CN103051399B - 一种微波暗室性能测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供微波暗室性能测量方法，采用微波暗室性能测量系统，根据微波暗室性能分析试验的需要，设置所需测量的静区参数、测量频率、信号源功率、接收天线的扫描轨迹和运动速度、收发天线的旋转方向和旋转速度；根据信号源功率驱动信号源，根据接收天线的扫描轨迹和运动速度、及收发天线的旋转方向和旋转速度驱动各步进电机控制各运动部件运动，根据测量频率控制信号接收装置接收接收天线的信号并存储。采用本方法可以灵活地运用于微波暗室沿不同扫描轨迹进行测量；采用计算机实现微波暗室静区反射率电平、交叉极化特性、多路径损耗均匀性、场均匀性性能指标的自动测量，提高了测量效率。

Description

一种微波暗室性能测量方法

技术领域

本发明属于电磁兼容性领域，具体涉及一种微波暗室性能测量方法。

背景技术

微波暗室是开展微波天线测量、RCS测量、电磁兼容测量的重要试验设施。微波暗室静区的反射率电平、场均匀性等性能指标对微波暗室内的试验测量具有重大的影响。因此，在暗室建成后的验收或在使用过程中的定期检查，都需要测量静区的性能指标。通常微波暗室性能测量系统主要包括微波信号发射部分、微波信号接收部分、运动扫描部分、数据采集和分析部分等。微波暗室性能测量是一个系统工程，为了使实现对各部分的良好控制，保证系统协调地工作，需要一个系统控制方案。

通常暗室测量由人工完成，对各部分的控制也是人工实现，不仅工作量大，耗时长，测量重复性和准确度也无法保证。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种微波暗室性能测量方法，能够实现对微波暗室静区性能的自动测量。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种微波暗室性能测量方法，其特征在于：采用微波暗室性能测量系统，系统包括测试台架和控制设备，其中测试台架包括用于升降和旋转发射天线的发射天线台架，以及用于在三维空间内移动和旋转接收天线的接收天线台架；控制设备包括处理器、激光测距传感器、控制测试台架中各运动部件运动的步进电机、信号源和信号接收装置；激光测距传感器设置在控制测试台架上用于获得发射天线和接收天线的具体位置信息，并传输给处理器；处理器通过步进电机驱动器驱动各步进电机、驱动信号源控制发射天线发射信号、通过信号接收装置接收接收天线的信号、并对发射和接收的数据进行分析处理； 

将发射天线、发射天线台架和信号源设置在微波暗室的发射区域，将接收天线、接收天线台架和信号接收装置设置在微波暗室静区位置；

根据微波暗室性能分析试验的需要，设置所需测量的静区参数、测量频率、信号源功率、接收天线的扫描轨迹和运动速度、收发天线的旋转方向和旋转速度；

根据所设置的信号源功率驱动信号源，根据所设置的接收天线的扫描轨迹和运动速度、及收发天线的旋转方向和旋转速度驱动各步进电机控制各运动部件运动，根据测量频率控制信号接收装置接收接收天线的信号并存储。

按上述方案，所述的发射天线台架包括竖直的发射天线升降直轨，发射天线升降直轨的顶部设有发射天线旋转台，发射天线设置在发射天线旋转台的旋转面上；接收天线台架包括水平的接收天线平移直轨和竖直的接收天线升降直轨，接收天线升降直轨的顶部设有接收天线旋转台，接收天线设置在接收天线旋转台的旋转面上；竖直的接收天线升降直轨整体在接收天线平移直轨上运动；所述的运动部件包括发射天线升降直轨、接收天线平移直轨、接收天线升降直轨、发射天线旋转台和接收天线旋转台；所述的激光测距传感器设置在各直轨两端。

按上述方案，所述的接收天线平移直轨包括至少2根相互平行的运动直轨，记为y方向运动直轨，在y方向运动直轨上架设有与其垂直的至少2根相互平行的运动直轨，记为x方向运动直轨，在x方向运动直轨上架设有运动平台，运动平台可沿x方向运动直轨运动，且运动平台可随x方向运动直轨沿y方向运动直轨运动，x方向运动直轨和y方向运动直轨均设在水平面上，所述的接收天线升降直轨底端与运动平台固定连接。

按上述方案，所述的测试台架采用MC尼龙材料制成。

按上述方案，所述的y方向运动直轨和x方向运动直轨的两端各设有限位保护开关，限位保护开关由处理器控制。

本发明的有益效果为：

1、采用本方法，发射天线和接收天线共有八个自由度运动方式，可以灵活地运用于微波暗室沿不同扫描轨迹进行测量，可以用于完整地测量微波暗室静区反射电平、交叉极化特性、多路径损耗均匀性、场均匀性等性能指标；采用计算机自动控制发射天线和接收天线的运动方式，并控制信号源和信号接收装置的工作状态，一次设定多个频率、多个不同方向的轨迹后可以自动测量并自动存储测量数据，实现微波暗室静区反射率电平、交叉极化特性、多路径损耗均匀性、场均匀性性能指标的自动测量，提高了测量效率，并减少了由于人工干预所产生的测量误差，测量准确度高。

