天線測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)控制技術(shù)探討與實(shí)踐

韓 烽 中國(guó)信息通信研究院泰爾系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室工程師

王雅娜 中國(guó)信息通信研究院泰爾系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室高級(jí)工程師

1 引言

1.1 研究背景及意義

通常，一個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)包括移動(dòng)基站、傳輸媒介、交換設(shè)備、接收終端等。通信基站根據(jù)其服務(wù)范圍大小及用戶多少，發(fā)射功率從幾瓦到上百瓦不等。一般情況下，基站天線被安裝在離地面15～50m的建筑物或發(fā)射塔上。天線的性能直接關(guān)系到整個(gè)通信系統(tǒng)的性能，天線測(cè)試技術(shù)在現(xiàn)代通信領(lǐng)域中的地位日益重要。

在天線相關(guān)參數(shù)的測(cè)試中，人們最為關(guān)心的內(nèi)容之一就是天線輻射場(chǎng)與射線方向之間的關(guān)系，也就是天線的方向性，可以用天線方向圖對(duì)它進(jìn)行表述。天線方向圖即為在距天線輻射中心一定距離的球面上，天線輻射場(chǎng)強(qiáng)的相對(duì)大小與射線方向之間關(guān)系的曲線圖。一般情況下，主要研究天線水平面（赤道曲）和垂直面（子午面）這兩個(gè)二維平面方向圖。天線方向圖的測(cè)試方法也是主要沿襲了這個(gè)思想。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)際上擁有成熟天線測(cè)試系統(tǒng)的公司和實(shí)驗(yàn)室主要有美國(guó)的NSI、MIT，以色列的Orbit等。NSI在全球已經(jīng)有數(shù)百余套測(cè)試系統(tǒng)，技術(shù)成熟。Orbit公司的產(chǎn)品也具有很高的自動(dòng)化程度并具有多種擴(kuò)展接口。MIT則在測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)方面最為成熟。

國(guó)內(nèi)的天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)雖然起步較早，在20世紀(jì)80年代就已經(jīng)有了較為成熟的測(cè)試方法和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)移動(dòng)通信天線的相關(guān)名詞術(shù)語(yǔ)及技術(shù)要求進(jìn)行了定義，并對(duì)天線方向圖測(cè)試場(chǎng)的配置提出了多種方式。但直到20世紀(jì)末，天線測(cè)試的自動(dòng)化水平一直不高，測(cè)試是以手動(dòng)操作的方式為主，數(shù)據(jù)處理也是人工計(jì)算，過(guò)程繁瑣、測(cè)試效率及精度都較低。21世紀(jì)初，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)開始投入應(yīng)用。中國(guó)泰爾實(shí)驗(yàn)室的移動(dòng)通信室內(nèi)分布天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)于2007年開發(fā)，基站天線室外遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)則在2009年開始投入使用。

2 相關(guān)技術(shù)綜述

2.1 平臺(tái)與工具

在進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)之前，應(yīng)該先確定使用的平臺(tái)與開發(fā)工具。不同的技術(shù)或者產(chǎn)品有各自的優(yōu)缺點(diǎn)以及適用環(huán)境，這對(duì)設(shè)計(jì)及開發(fā)有很大的影響。

本文所述測(cè)試系統(tǒng)主要在微軟WindowsXP/7/8/10操作系統(tǒng)的PC計(jì)算機(jī)環(huán)境下運(yùn)行。經(jīng)過(guò)調(diào)研，選擇了使用微軟Office系列軟件進(jìn)行辦公及數(shù)據(jù)處理，采用VB和VBA進(jìn)行編程，使用GPIB總線與硬件系統(tǒng)進(jìn)行通信。

2.2 GPIB通用接口總線

GPIB（General-Purpose Interface Bus）是一種設(shè)備和計(jì)算機(jī)連接的總線。很多臺(tái)式儀器是通過(guò)GPIB線以及GPIB接口與電腦相連。

與GPIB對(duì)應(yīng)的是一種工程控制用的協(xié)議，最初由HP公司提出，后來(lái)成為一種國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，遵守的協(xié)議為IEEE488。一般被用來(lái)使用各種編程語(yǔ)言如VB、VC、C++實(shí)現(xiàn)電腦對(duì)儀器的控制。當(dāng)然也有某些儀器制造商自己開發(fā)的語(yǔ)言支持GPIB，如Keithley公司使用的Testpoint、NI公司的Labview等。只要被控儀器支持GPIB、工控機(jī)安裝IEEE488卡并通過(guò)GPIB線連接兩個(gè)設(shè)備，即可實(shí)現(xiàn)編程控制。

