毫米波多通道掃頻天線測(cè)量系統(tǒng)

　　隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電磁研究的不斷深入，天線作為信號(hào)接收和發(fā)射不可或缺的關(guān)鍵部件，其發(fā)展和應(yīng)用已經(jīng)滲透到雷達(dá)、電子對(duì)抗、導(dǎo)航和通信等諸多領(lǐng)域。高性能新型天線的設(shè)計(jì)與研制已成為一種迫切的需要，從而對(duì)測(cè)試手段也提出了更高的要求。在傳統(tǒng)天線測(cè)量中，通常采用的都是單通道，單頻點(diǎn)的測(cè)量方式，這種測(cè)量方法煩瑣、費(fèi)時(shí)，有時(shí)還會(huì)得到片面的結(jié)果，很難全面刻畫(huà)天線的頻帶響應(yīng)特性。尤其是現(xiàn)代寬帶、超寬帶天線的研制和發(fā)展，以及低可探測(cè)目標(biāo)的RCS測(cè)量，隱身與反隱身材料特性的研究等都迫切需要應(yīng)用掃頻技術(shù)來(lái)提高效率。在天線掃頻測(cè)量中，采用掃頻信號(hào)(一個(gè)頻率值隨時(shí)間按一定規(guī)律，在一定頻率范圍內(nèi)掃動(dòng)的信號(hào)代替以往使用的固定頻率信號(hào))可以對(duì)被測(cè)天線進(jìn)行快速、定量的動(dòng)態(tài)測(cè)量，給出天線頻帶特性的實(shí)時(shí)測(cè)量結(jié)果，從而為天線的調(diào)整、校準(zhǔn)及故障排除提供了有力的手段。測(cè)量中通過(guò)對(duì)射頻開(kāi)關(guān)的控制在各通道間進(jìn)行切換，可實(shí)現(xiàn)天線的多通道自動(dòng)測(cè)量。近代微波和天線測(cè)量技術(shù)，要求準(zhǔn)確、快速、智能和自動(dòng)以提高測(cè)量的工作效率。在組成測(cè)量系統(tǒng)時(shí)，首要的是具有高性能的接收機(jī)、信號(hào)源和相應(yīng)的控制部件，才能組成符合要求的自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)。掃頻測(cè)量系統(tǒng)與傳統(tǒng)的點(diǎn)頻測(cè)量系統(tǒng)，在組成原則上是相同的，所不同的是掃頻測(cè)量系統(tǒng)要求信號(hào)源能輸出以直接方式進(jìn)行線性掃動(dòng)的信號(hào)，而測(cè)量裝置要有足夠的帶寬。對(duì)于天線測(cè)量系統(tǒng)而言，還必須具有協(xié)調(diào)各部件同步執(zhí)行的控制器。系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1。

　　該系統(tǒng)由射頻、控制和機(jī)械子系統(tǒng)組成。工業(yè)控制機(jī)通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器，驅(qū)動(dòng)器，交流伺服電機(jī)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)待測(cè)天線和輔助天線的位移和定位，通過(guò)GPIB接口完成對(duì)Anritsu 37169C網(wǎng)絡(luò)分析儀和Anritsu MG3694A信號(hào)源的控制，使其在測(cè)試過(guò)程按預(yù)訂的要求自動(dòng)完成信號(hào)的發(fā)射，接收，數(shù)據(jù)采集和傳遞。然后由數(shù)據(jù)處理軟件包對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，獲得天線遠(yuǎn)場(chǎng)輻射特性信息，如遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖的主瓣寬度，副瓣電平，位置；單脈沖天線的零深及差斜率等一系列特性參數(shù)，并將圖形或數(shù)據(jù)在屏幕顯示或打印輸出。

　　1 Anritsu射頻系統(tǒng)

　　對(duì)天線測(cè)量而言，Anritsu37169C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是一種高性能的快速測(cè)量S參數(shù)的專用儀器。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(jì)算機(jī)程序來(lái)控制，計(jì)算機(jī)與它的通信聯(lián)絡(luò)由GPIB接口電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。在遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試中，Anritsu37169C工作于連續(xù)波或掃頻模式，并通過(guò)外觸發(fā)，以最快的速度實(shí)現(xiàn)測(cè)量，測(cè)試觸發(fā)信號(hào)來(lái)自多軸運(yùn)動(dòng)控制器，測(cè)試數(shù)據(jù)被暫存在Anritsu37169C內(nèi)存里，然后由計(jì)算機(jī)通過(guò)GPIB快速讀入，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理變成所需的幅度相位或?qū)嵦摬繑?shù)據(jù)格式。

　　1.1 Anritsu37169C主要技術(shù)指標(biāo)

　　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(zhuǎn)的S參數(shù)測(cè)試裝置及四通道接收機(jī)集成于一體，其先進(jìn)的測(cè)試水平，大大加快了生產(chǎn)測(cè)試速度。37169C具有快速的合成掃描功能，每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的掃描更新時(shí)間小于2ms，為保證測(cè)量精度，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)都是經(jīng)鎖相并進(jìn)行了矢量誤差修正。內(nèi)部信號(hào)源分辨率為1Khz就能滿足大部分寬帶和窄帶帶寬的要求，對(duì)于要求更高的頻率精度，則可用1Hz的頻率分辨率和高穩(wěn)定度的時(shí)基。37169C配有兩個(gè)GPIB接口，利用高速數(shù)據(jù)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(nèi)存、用好的用戶界面和簡(jiǎn)便易用的特點(diǎn)，也為其廣泛應(yīng)用提供了條件。儀器技術(shù)指標(biāo)如下：

　　1.2 多源模式

　　根據(jù)37169C的技術(shù)指標(biāo)，在毫米波段儀器的內(nèi)部源輸出功率最大為-3dBm,對(duì)于遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量，為了保證天線測(cè)試系統(tǒng)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(hào)發(fā)生器的系統(tǒng)配置方案。MG3694A是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中理想的信號(hào)發(fā)生器，其大功率輸出保證了經(jīng)過(guò)測(cè)試系統(tǒng)交換和電纜損耗之后，仍能保證有足夠的信號(hào)強(qiáng)度。精確的穩(wěn)幅功率輸出，從-120dBm以0.01dB步進(jìn)，可以實(shí)現(xiàn)接收機(jī)高靈敏度的測(cè)量。

　　37100C系列矢網(wǎng)具有強(qiáng)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(cè)量。無(wú)需外部控制器控制，就可以獨(dú)立控制兩個(gè)信號(hào)源和一個(gè)接收機(jī)?？煞謩e設(shè)定兩個(gè)信號(hào)源的頻率范圍和輸出功率，以及接收機(jī)的掃描范圍。多源方式的設(shè)定，包括定義每段的頻率范圍和段內(nèi)信號(hào)源、接收機(jī)的工作方式。源1為內(nèi)部源，用于驅(qū)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(hào)源的同步通過(guò)10MHz時(shí)基控制。圖2為多源方式儀器設(shè)定。

　　2 基于PMAC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)

　　我們研制的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)是基于PMAC的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，與國(guó)內(nèi)外同類產(chǎn)品比具有領(lǐng)先水平。數(shù)控系統(tǒng)以工業(yè)控制機(jī)為平臺(tái)，PMAC為控制器構(gòu)成主從式雙微處理器結(jié)構(gòu)。工控機(jī)負(fù)責(zé)采樣參數(shù)的設(shè)定、測(cè)試、數(shù)據(jù)的處理。PMAC控制轉(zhuǎn)臺(tái)的伺服運(yùn)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。