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隨著(zhù)電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電磁研究的不斷深入，天線(xiàn)作為信號接收和發(fā)射不可或缺的關(guān)鍵部件，其發(fā)展和應用已經(jīng)滲透到雷達、電子對抗、導航和通信等諸多領(lǐng)域。高性能新型天線(xiàn)的設計與研制已成為一種迫切的需要，從而對測試手段也提出了更高的要求。在傳統天線(xiàn)測量中，通常采用的都是單通道，單頻點(diǎn)的測量方式，這種測量方法煩瑣、費時(shí)，有時(shí)還會(huì )得到片面的結果，很難全面刻畫(huà)天線(xiàn)的頻帶響應特性。尤其是現代寬帶、超寬帶天線(xiàn)的研制和發(fā)展，以及低可探測目標的RCS測量，隱身與反隱身材料特性的研究等都迫切需要應用掃頻技術(shù)來(lái)提高效率。在天線(xiàn)掃頻測量中，采用掃頻信號(一個(gè)頻率值隨時(shí)間按一定規律，在一定頻率范圍內掃動(dòng)的信號代替以往使用的固定頻率信號)可以對被測天線(xiàn)進(jìn)行快速、定量的動(dòng)態(tài)測量，給出天線(xiàn)頻帶特性的實(shí)時(shí)測量結果，從而為天線(xiàn)的調整、校準及故障排除提供了有力的手段。測量中通過(guò)對射頻開(kāi)關(guān)的控制在各通道間進(jìn)行切換，可實(shí)現天線(xiàn)的多通道自動(dòng)測量。近代微波和天線(xiàn)測量技術(shù)，要求準確、快速、智能和自動(dòng)以提高測量的工作效率。在組成測量系統時(shí)，首要的是具有高性能的接收機、信號源和相應的控制部件，才能組成符合要求的自動(dòng)測量系統。掃頻測量系統與傳統的點(diǎn)頻測量系統，在組成原則上是相同的，所不同的是掃頻測量系統要求信號源能輸出以直接方式進(jìn)行線(xiàn)性?huà)邉?dòng)的信號，而測量裝置要有足夠的帶寬。對于天線(xiàn)測量系統而言，還必須具有協(xié)調各部件同步執行的控制器。系統組成見(jiàn)圖1。 該系統由射頻、控制和機械子系統組成。工業(yè)控制機通過(guò)對運動(dòng)控制器，驅動(dòng)器，交流伺服電機的控制來(lái)實(shí)現待測天線(xiàn)和輔助天線(xiàn)的位移和定位，通過(guò)GPIB接口完成對Anritsu 37169C網(wǎng)絡(luò )分析儀和Anritsu MG3694A信號源的控制，使其在測試過(guò)程按預訂的要求自動(dòng)完成信號的發(fā)射，接收，數據采集和傳遞。然后由數據處理軟件包對測量數據進(jìn)行分析，獲得天線(xiàn)遠場(chǎng)輻射特性信息，如遠場(chǎng)方向圖的主瓣寬度，副瓣電平，位置；單脈沖天線(xiàn)的零深及差斜率等一系列特性參數，并將圖形或數據在屏幕顯示或打印輸出。 1 Anritsu射頻系統 對天線(xiàn)測量而言，Anritsu37169C矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀是一種高性能的快速測量S參數的專(zhuān)用儀器。該儀器除了具有速度快、高精度特點(diǎn)外，還具備豐富的編程指令，其所有的人工操作功能都可由計算機程序來(lái)控制，計算機與它的通信聯(lián)絡(luò )由GPIB接口電路來(lái)實(shí)現。在遠場(chǎng)測試中，Anritsu37169C工作于連續波或掃頻模式，并通過(guò)外觸發(fā)，以最快的速度實(shí)現測量，測試觸發(fā)信號來(lái)自多軸運動(dòng)控制器，測試數據被暫存在A(yíng)nritsu37169C內存里，然后由計算機通過(guò)GPIB快速讀入，這些數據經(jīng)過(guò)處理變成所需的幅度相位或實(shí)虛部數據格式。 1.1 Anritsu37169C主要技術(shù)指標 37100C系列微波矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀將快速合成掃頻源，自動(dòng)反轉的S參數測試裝置及四通道接收機集成于一體，其先進(jìn)的測試水平，大大加快了生產(chǎn)測試速度。37169C具有快速的合成掃描功能，每個(gè)測量點(diǎn)的掃描更新時(shí)間小于2ms，為保證測量精度，每個(gè)數據點(diǎn)都是經(jīng)鎖相并進(jìn)行了矢量誤差修正。