150 50 0 50 100 100 150 100 50 0 50 100 150 200 0 63 2958 3GHz 相位 S21 60 40 200 20 40 25 出采用文中方法相比于存储器方法以及文献 10 的 方法在面积上分别减少了54 和37 表 1 实现初始化公式的电路面积比较 初始化公式电路面积 um2工艺参数 存储器 725 文献 10 534 文中方法 325 TSMC CMOS 90nm 表2给出了运用不同的方法实现 16 8 全并 行LDPC随机译码所得到的硅片面积 当迭代公式 采用文献 4 中提出的TFM方法时 运用文中的方 法在面积上分别减少了8 6 以及13 2 而当迭代 公式采用文献 5 中提出的DS方法时 运用文中的 方法在面积上分别减少了12 3 以及23 5 表 2 实现 16 8 LDPC 译码器的电路面积比较 初始化 公式 译码器面积 TFM um2译码器面积 DS um2 工艺 参数 存储器 38 606 25 450 文献 10 36 666 22 198 文中方法 33 486 19 626 TSMC CMOS 90nm 最后 利用文中方法和文献 10 的方法 在 Xilinx Virtex 4 XC4VLX200下实现 1056 528 LDPC译码器 表3给出了利用文中的方法以及文 献 10 中的方法所占用的FPGA资源情况 可以看 出利用文中的方法所需要的4输入查找表个数比文 献 10 的方法减少了12 8 表 3 1056 528 LDPC 译码器在 FPGA 上所占资源比较 初始化公式 Slices 数 个 4 输入 LUTs 个 文献 10 46 097 68 112 本文方法 42 872 59 382 3 结语 文中提出了一种基于随机计算的LDPC译码初 始化公式的硬件实现方法 避免了使用存储器 实 验证明 该方法适合于短LDPC码 或低信噪比情 况下的长LDPC码 该方法相比于存储器方法在硅 片面积上减少了37 并使译码器的总体面积减小 了12 3 当采用FPGA实现时 该方法使得相应 的4输入查找表个数减少了12 8 参考文献参考文献 1 KSCHISCHANG F R Factor Graphs and the Sum product Algorithm J IEEE Transactions on Information Theory 2001 47 498 519 2 GAUDET V C RAPLEY A C Iterative Decoding Using Stochastic Computation C USA s n 2003 299 301 3 WINSTEAD C Stochastic Iterative Decoders D USA Utah State University 2005 4 TEHRANI S S Tracking Forecast Memories in Stochastic Decoders C USA IEEE International Conference on 2009 561 564 5 NADERI A Delayed Stochastic Decoding of LDPC Codes Signal Processing C USA IEEE Transactions on 2011 5617 5626 6 任祥维 文红 张颂 LDPC 码的全并行概率译码 J 通 信技术 2011 44 08 42 44 7 TEHRANI S S Survey of Stochastic Computation on Factor Graphs C USA IEEE 2007 54 54 8 黄琪 李丹 汪洋 一种优化 LDPC 码环分布的改进算 法 J