天線(xiàn)方向圖測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

張燁

摘 要：針對(duì)傳統(tǒng)線(xiàn)方向圖測(cè)量方法效率低、精度差、以及可測(cè)頻段單一的缺點(diǎn)，本文設(shè)計(jì)了微波天線(xiàn)方向圖測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)進(jìn)行了比較詳細(xì)的闡述，并得出了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。這個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較的簡(jiǎn)單，并且成本比較低，在高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)中比較的適用。

關(guān)鍵詞：天線(xiàn)；方向圖；微波；多頻段

在進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)臅r(shí)候，天線(xiàn)是非常關(guān)鍵的，并且無(wú)線(xiàn)電磁波無(wú)論是接收還是發(fā)射，都是通過(guò)天線(xiàn)進(jìn)行的，所以，天線(xiàn)設(shè)計(jì)會(huì)直接給無(wú)線(xiàn)性能造成較大的影響。而作為天線(xiàn)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一——方向圖，能直觀(guān)的反映出天線(xiàn)的重要性能，因而繪制不同頻段天線(xiàn)的方向圖則至關(guān)重要。目前，實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用的天線(xiàn)的頻段主要為800MHz或者2.4GHz，因此只能繪制出特定頻段的方向圖，為了解決這一問(wèn)題，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)出一款多頻段的天線(xiàn)方向圖測(cè)試系統(tǒng)，將單一頻點(diǎn)的測(cè)試模式升級(jí)為多頻點(diǎn)，可自動(dòng)測(cè)試頻段為50MHz——4.3GHz天線(xiàn)的方向圖并繪制顯示。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)不同頻段天線(xiàn)特性的測(cè)試加深學(xué)生對(duì)天線(xiàn)方向圖的感知認(rèn)識(shí)，同時(shí)學(xué)生可用該系統(tǒng)設(shè)計(jì)各種天線(xiàn)進(jìn)行天線(xiàn)特性測(cè)試。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)提供了一種測(cè)量天線(xiàn)方向圖的測(cè)試平臺(tái)，如圖1所示，系統(tǒng)包含發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、電機(jī)控制系統(tǒng)、天線(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)、數(shù)據(jù)處理及終端顯示系統(tǒng)發(fā)射天線(xiàn)發(fā)射電磁波，輸出電平數(shù)字程控可調(diào)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)被測(cè)天線(xiàn)進(jìn)行接收，電動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)1周，360度，測(cè)出被測(cè)范圍內(nèi)不同角度處的信號(hào)電平，再經(jīng)過(guò)A/D 將模擬量（角度值，電壓值）轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送入單片機(jī)，最后在液晶上顯示天線(xiàn)方向。

2 測(cè)試原理

所謂輻射參量包括輻射的通量密度、場(chǎng)強(qiáng)、香味和季華，在通常情況下，輻射方向圖在遠(yuǎn)區(qū)測(cè)定，并表表示為空間方向坐標(biāo)的函數(shù)。

天線(xiàn)位于坐標(biāo)原點(diǎn)。在距離天線(xiàn)等距離（r=常數(shù)）的球面上，天線(xiàn)在各點(diǎn)產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)隨空間方向的變化曲線(xiàn)，成為場(chǎng)強(qiáng)方向圖。

所以，要測(cè)歸一化場(chǎng)強(qiáng)方向圖，只要測(cè)得在距離天線(xiàn)等距離舳球面上各點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)即可。

根據(jù)天線(xiàn)的互易性原理.將被測(cè)天線(xiàn)作為接收天線(xiàn).固定的輻射天線(xiàn)作為發(fā)射天線(xiàn)。由發(fā)射天線(xiàn)發(fā)射電磁波，轉(zhuǎn)動(dòng)被測(cè)天線(xiàn)進(jìn)行接收，測(cè)出被測(cè)范圍內(nèi)不同角度處的信號(hào)電平，便可得到被測(cè)天線(xiàn)的方向圖。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在測(cè)量的時(shí)候，本質(zhì)上天線(xiàn)方向自動(dòng)測(cè)量的原理和手動(dòng)測(cè)量一樣，能夠切實(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、自動(dòng)進(jìn)行方向圖的繪制。進(jìn)行測(cè)量時(shí)天線(xiàn)在被測(cè)量的時(shí)候，會(huì)連續(xù)的進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，并且可以接受到天線(xiàn)發(fā)射的相關(guān)微博信號(hào)。在進(jìn)行信號(hào)接收的時(shí)候，通過(guò)變換和放大以及進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換后將其傳給單片機(jī)。在轉(zhuǎn)動(dòng)天線(xiàn)時(shí)，錄取信號(hào)的裝置會(huì)根據(jù)需要來(lái)轉(zhuǎn)換天線(xiàn)位置，并將獲得的信號(hào)轉(zhuǎn)變成為數(shù)字信號(hào)。本系統(tǒng)中采用STM32作為主控制器。

3.1 發(fā)射端

（1）穩(wěn)幅信號(hào)源：由觸摸切換選擇兩種頻段輸出，頻段分別為 50M-4.3GHz，可由被測(cè)天線(xiàn)選擇輸出信號(hào)。

（2）可調(diào)衰減器：內(nèi)置，衰減量 0-30 dB，0.6 dB 步進(jìn)。

（3）頻率計(jì)：內(nèi)置，測(cè)量發(fā)射信號(hào)頻率。

（4）頻率計(jì)：內(nèi)置，測(cè)量發(fā)射信號(hào)頻率。

3.2 接收端

（1）低噪聲放大器：內(nèi)置；

（2）電機(jī)：1分鐘每轉(zhuǎn)，帶暫?？刂?，帶轉(zhuǎn)動(dòng)鉸鏈，防止天線(xiàn)饋線(xiàn)繞圈；

（3）角度錄取及電平錄取同步計(jì)算；

（4）液晶顯示方向圓圖。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)主要針對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將單一頻點(diǎn)的測(cè)試模式升級(jí)為多頻點(diǎn)測(cè)試模式，以提升測(cè)試的整體效率，同時(shí)包含天線(xiàn)方向圖自動(dòng)繪制軟件，在液晶界面上直接顯示，測(cè)量各種天線(xiàn)的特性，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過(guò)程的全面自動(dòng)化。主要包括：測(cè)試設(shè)備的控制自動(dòng)化、待測(cè)天線(xiàn)射頻通路（通道）切換的自動(dòng)化、數(shù)據(jù)采集和報(bào)告生成的自動(dòng)化增加。同時(shí)，本系統(tǒng)替代矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀“黑匣子”式的測(cè)試方法，學(xué)生在測(cè)試的同時(shí)，了解天線(xiàn)的測(cè)試原理及電路構(gòu)成，系統(tǒng)組成部件均可調(diào)，改變組成部件的參數(shù)，觀(guān)察不同的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。因此可以直接應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

參考文獻(xiàn)：

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