是不是每次測量一個新的項目前都必須做校準

　　近場測量是IEEE協(xié)會規(guī)定的標準測量方法，該方法因其自身的優(yōu)點在現(xiàn)代天線測量中得到了日益廣泛的應(yīng)用。由于測量在近區(qū)進行，天線的遠區(qū)輻射特性需經(jīng)過嚴格的數(shù)學(xué)變換得到，所有的測量誤差都可以看成近場幅度和相位的誤差[1]。而探頭和被測天線的定位誤差是影響測量精度的主要因素之一。因而對控制探頭移動的取樣架和控制待測天線定位的轉(zhuǎn)臺提出了較高的定位精度要求。該要求接近于ISO規(guī)定的加工中心定位精度標準。(半閉環(huán)數(shù)控：分辨率1μm，定位精度7μm/300mm，重復(fù)定位精度4μm)。立柱式近遠場測量系統(tǒng)以PMAC(Programmable Multiple Axes Controller)可編程多軸控制器為CNC模塊，實現(xiàn)了探頭水平、垂直、伸縮、極化和轉(zhuǎn)臺方位、俯仰、天線極化共七軸的伺服驅(qū)動和精確定位。

　　二、 系統(tǒng)硬件組成

　　近場測量系統(tǒng)是計算機與信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、微波測量技術(shù)和機械技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程。硬件部分由微波測量、伺服驅(qū)動和機械(取樣架及轉(zhuǎn)臺)子系統(tǒng)組成。

　　1. 機械子系統(tǒng)

　　近場測量對取樣架和轉(zhuǎn)臺設(shè)計要求具有高定位精度和良好的動態(tài)響應(yīng)特性，即響應(yīng)快且穩(wěn)定性好。因此我們在設(shè)計中提出無間隙、低摩擦、低慣量、高剛度、高諧振頻率等要求，具體實現(xiàn)措施為：

　　* 采用低摩擦阻力的傳動部件和導(dǎo)向部件。如X，Y，Z向的滾珠絲杠副和滾動直線導(dǎo)軌;

　　* 縮短傳動鏈，提高傳動與支撐剛度。如用加預(yù)緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動直線導(dǎo)軌副的傳動與支撐剛度;采用大扭矩的交流伺服電機直接與絲杠連接以減少中間傳動機構(gòu);

　　* 采用消隙齒輪，縮小反向誤差。

　　2. 伺服驅(qū)動

　　伺服驅(qū)動部分采用松下A系列交流伺服電機和驅(qū)動器，具有功率密度大、快速性好、位置控制精度高、可靠性高、壽命長等優(yōu)點。

　　3. RF部分

　　從RF信號源發(fā)出的射頻能量通過低耗電纜送到待測天線，并用定向耦合器從信號輸出口耦合出一小部分功率送到幅相接收機作為幅度和相位的基準信號。而待測天線輻射的一小部分功率被校準過的探頭天線接受，并由低耗電纜送至接收機。

　　Anritsu 37100C系列微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，具有很強的靈活性，能滿足大多數(shù)接收機測量的要求。它除了具有測量4個S參數(shù)的能力外，還在接收機的前端增加了一個反射計，37147C覆蓋的頻率范圍是22.5MHz到20GHz。新一代的VNA增加了一個高速處理器，并具有快速功率掃描功能。使用37147C的快速CW方式，通過GPIB告訴獲取數(shù)據(jù)，能提高遠場測量能力。采用內(nèi)部觸發(fā)能實現(xiàn)0.8ms/點，采用外部觸發(fā)能實現(xiàn)1.2ms/點，采用GPIB觸發(fā)能實現(xiàn)1.5ms/點。

　　對于近場測量，采用了內(nèi)部緩沖器數(shù)據(jù)采集。它能從多掃描中存儲工作信道的測量數(shù)據(jù)，而不必等到每個掃描結(jié)束的時候再進行同步和采集數(shù)據(jù)。37147C最多能存儲50000個測試數(shù)據(jù)點，每個點包含IEEE754的4個字節(jié)浮點數(shù)字的實部和虛部。