3 天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的架構(gòu)

3.1.1 天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的硬件組成

天線遠(yuǎn)場(chǎng)自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)的硬件是整個(gè)系統(tǒng)的支撐平臺(tái)。一套自動(dòng)化的天線測(cè)試系統(tǒng)所需要的核心硬件設(shè)備主要包括：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、功率放大器、多軸轉(zhuǎn)臺(tái)方位控制器、多路選擇開關(guān)、控制計(jì)算機(jī)以及控制電纜等，硬件連接框架圖如圖1所示。

各硬件設(shè)備的作用如下：

（1）矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀：擔(dān)任測(cè)試系統(tǒng)的信號(hào)源與接收機(jī)，按照所設(shè)定的頻率及功率發(fā)射電磁波，并檢測(cè)被測(cè)天線接收到的電磁波的幅度和相位。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀豐富的模式與參數(shù)設(shè)置對(duì)天線方向圖的自動(dòng)測(cè)試起著至關(guān)重要的作用。本文所述系統(tǒng)使用的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀型號(hào)為Agilent5071B。

（2）功率放大器：在天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試中，發(fā)射源天線與被測(cè)天線之間的距離較遠(yuǎn)，信號(hào)空間衰減大，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的發(fā)射功率不足以滿足需求，因此需要使用功率放大器放大信號(hào)。通常單一的功率放大器的帶寬有限，不足以覆蓋移動(dòng)通信天線的使用頻率，因此一套天線測(cè)試系統(tǒng)中可能需要不同頻段的功率放大器。

（3）轉(zhuǎn)臺(tái)控制器：天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試需要被測(cè)天線繞自己的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)，因此測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)是必不可少的重要設(shè)備。轉(zhuǎn)臺(tái)控制器可按照要求控制轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，并將轉(zhuǎn)臺(tái)的角度隨時(shí)顯示出來(lái)。此外，天線測(cè)試安裝支架的放倒和立起、不同頻段的發(fā)射源天線的切換也是依靠轉(zhuǎn)臺(tái)方位控制器進(jìn)行控制。本文所述系統(tǒng)使用的轉(zhuǎn)臺(tái)控制器型號(hào)為ETS2090。

（4）多路選擇開關(guān)：由于一套天線測(cè)試系統(tǒng)中可能需要不同頻段的功率放大器以及不同頻段的發(fā)射源天線，被測(cè)天線也可能擁有多個(gè)端口，為了提高自動(dòng)化測(cè)試的效率，需要多路選擇開關(guān)對(duì)通路進(jìn)行切換。

圖1 天線方向圖自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的硬件連接圖

（5）控制計(jì)算機(jī)：天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)控制軟件就安裝在控制計(jì)算機(jī)上。它通過(guò)GPIB總線與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、轉(zhuǎn)臺(tái)方位控制器、功率放大器等設(shè)備相連，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)控制與監(jiān)測(cè)。

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

根據(jù)天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的硬件組成和天線測(cè)試任務(wù)的需求，天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)主要分為兩個(gè)部分：硬件的自動(dòng)控制、測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)。

3.2 天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

3.2.1 硬件自動(dòng)控制的功能設(shè)計(jì)

天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的硬件自動(dòng)控制部分，主要負(fù)責(zé)測(cè)試系統(tǒng)與GPIB之間的通信，通過(guò)GPIB總線的讀取與寫入控制各硬件系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)。這部分主要包含GPIB通信的初始化、GPIB總線數(shù)據(jù)讀寫、硬件設(shè)備參數(shù)設(shè)置這3個(gè)功能。

（1）GPIB通信的初始化

主要作用是調(diào)用GPIB總線驅(qū)動(dòng)程序中的32位DLL模塊，根據(jù)各個(gè)設(shè)備配置的GPIB地址，將所需變量寫入GPIB驅(qū)動(dòng)程序的全局變量中，進(jìn)行GPIB總線的初始化，確保各個(gè)硬件設(shè)備的正常通信。若有某個(gè)硬件設(shè)備未連接，則彈出相應(yīng)的錯(cuò)誤信息提示。

（2）GPIB總線數(shù)據(jù)讀寫

依靠GPIB驅(qū)動(dòng)程序?qū)PIB總線數(shù)據(jù)進(jìn)行寫入和讀取，用于向各個(gè)硬件設(shè)備發(fā)送命令，以及讀取返回的數(shù)據(jù)。

