天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳晶晶，高長(zhǎng)水

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

測(cè)試系統(tǒng)是基于N5242－PNA矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的智能化天線測(cè)試系統(tǒng)。天線的各項(xiàng)性能數(shù)據(jù)可以通過(guò)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行精確的測(cè)試，對(duì)于判別天線的合格率具有至關(guān)重要的作用，天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)是雷達(dá)天線研究與生產(chǎn)的重要測(cè)試工具[1]。

測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用光纖通信技術(shù)和研華的ADAM5000TCP可編程控制器，對(duì)發(fā)射端的發(fā)射轉(zhuǎn)臺(tái)、發(fā)射信號(hào)源和監(jiān)控設(shè)備等進(jìn)行了遠(yuǎn)程控制，大大減少了操作人員的工作量，極大地提高了工作效率。同時(shí)軟件可在界面上顯示所選的特性參數(shù)，系統(tǒng)軟件采用模塊結(jié)構(gòu)，操作人員只要根據(jù)菜單提示，鍵入需要的相應(yīng)參數(shù)，就可以自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量和分析計(jì)算，并可以快速得到所需要的高精度的測(cè)量結(jié)果。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)除了以工控機(jī)為主體的部分外，還包括以下2個(gè)部分:

a.天線接收端。

天線接收端由控制轉(zhuǎn)臺(tái)、參考天線、接收天線、85309A分布式單元、E8257D本振信號(hào)源、N5242－PNA－X網(wǎng)絡(luò)分析儀組成。

b.天線發(fā)射端。

天線發(fā)射端由發(fā)射轉(zhuǎn)臺(tái)、發(fā)射天線、E8257D發(fā)射信號(hào)源、ADAM－5000TCP、GPIB網(wǎng)關(guān)組成。

發(fā)射端與接收端相距250m，由于兩者之間的距離已經(jīng)超出了串口通信所能達(dá)到的最大距離，為此測(cè)試系統(tǒng)選用基于TCP協(xié)議的ADAM－5000TCP可編程控制器。ADAM－5000TCP是一個(gè)數(shù)據(jù)采集模塊和控制系統(tǒng)，它能通過(guò)多通道的I/O模塊進(jìn)行控制、監(jiān)視。ADAM－5000TCP具有高速的I/O能力，并且全面支持ADAM－5000I/O模塊。ADAM－5000TCP提供8個(gè)插槽，支持多達(dá)128個(gè)I/O點(diǎn)。結(jié)合研華的5069模塊，該模塊提供8路的繼電器輸出，實(shí)現(xiàn)了工控機(jī)對(duì)發(fā)射端的遠(yuǎn)程控制。同時(shí)測(cè)試系統(tǒng)是通過(guò)LAN總線來(lái)傳輸數(shù)據(jù)信號(hào)，而發(fā)射轉(zhuǎn)臺(tái)是只帶有GPIB接口的設(shè)備，那么測(cè)試系統(tǒng)在發(fā)射端選用安捷倫E5810A型號(hào)的LAN/GPIB網(wǎng)關(guān)，E5810A帶有標(biāo)準(zhǔn)的10/100LAN和IEEE488接口(最多連接14臺(tái)GPIB儀器)，提供了一種經(jīng)由標(biāo)準(zhǔn)LAN來(lái)遠(yuǎn)程訪問(wèn)和操作GPIB儀器的方法。這樣把LAN總線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)過(guò)LAN/GPIB網(wǎng)關(guān)，傳輸?shù)紾PIB總線，再經(jīng)由GPIB總線傳輸給發(fā)射轉(zhuǎn)臺(tái)，解決了工控機(jī)對(duì)發(fā)射轉(zhuǎn)臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮腣C++編制而成，編制的測(cè)試軟件具有很好的運(yùn)動(dòng)控制和數(shù)據(jù)處理分析能力。軟件具有保存測(cè)試文件名、數(shù)據(jù)文件名、日期、時(shí)間等記憶功能，能自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告。軟件流程如圖2所示。

2.1 模塊設(shè)計(jì)

圖1 天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 軟件流程

在對(duì)軟件進(jìn)行模塊設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到軟件的功能性和人機(jī)互動(dòng)性，軟件界面采用屬性頁(yè)的方式，將軟件分為4個(gè)屬性頁(yè)模塊:軟件初始化、運(yùn)動(dòng)控制、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)

軟件初始化模塊:用于介紹制作單位和系統(tǒng)名稱。

運(yùn)動(dòng)控制模塊:主要實(shí)現(xiàn)對(duì)接收轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制，顯示實(shí)時(shí)角度和幅值，繪制方向圖，并對(duì)方向圖數(shù)據(jù)進(jìn)行保存等。

參數(shù)設(shè)置模塊:主要實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射端的儀器設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，并對(duì)發(fā)射信號(hào)源、本振信號(hào)源、網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置等。

數(shù)據(jù)處理模塊:用于計(jì)算天線方向圖的峰值、主瓣寬度、副瓣電平等，并能夠計(jì)算RMS(遠(yuǎn)旁瓣電平均方根值)，對(duì)圖形進(jìn)行歸一化、計(jì)算和差矛盾及天線增益等。

2.2 光纖通信及其遠(yuǎn)程控制應(yīng)用

由于系統(tǒng)由發(fā)射間和接收間2部分組成，兩者之間相距250m左右?；趦烧咧g傳輸距離長(zhǎng)，抗干擾要求高，通信容量大[2]，系統(tǒng)采用了單模光纖進(jìn)行兩者之間的通信。發(fā)射端與接收端的光纖通信連接圖如圖4所示。

圖4 光纖通信連接圖

應(yīng)用光纖通信對(duì)天線發(fā)射端進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，光電轉(zhuǎn)換器連接GPIB網(wǎng)關(guān)，經(jīng)過(guò)GPIB網(wǎng)關(guān)連接發(fā)射轉(zhuǎn)臺(tái)、發(fā)射信號(hào)源。在工控機(jī)中裝入加入的虛擬軟件(VISA)數(shù)據(jù)庫(kù)后，然后在開(kāi)發(fā)程序中首先打開(kāi)GPIB接口卡的資源管理器，具體程序?qū)嵗缦?