內部信號源分辨率為1Khz就能滿(mǎn)足大部分寬帶和窄帶帶寬的要求，對于要求更高的頻率精度，則可用1Hz的頻率分辨率和高穩定度的時(shí)基。37169C配有兩個(gè)GPIB接口，利用高速數據傳輸，配合快速誤差修正掃描，從而最大限度的提高生產(chǎn)率。37169C大容量的內存、用好的用戶(hù)界面和簡(jiǎn)便易用的特點(diǎn)，也為其廣泛應用提供了條件。儀器技術(shù)指標如下： 1.2 多源模式 根據37169C的技術(shù)指標，在毫米波段儀器的內部源輸出功率最大為-3dBm,對于遠場(chǎng)測量，為了保證天線(xiàn)測試系統的動(dòng)態(tài)范圍，必須提高發(fā)射端的功率電平,我們采用37169C加MG3694A合成信號發(fā)生器的系統配置方案。MG3694A是自動(dòng)測試系統中理想的信號發(fā)生器，其大功率輸出保證了經(jīng)過(guò)測試系統交換和電纜損耗之后，仍能保證有足夠的信號強度。精確的穩幅功率輸出，從-120dBm以0.01dB步進(jìn)，可以實(shí)現接收機高靈敏度的測量。 37100C系列矢網(wǎng)具有強大的多源控制功能。利用多源控制功能，可以很方便的進(jìn)行混頻器、倍頻器測量。無(wú)需外部控制器控制，就可以獨立控制兩個(gè)信號源和一個(gè)接收機�？煞謩e設定兩個(gè)信號源的頻率范圍和輸出功率，以及接收機的掃描范圍。多源方式的設定，包括定義每段的頻率范圍和段內信號源、接收機的工作方式。源1為內部源，用于驅動(dòng)端口1和端口2,源2為外部源，可通過(guò)GPIB接口編程控制；矢網(wǎng)與外部信號源的同步通過(guò)10MHz時(shí)基控制。圖2為多源方式儀器設定。 2 基于PMAC的開(kāi)放式數控系統 我們研制的遠場(chǎng)測量系統是基于PMAC的開(kāi)放式數控系統，與國內外同類(lèi)產(chǎn)品比具有領(lǐng)先水平。數控系統以工業(yè)控制機為平臺，PMAC為控制器構成主從式雙微處理器結構。工控機負責采樣參數的設定、測試、數據的處理。PMAC控制轉臺的伺服運動(dòng),并在采樣的精確位置為網(wǎng)絡(luò )分析儀提供觸發(fā)脈沖。 PMAC可編程多軸運動(dòng)控制器是美國Delta Tau 公司研制的世界上功能最強大的運動(dòng)控制器之一。它首先全面地開(kāi)發(fā)了DSP (Digital Signal Processing)功能，具有極快的處理速度，每軸的伺服更新在20－30 從而保證了伺服的剛性和響應速度，同時(shí)減小了系統誤差和滯后。另外，PMAC良好的軌跡特性，為高級伺服應用提供了準確性和平滑性，而其大寬帶輸入特性也為轉臺的快速精密運動(dòng)提供了保障。軟件方面PMAC的開(kāi)放結構，編程的靈活性以及后臺運行的PLC（Programable Logic Control）程序都為系統的開(kāi)發(fā)提供了便利條件。 控制系統配置時(shí)需根據應用中的總線(xiàn)結構、電機類(lèi)型、反饋元件等對PMAC進(jìn)行擴展。 其中包括從絕對編程器或激光干涉儀獲得反饋的I/O板，伺服驅動(dòng)單元，伺服電機，雙端口存儲器等進(jìn)而形成完整的數控系統。數控系統結構如圖3。 工業(yè)控制機與矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀之間的通訊由GPIB（General Purpose Interface Bus）總線(xiàn)完成。主機通過(guò)GPIB卡設置矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀的頻率，信號源功率，激勵方式，中頻帶寬等測量參數。遠場(chǎng)測量時(shí)，網(wǎng)絡(luò )分析儀收到PMAC的觸發(fā)脈沖后立即進(jìn)行幅相數據采集并將其存入緩沖區，隨后送到主機進(jìn)行實(shí)時(shí)數據顯示。系統配置的AGP（Accelerated Graphics Port）雙端口顯示卡，可將桌面擴展到兩個(gè)顯示器。實(shí)現轉臺位置信息的實(shí)時(shí)監控。 控制軟件包括對PMAC和GPIB接口的控制，并由此實(shí)現轉臺的閉環(huán)控制，以及網(wǎng)絡(luò )分析儀的功能設定與采樣控制�？刂栖浖墓δ苣K包括：系統初始化，PMAC參數設定，矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀控制，文件管理，運動(dòng)軸定位，遠場(chǎng)測試等功能。 