（3）硬件設(shè)備參數(shù)設(shè)置

根據(jù)天線測(cè)試任務(wù)的需求，自動(dòng)控制軟件需要能夠方便地設(shè)置各個(gè)硬件設(shè)備的相應(yīng)參數(shù)，包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和轉(zhuǎn)臺(tái)控制器的GPIB地址、轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的中頻帶寬等參數(shù)。輸入模塊要能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查，確保用戶輸入的參數(shù)處在正確的范圍之內(nèi)。

3.2.2 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)的功能設(shè)計(jì)

天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試所需要獲取的數(shù)據(jù)包括被測(cè)天線在各個(gè)頻點(diǎn)下接收到的電磁波的幅度值，以及這一時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)臺(tái)方位角度值。前者通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量獲得，后者通過(guò)讀取轉(zhuǎn)臺(tái)方位控制器進(jìn)行讀取。這些數(shù)據(jù)均通過(guò)GPIB總線從相應(yīng)設(shè)備傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中。主要包含數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)兩大功能。

（1）數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集需要與天線測(cè)試自動(dòng)控制部分相配合，讓天線在測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)上按照測(cè)試方案進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)通過(guò)GPIB采集矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和轉(zhuǎn)臺(tái)控制器傳回的測(cè)試數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

為方便數(shù)據(jù)后續(xù)處理過(guò)程，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用微軟Excel電子表格軟件的xls文件格式進(jìn)行存儲(chǔ)。

3.3 天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.3.1 硬件自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)

（1）GPIB通信初始化模塊

GPIB通信初始化需要調(diào)用GPIB總線驅(qū)動(dòng)程序的32位DLL模塊，根據(jù)設(shè)備的GPIB地址，將所需變量寫入GPIB驅(qū)動(dòng)程序的全局變量中。若硬件設(shè)備連接異常則返回錯(cuò)誤信息。

（2）GPIB總線數(shù)據(jù)讀寫

GPIB總線數(shù)據(jù)讀寫模塊依靠GPIB驅(qū)動(dòng)程序?qū)PIB總線數(shù)據(jù)進(jìn)行寫入和讀取。GPIB總線的數(shù)據(jù)流為字符串。

（3）硬件設(shè)備參數(shù)設(shè)置

根據(jù)天線測(cè)試任務(wù)的需求，自動(dòng)控制軟件需要能夠方便地設(shè)置各個(gè)硬件設(shè)備的相應(yīng)參數(shù)（見(jiàn)圖2）。

窗體上部為GPIB地址設(shè)置部分，放置了3個(gè)文本框控件，分別設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和多軸轉(zhuǎn)臺(tái)控制器兩個(gè)轉(zhuǎn)軸的GPIB地址。中部為轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)定，8個(gè)文本框用于存儲(chǔ)轉(zhuǎn)臺(tái)預(yù)置的8個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)速度以及轉(zhuǎn)動(dòng)上下限，采用一個(gè)下拉列表控件選擇轉(zhuǎn)臺(tái)復(fù)位時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。下部為網(wǎng)絡(luò)分析儀的設(shè)置，使用文本框輸入網(wǎng)絡(luò)分析儀的掃描點(diǎn)數(shù)和中頻帶寬。

每個(gè)文本框通過(guò)代碼限定只能輸入數(shù)字，且數(shù)字必須符合規(guī)定的范圍。若輸入的是字母而非數(shù)字則用Val()將內(nèi)容變成0。若輸入的是負(fù)數(shù)則將內(nèi)容變成0。若文本框內(nèi)容為空，則禁用“確定”按鈕。

3.3.2 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)的實(shí)現(xiàn)

（1）數(shù)據(jù)采集程序的VB圖形用戶界面

數(shù)據(jù)采集程序的VB圖形用戶界面如圖3所示，界面最上端的“系統(tǒng)設(shè)置”按鈕可以轉(zhuǎn)到上一章所講的系統(tǒng)設(shè)置窗口，進(jìn)行GPIB地址、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、轉(zhuǎn)臺(tái)方位控制器的參數(shù)設(shè)置?！稗D(zhuǎn)臺(tái)”和“轉(zhuǎn)軸”兩個(gè)單選按鈕用來(lái)切換多軸轉(zhuǎn)臺(tái)的兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸。中部為“參數(shù)選擇”部分，可以設(shè)置被測(cè)天線類型、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的發(fā)射功率、多軸轉(zhuǎn)臺(tái)方位控制器的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，以及所需測(cè)試的頻點(diǎn)。下部的“測(cè)試控制”用來(lái)開始及停止測(cè)試，并可設(shè)置保存的文件名，以及通過(guò)進(jìn)度條監(jiān)控測(cè)試進(jìn)度因后臺(tái)采用Excel軟件，在非正常退出時(shí)可能因待寫文件未正常關(guān)閉而造成錯(cuò)誤，因此設(shè)置了“關(guān)閉所Excel進(jìn)程”按鈕，方便測(cè)試的準(zhǔn)備。