在對(duì)發(fā)射轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)，調(diào)用VISA函數(shù)庫(kù)中的viPrintf和viScanf 2個(gè)函數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射轉(zhuǎn)臺(tái)的方位啟動(dòng)和發(fā)射轉(zhuǎn)臺(tái)的極化啟動(dòng)，具體程序?qū)嵗缦?

在對(duì)發(fā)射信號(hào)源進(jìn)行參數(shù)設(shè)置時(shí)，同樣調(diào)用VISA函數(shù)庫(kù)中的viPrintf函數(shù)，來(lái)打開(kāi)發(fā)射天線的信號(hào)源，并進(jìn)行頻率和功率的設(shè)置，具體程序?qū)嵗缦?

在發(fā)射端該系統(tǒng)使用研華的ADAM－5000TCP底座和1個(gè)5069模塊，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射端的遠(yuǎn)程外部電源加電，同時(shí)打開(kāi)發(fā)射轉(zhuǎn)臺(tái)，具體程序?qū)嵗缦?

2.3 接收端參數(shù)設(shè)置與數(shù)據(jù)采集的軟件設(shè)計(jì)

接收端主要對(duì)安捷倫的E8257D本振信號(hào)源和N5242網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并采集網(wǎng)絡(luò)分析儀的幅值信號(hào)和接收轉(zhuǎn)臺(tái)的角度值，同時(shí)根據(jù)采集的轉(zhuǎn)臺(tái)角度值和網(wǎng)絡(luò)分析儀幅值繪制方向圖。本文使用WSARecvFrom()函數(shù)來(lái)讀取轉(zhuǎn)臺(tái)的角度值[3]，并且使用viPrintf函數(shù)來(lái)設(shè)置本振信號(hào)源的頻率、幅值和設(shè)置網(wǎng)絡(luò)分析儀的掃描頻率、頻寬、掃描點(diǎn)數(shù)等。具體程序?qū)嵗缦?

2.4 軟件實(shí)現(xiàn)界面介紹

軟件最主要的界面有3個(gè):一是轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制界面;二是儀器設(shè)備參數(shù)設(shè)置界面;三是數(shù)據(jù)處理界面。其中運(yùn)動(dòng)控制界面為本軟件系統(tǒng)的核心，該界面分為5個(gè)部分，分別是:(1)轉(zhuǎn)臺(tái)參數(shù)設(shè)置與運(yùn)動(dòng)按鈕;(2)轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制選擇;(3)信號(hào)源狀態(tài)、信號(hào)幅值、轉(zhuǎn)臺(tái)角度的實(shí)時(shí)顯示;(4)繪圖區(qū)域設(shè)置及繪圖區(qū)域;(5)系統(tǒng)功能及所繪天線特征的編輯。主控界面如圖5所示。

3 測(cè)試結(jié)果數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)的另外一個(gè)重點(diǎn)部分是對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，打開(kāi)在運(yùn)動(dòng)控制界面保存的方向圖數(shù)據(jù)文件，軟件會(huì)根據(jù)保存的數(shù)據(jù)文件重新繪制出方向圖，并自動(dòng)算出和圖峰值、主瓣寬度、旁瓣電平、差圖差不對(duì)稱、零深等，而且根據(jù)需要能夠計(jì)算出和差矛盾、天線增益等。同時(shí)還能夠按照需要的格式打印出方向圖報(bào)告。圖6所示是1張和圖和1張差圖的重疊效果圖，和圖起始角為－21°，終止角為21°，角度采集間隔為 0.01°;差圖起始角為－10°，終止角為10°，角度采集間隔為0.01°。圖6所示為數(shù)據(jù)處理分析結(jié)果。

圖5 主控界面

圖6 數(shù)據(jù)處理分析結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)使用VC++設(shè)計(jì)的測(cè)試軟件運(yùn)行穩(wěn)定，軟件功能能夠滿足基本測(cè)試要求。隨著測(cè)試系統(tǒng)對(duì)測(cè)試軟件功能要求越來(lái)越高，未來(lái)測(cè)試軟件將會(huì)更加智能化。

本系統(tǒng)根據(jù)項(xiàng)目工程要求，使用研華ADAM－5000智能模塊和安捷倫E5810ALAN/GPIB網(wǎng)關(guān)，較好地解決了測(cè)試系統(tǒng)對(duì)發(fā)射端儀器設(shè)備的控制，為天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制設(shè)備提供了一個(gè)很好的解決方案，對(duì)使用工控機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制GPIB設(shè)備具有一定借鑒意義。

[1] 黃國(guó)勇，高長(zhǎng)水，繆興華.天線測(cè)試臺(tái)控制系統(tǒng)的研制[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2002(4):10－12.

[2] 盧志茂，馮進(jìn)玫.光纖通信[M].北京:北京大學(xué)出版社，2010.

[3] 孫鑫，余安萍.VC++深入詳解[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006.