　　4. 控制系統(tǒng)

　　計算機通過PC-PMAC多軸控制器來控制伺服電機的定位。GPIB接口板用于PC與RF設(shè)備之間的通訊。PC-PMAC多軸控制器完成兩個基本功能：1)給接收機發(fā)TTL觸發(fā)脈沖，通知它進行采樣測量。該功能由采樣程序自動設(shè)置。2)控制掃描架和天線轉(zhuǎn)臺的運動。根據(jù)不同的測量目的，該功能要求輸入相應(yīng)的測試參數(shù)。

　　PMAC多軸控制器采用開放式結(jié)構(gòu)，允許用戶通過參數(shù)設(shè)置來改變運動控制行為。系統(tǒng)采用半閉環(huán)方式，根據(jù)輸入的位置誤差由PID參數(shù)、速度前饋、加速度前饋、摩擦前饋增益等參數(shù)來確定輸出控制信號。由于不適當?shù)膮?shù)會造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定和機械振動，因此參數(shù)整定時應(yīng)按一定的步驟和原則進行。

　　控制軟件能夠支持PC與RF設(shè)備之間的GPIB通訊和數(shù)據(jù)傳輸。當探頭天線位于測量網(wǎng)格點上或掃頻方式中不同頻點建立時，接收機被觸發(fā)。在采樣位置上PMAC多軸控制器通過設(shè)置輸出變量來產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。探頭天線的運動軌跡和采樣點位置由測試參數(shù)決定。

三、 工作原理

　　1. 半閉環(huán)

　　取樣架和轉(zhuǎn)臺的伺服驅(qū)動是按閉環(huán)反饋方式工作的，采用交流伺服電機驅(qū)動，同時配有速度反饋和位置反饋。掃描中隨時檢測取樣架/轉(zhuǎn)臺的實際位置，并及時反饋給控制卡中的比較器，將其與插補運算所得的指令位置相比較，它們的差值作為控制信號驅(qū)動取樣架/轉(zhuǎn)臺運動，來消除位置誤差。

　　作為位置檢測部件的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在伺服電機的軸端，因而系統(tǒng)是半閉環(huán)的。由于大部分機械傳動環(huán)節(jié)未包括在環(huán)路內(nèi)，因此可獲得較穩(wěn)定的控制特性。盡管絲杠和齒輪的傳動誤差不能通過反饋得到及時校正，但可采用軟件定位補償?shù)姆椒▉磉m當提高精度。

　　探頭的定位精度和速度是近場測量系統(tǒng)的兩個重要指標，它們直接關(guān)系到采樣數(shù)據(jù)的可靠性和準確性，以及系統(tǒng)的工作效率。因而系統(tǒng)設(shè)計時對各軸的定位精度和位移速度提出了較高的要求。為使探頭在連續(xù)運動中能在精確的網(wǎng)格位置上采樣，系統(tǒng)采取的主要措施有：

　　* 數(shù)控選用PMAC可編程多軸控制器，可是實現(xiàn)8軸聯(lián)動。每軸的伺服更新周期30μs，保證控制器的處理能力和軌跡特性。

　　* 伺服驅(qū)動采用"伺服電機+滾珠絲杠+直線滾動導(dǎo)軌"的運動機構(gòu)，保證了系統(tǒng)的機械傳動精度和工作穩(wěn)定性。

　　* 前饋控制技術(shù)的使用克服了指令位置與實際位置間的跟隨誤差。

　　* 軟件控制的速度環(huán)和位置環(huán)，提高了系統(tǒng)的柔性。

　　* 高分辨率的位置檢測裝置保證了系統(tǒng)的定位精度。電機軸端安裝的旋轉(zhuǎn)編碼器為2500p/rev，控制卡對其進行四倍頻處理。

　　* 補償技術(shù)：為提高探頭的位置精度和動態(tài)伺服性能，采用了軸向運動定點誤差補償、絲杠螺距誤差補償、間隙補償?shù)确椒ā?/P>

　　* 采用位置捕捉功能，確保了采樣點觸發(fā)的準確性。位置捕捉功能在一個外部事件進入一個特殊寄存器時，鎖住當前的編碼器位置。它完全由硬件執(zhí)行，無須軟件干預(yù)，這意味著唯一的延遲來自于硬件門的延遲，在任何機械系統(tǒng)中均可忽視，因而提供了非常精確的位置捕捉。