在定位控制和遠場(chǎng)掃描中不僅要對PMAC設置運動(dòng)及采樣參數，而且需要對各軸的位置反饋信息進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，即實(shí)現上下位機間的實(shí)時(shí)通訊。軟件采用PCOMM32動(dòng)態(tài)連接庫實(shí)現通訊。PCOMM32與GPIB驅動(dòng)結構框圖見(jiàn)圖4。 在驅動(dòng)程序的外層開(kāi)發(fā)人員可采用Visual Basic、C++、Delphi等可視化語(yǔ)言進(jìn)行編程，并充分利用Windows豐富的GUI(Graphics User Interface)函數創(chuàng )建友好的人機界面。 3 系統軟件包 天線(xiàn)遠場(chǎng)測量系統是一套在計算機控制下的高精度自動(dòng)測試設備。整個(gè)系統的正常工作依賴(lài)于系統軟件的支持。系統軟件包括在遠場(chǎng)測量方式下對被測天線(xiàn)及輔助天線(xiàn)各運動(dòng)軸的驅動(dòng)控制，通過(guò)GPIB接口對矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀Anritsu 37169C的設定和控制,以及遠場(chǎng)信息的采集，存儲和天線(xiàn)輻射特性分析處理。全部軟件采用模塊結構，在WINDOWS界面下，通過(guò)窗體屏幕，菜單提示，簡(jiǎn)單人機對話(huà)等方式為用戶(hù)提供極大的方便。系統具有連續波點(diǎn)頻測量、多通道測量、掃頻測量和極化測量功能。各種方式的靈活組合，充分滿(mǎn)足了用戶(hù)的測試需求。系統軟件包括測量和數據處理兩大功能，其它選項可以幫助用用戶(hù)分析和處理數據。 (1) 測量部分由五個(gè)功能模塊組成： 掃描設定：本模塊允許用戶(hù)定義測試類(lèi)型和待側天線(xiàn)的基本特性，該信息將作為自動(dòng)測試參數； 多通道設置：本模塊由于自動(dòng)產(chǎn)生通道選擇表，用戶(hù)可以選擇掃描速度； 掃頻測量設定：選擇掃頻測量頻率，生成頻率列表； 接收機控制：控制Anritsu 37169C矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀和綜合頻率源。根據掃描方式設定儀器工作狀態(tài)； 定位功能：控制轉臺和極化器的精確確定和測量軌跡。 (2) 數據處理部分 遠場(chǎng)方向圖參數分析：用戶(hù)可以輸入和改變遠場(chǎng)方向圖的顯示方式，并可對數據進(jìn)行歸一化、平滑、移動(dòng)、截斷等處理； 掃頻數據處理：實(shí)現多頻點(diǎn)數據的顯示、參數分析、比較和轉換； 數據比較、疊加、平滑功能；分析比較個(gè)通道方向圖的差別。分段平滑測試數據。 立體方向圖重構：根據E面和H面方向圖重構天線(xiàn)的空間立體方向圖。 4 測試實(shí)例 根據圖1遠場(chǎng)測量系統配置，我們對某機載多通道天線(xiàn)進(jìn)行了掃頻測量，測試通道數為3，極化狀態(tài)為1，頻率點(diǎn)數為11。一次掃描完成33個(gè)方向圖測量。因而整個(gè)測量時(shí)間約為2min。在保證近場(chǎng)測量精度的同時(shí)，與單通道單頻點(diǎn)遠場(chǎng)測量相比測試效率提高了20倍。圖5為某天線(xiàn)第二通道，11個(gè)頻率的遠場(chǎng)方向圖。圖6為中心頻率三個(gè)通道方向圖比較。 5 結論 毫米波多通道掃頻遠場(chǎng)測量系統是一套基于PMAC多軸運動(dòng)控制器的高精度、多功能、自動(dòng)化的測量設備。該系統集數據分析、圖像處理、系統控制等功能于一體，能方便快捷地完成天線(xiàn)遠場(chǎng)測量任務(wù)，是天線(xiàn)現代化測試技術(shù)的高度集成。系統采用Anritsu"閃電"37169C矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀和MG3694微波合成信號發(fā)生器，在保證測量精度的同時(shí)，實(shí)現了多通道掃頻遠場(chǎng)測量，有效地降低了測量時(shí)間。系統滿(mǎn)足了毫米波遠場(chǎng)測試的高指標要求，與國外同類(lèi)產(chǎn)品相比，具有良好的性能價(jià)格比和推廣應用價(jià)值。 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