1、毫米波天线自动测试系统设计张伟 孙厚军 何巍 北京理工大学 100081摘要本文提出了一种毫米波天自动线测试系统。通过自行设计关键部件，降低了天线自动测试系统的成本。本文对测试系统发射与接收系统进行了详细论述，并给出了软件控制流程。关键词 毫米波天线，自动测试THE DESIGN OF MILLIMETER-WAVE ANTENNA AUTOMATICMEASUREMENT SYSTEMZhang Wei , Sun Houjun , He Wei ,Beijing Institute of Technology , 100081Abstract A design method of mill
2、imeter-wave antenna automatic measurement system is presented in this paper. The design method can reduce the antenna measurement system cost effectively. The realization of the transmission and receiving system are described in detail and then the measurement control flow is given.Key Words millime
3、ter-wave antenna, automatic measurement1 引言毫米波技术是当今的一个重要发展方向，在国防及民用方面具有重要的应用。天线是毫米波系统的重要组成部分，因此开发毫米波天线的测试系统非常有必要。由于毫米波信号源、频谱仪等设备均很昂贵，因此单纯由仪器搭建毫米波天线测试系统成本非常高。我们通过毫米波器件等设计出了一套毫米波天线自动测试系统，可以大大降低系统成本，且能够实现天线测试任务。2 毫米波天线自动测试系统组成天线测试就是采用实验的方法来测定和检验天线的方向性、参数特性。天线的特性参数中，方向图特性尤为重要，而天线的增益、相位、极化等特性可由完整的方向图中导出，
4、所以天线方向图测量是天线测量中最为重要的环节。本文所设计的毫米波天线测试系统测试对象为中心频率为 35GHz 的毫米波天线，测试带宽为 2GHz，其组成原理框图如图 1 所示。待测天线发射天线转台发射部分接收部分转台控制与数据处理暗室图 1 毫米波天线测试系统原理框图发射天线固定不动，而待测天线受转台控制，可以在方位、俯仰两维旋转，天线方向图的测量是通过天线的旋转，连续地测量接收回波幅值来进行。为了测量天线增益，可在测待定天线前，先安装已知增益的标准天线，转台不旋转，由天线测试仪测量其输出信号幅值，作为基准。在安装待测天线后测得的数据与其进行比较，则可求得每个方向角度下天线的近似增益。毫米波天
5、线自动测试系统主要分为三个组成部分：发射接收部分，转台及控制部分，数据处理及显示部分。发射接收部分主要完成毫米波信号的产生与发射，待测天线接收信号的放大、滤波、混频等；转台及控制部分包括转台、转台控制步进电机、步进电机控制系统；数据处理及显示部分包括信号采集卡、数据处理及显示软件等。3 毫米波天线测试系统发射接收机设计天线测试系统发射接收机原理框图如下：D D SD D S 控制信号点频源脉冲调制器1 6 倍频滤波 滤波D D SD D S 控制信号脉冲调制器点频源中频放大I / Q 解调数据处理滤波 1 6 倍频滤波2 G H z1 。 9 0 6 2 5 G H z低噪声放大器待测天线发射
6、天线滤波1 0 0 M H z图 2 毫米波天线测试系统收发机原理图中频信号源由 DDS 产生，由 DDS 产生的中频信号在与固定 2GHz 点频混频之后，经脉冲调制输出得到射频脉冲，经滤波放大后进行 16 倍频之后即产生毫米波发射信号。接收信号源也由 DDS 产生与发射 DDS 相同的点频信号与固定 1.90625GHz 点频信号混频，然后 16 倍频后输出。接收天线在接收到发射天下发射过来的信号之后经接收机放大并与接收信号源进行下变频，这样产生与发射信号差 100MHz 的中频信号，经滤波、放大之后与 100MHz 本振进行混频并解调，产生视频信号。然后由 A/D 信号采集卡采集后进行处理
7、与显示。这里由于发射、接收机有一定距离，故无法使用同一个信号源，而是采用了同样的两个信号源模块。DDS 产生的中频信号由 125MHz 向 250MHz 跳频，每 6.25MHz 跳一个点，共 20个频点。通过混频与倍频，可产生 34GHz 到 36GHz 范围内的 20 个点频信号，每隔0.1GHz 一个频点。在每个方向角度下，对 20 个频率点下的接收信号都进行存储，当所有角度下的测试数据存储完后进行处理，就可以得到每隔 0.1GHz 的34GHz36GHz 的天线方向图数据。本系统中，DDS 选用 AD 公司的 AD9858 芯片，控制采用 FPGA 实现，通过FPGA 往 DDS 中加
8、载不同的控制字，实现跳频信号。4 控制转台与数据处理系统设计天线方向图的测量就要求天线做一定角度的步进旋转，这可由计算机控制转台实现。通过计算机向步进电机驱动器发送不同的指令，控制步进电机的步进旋转，从而使天线按指定的规律运动。转台控制器可与数据处理系统合成为一块电路板，根据天线测试的时序来实现不同的任务。 数据采集由 PC 机内的数据采集卡实现。我们所设计的数据采集卡基于 PCI 总线，采用双路 12 位 AD 采集 I、Q 数据，每个角度下存储 20 个频点接收数据，并通过 PCI总线传送至计算机内存。当采集完所测的角度范围后，通过数据处理，将方向图在显示器上进行显示。软件控制流程图如下：
9、接收当前角度下的数据接收当前频点数据所有角度测完否 ？数据采集系统初始化测试系统收发机开始工作测试数据处理开 始采完 2 0 个频点否 ？是否控制转台到下一角度结果显示将 2 0 个频点数据存储图 3 毫米波天线测试系统工作流程5 结束语本文提出的毫米波天线自动测试系统主要针对天线方向图进行测试，其他如驻波比等参数还未加以考虑。因此要实现完善的天线测试系统，还要做很多进一步的工作。参考文献1毛乃宏，俱新德等.天线测量手册M.北京：国防工业出版社，1987. 2朱友良.PC 式卫星天线测试仪的设计与实现.计算机应用与软件.2005 年第 7 期.3常树茂，何星馀.DM 型制导天线自动测试系统.测控技术学报.1996 年第 2 期.