　　2. PID調(diào)節(jié)

　　PMAC自動閉合所有活動電機的的數(shù)字伺服環(huán)，伺服環(huán)產(chǎn)生一個使電機的實際位置逼近目標位置的輸出。它的效果依靠伺服環(huán)濾波器來調(diào)節(jié)參數(shù)的設(shè)置和被控對象的動力學(xué)性能。濾波器通過設(shè)置每個電機的I變量來調(diào)節(jié)輸出量。其中比例增益提供系統(tǒng)的硬度，微分增益提供穩(wěn)定需要的阻尼，積分增益消除穩(wěn)態(tài)誤差，速度前饋增益減小由于阻尼引入的跟隨誤差，加速度增益減小或消除由于系統(tǒng)慣性帶來的跟隨誤差。

　　參數(shù)整調(diào)時我們希望電機軸對階躍響應(yīng)的上升時間和建立時間盡可能地快，并且不引起超調(diào)。通常參數(shù)之間具有一定的平衡關(guān)系，尤其是快速響應(yīng)與低超調(diào)之間。如果放大器帶有指示器，則其自身提供了一個阻尼。當放大器調(diào)整較好時，數(shù)字濾波器中可以不加微分阻尼。PMAC設(shè)有積分控制開關(guān)，當Ix34=0時，在整個運動過程中都引入積分增益;當Ix34=1時，僅在運動停止時引入積分增益。兩種情況的實際運動情況將截然不同。Ix34=0時，將減小運動過程中的跟隨誤差，但會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并在運動結(jié)束時引入超調(diào)，對于沒有前饋的系統(tǒng)這一代價是值得的，但PMAC的速度和加速度前饋減小了跟隨誤差，因此通常設(shè)定Ix34=1，用以減小停止時由于靜摩擦和負載扭矩造成的靜態(tài)誤差。

　　濾波器輸出式中Kp位于最外層，它的改變同時影響微分和積分增益，如果想保持增益為常數(shù)，應(yīng)反方向改變Kd和Ki。有些系統(tǒng)中電機與負載的耦合會引起諧振，PID濾波器不能對此進行補償。只有通過降低增益和增加連接剛度加以克服。圖4為X軸的階躍響應(yīng)曲線和跟隨誤差調(diào)整曲線。

　　四、 軟件設(shè)計

　　控制軟件包括對PMAC多軸可編程卡和IEEE488接口卡的控制，并由此實現(xiàn)取樣架和轉(zhuǎn)臺的閉環(huán)控制及網(wǎng)絡(luò)分析儀的設(shè)定和采樣。軟件功能模塊包括：文件管理、各軸定位、預(yù)測試、近遠場測試、儀器控制及幫助等功能。主界面上同時設(shè)有快捷鍵，用戶可以通過點擊快捷鍵調(diào)用相應(yīng)的功能程序。人機接口為Windows98界面。主界面顯示的同時在數(shù)顯上給出各軸的位置信息。

　　1. 文件管理

　　該功能模塊完成數(shù)據(jù)文件的建立、編輯和打印。其中包括寫字板、新建文件、打開文件、保存文件、換名另存、文件刪除、文件關(guān)閉、打印機設(shè)置、打印及退出等功能。

　　2. 定位功能

　　該功能完成探頭和待測天線各軸的驅(qū)動定位。通過選擇運動方向和控制方式來控制各軸的運動，并實時顯示各軸的當前位置。連續(xù)運動