圖2 系統(tǒng)設(shè)置窗體

界面中最主要的輸入控件為“測(cè)試頻點(diǎn)”文本框，可一次輸入多個(gè)頻點(diǎn)，以空格鍵作為分隔。當(dāng)該文本框內(nèi)容非空時(shí)，將內(nèi)容以空格鍵為分隔存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)組中，并從數(shù)組中找到最小值和最大值，作為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀掃描頻率的起始頻點(diǎn)和終止頻點(diǎn)。

圖3 數(shù)據(jù)采集程序的VB圖形用戶界面

（2）設(shè)備的初始化模塊

這個(gè)模塊將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、轉(zhuǎn)臺(tái)方位控制器所需的各項(xiàng)參數(shù)通過(guò)GPIB寫入到相應(yīng)的設(shè)備中，并將轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)到初始位置，準(zhǔn)備開始測(cè)試（見(jiàn)圖4）。

（3）測(cè)試數(shù)據(jù)采集模塊

這個(gè)模塊的功能是先自動(dòng)生成一個(gè)Excel工作簿文件，根據(jù)測(cè)試的頻點(diǎn)的個(gè)數(shù)生成相同數(shù)目的工作表（Sheets），并根據(jù)測(cè)試頻點(diǎn)為各個(gè)工作表命名。然后調(diào)用GPIB總線的相應(yīng)命令，控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和轉(zhuǎn)臺(tái)方位控制器，開始天線方向圖測(cè)試并自動(dòng)記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。當(dāng)測(cè)試結(jié)束后，保存相應(yīng)數(shù)據(jù)、停止網(wǎng)絡(luò)分析儀的功率發(fā)射，并命令轉(zhuǎn)臺(tái)返回起始位置（見(jiàn)圖5）。

（4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的文件格式

為方便數(shù)據(jù)后續(xù)處理過(guò)程，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)采用微軟Excel電子表格軟件的xls文件格式進(jìn)行存儲(chǔ)。

●每個(gè)xls文件為一個(gè)工作簿（WorkBook）。

圖4 設(shè)備的初始化模塊的工作流程

●每個(gè)工作簿包含多個(gè)工作表（Sheet），工作表的數(shù)量與該次測(cè)試的頻點(diǎn)數(shù)相同，工作表的名稱以測(cè)試頻率命名（單位為MHz）。

●工作表的第1列（A列）存儲(chǔ)轉(zhuǎn)臺(tái)角度信息，單位為“度”。

●工作表的第2列（B列）存儲(chǔ)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的電平信息，單位為“dB”。

●工作表的第4列（D列）及后續(xù)列存儲(chǔ)被測(cè)天線類型等其他輔助信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文以天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)為依托，以天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)為研究對(duì)象，以提供一套移動(dòng)通信天線自動(dòng)化測(cè)試方案為目的，對(duì)天線遠(yuǎn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，為國(guó)內(nèi)天線測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了一種技術(shù)參考方案。本文主要進(jìn)行了以下幾點(diǎn)的設(shè)計(jì)和研究。

（1）天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)控制

自動(dòng)控制程序基于Windows平臺(tái)，使用VB面向?qū)ο箝_發(fā)的軟件對(duì)天線測(cè)試系統(tǒng)的硬件設(shè)備進(jìn)行控制。計(jì)算機(jī)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、轉(zhuǎn)臺(tái)自動(dòng)控制器通過(guò)網(wǎng)線和GPIB總線進(jìn)行連接，編程實(shí)現(xiàn)控制命令的發(fā)送和測(cè)試數(shù)據(jù)的接收。

圖5 數(shù)據(jù)采集程序的工作流程

（2）天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)采集

通過(guò)軟件編程，對(duì)天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的控制命令進(jìn)行集成，保證所有設(shè)備自動(dòng)化協(xié)同工作。利用VBA編程，控制Excel表格軟件采集轉(zhuǎn)臺(tái)方位控制器的角度信息和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的電平幅度信息，生成天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試方向圖數(shù)據(jù)文件并進(jìn)行保存。