2、测试台架采用高精度直轨技术，并采用高强度、低散射、自润滑的MC尼龙材料作为台架主体，减小了测试台架对空间微波场的影响，提高了运行稳定性和测量准确性。

3、在y方向运动直轨和x方向运动直轨的两端设置限位开关，当不同方向的运动平台在轨道上运行至两端碰到限位开关时，运动平台即断电停止运动，反向通电后才能再反向运动，以保护测试台架因意外运行超出轨道而损坏或造成人员伤害。

附图说明

图1为本发明一实施例的结构示意图。

图2为本发明一实施例的控制框图。

 [0015] 图中：1.发射天线升降直轨，2.发射天线旋转台，3.发射天线，4.y方向运动直轨，5. x方向运动直轨，6.运动平台，7.接收天线升降直轨，8.接收天线旋转台，9.接收天线，10.底脚，11.处理器，12. 步进电机驱动器，13. 信号源，14. 信号接收装置，15.电缆，16. 激光测距传感器，17. 限位保护开关。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。

本微波暗室性能测量系统包括测试台架和控制设备，图1为本发明一实施例的结构示意图，图2为本发明一实施例的控制框图。

测试台架（本实施例中测试台架采用MC尼龙材料制成）包括用于升降和旋转发射天线的发射天线台架，以及用于在三维空间内移动和旋转接收天线的接收天线台架；发射天线台架位于微波暗室的发射区域，接收天线台架位于微波暗室静区位置。

控制设备包括处理器11（本实施例中为计算机）、激光测距传感器16、控制测试台架中各运动部件运动的步进电机、信号源13和信号接收装置14（本实施例中为频谱分析仪）；激光测距传感器16设置在控制测试台架上用于获得发射天线和接收天线的具体位置信息，并传输给处理器11；处理器11通过步进电机驱动器12驱动各步进电机、驱动信号源13控制发射天线发射信号、通过信号接收装置接收接收天线的信号、并对发射和接收的数据进行分析处理。控制设备中各部件通过电缆15连接，电缆15选用低损耗电缆。

本实施例中，发射天线台架包括竖直的发射天线升降直轨1，发射天线升降直轨1的顶部设有绕发射天线升降直轨1旋转的发射天线旋转台2，发射天线3设置在发射天线旋转台2的旋转面上；接收天线台架包括水平的接收天线平移直轨和竖直的接收天线升降直轨7，接收天线升降直轨7的顶部设有绕接收天线升降直轨7旋转的接收天线旋转台8，接收天线9设置在接收天线旋转台8的旋转面上；竖直的接收天线升降直轨7整体在接收天线平移直轨上运动；所述的运动部件包括发射天线升降直轨1、接收天线平移直轨、接收天线升降直轨7、发射天线旋转台2和接收天线旋转台8；所述的激光测距传感器16设置在各直轨两端。接收天线平移直轨下端接有底脚10。

接收天线平移直轨包括至少2根相互平行的运动直轨，记为y方向运动直轨4，在y方向运动直轨4上架设有与其垂直的至少2根相互平行的运动直轨，记为x方向运动直轨5，在x方向运动直轨5上架设有运动平台6，运动平台6可沿x方向运动直轨5运动，且运动平台6可随x方向运动直轨5沿y方向运动直轨运动4，x方向运动直轨5和y方向运动直轨4均设在水平面上，所述的接收天线升降直轨7底端与运动平台6固定连接。所述的y方向运动直轨4和x方向运动直轨5的两端各设有限位保护开关17。

接收天线旋转台侧向还可以设置固定支架，接收天线固定在固定支架上，固定支架除了可随接收天线旋转台旋转外，还可以通过人工控制，改变水平方向指向角，和俯仰方向指向角，以便接收天线指向微波暗室不同的墙壁面。

本系统中发射天线台架、发射天线3和微波信号源13共同构成测量系统信号发射部分；接收天线台架、接收天线9和信号接收装置16（本实施例中即频谱分析仪）共同构测量系统信号扫描接收部分；处理器11、步进电机及其驱动和四组激光测距装置16组成测试系统的控制部分。

本系统的信号发射部分位于微波暗室的发射区域，用于产生测量所需的微波信号，由测量系统的控制部分对发射天线的高度、发射频率、发射功率、极化方式等进行控制。

所述测量系统的信号扫描接收部分位于微波暗室静区位置，用于监测微波暗室静区内不同扫描轨迹线（X、Y、Z）、不同频率、不同极化方式、不同方向的空间场强信号，由测量系统控制部分控制接收天线扫描轨迹，并采集接收天线接收的空间微波场强信号和接收天线的位置信号。

接收天线平移直轨由底脚10支撑架空，可在接收天线平移直轨下方敷设吸波材料，减小地面反射影响。

通过测量控制软件，设置所需测量的静区参数、测量频率、信号源功率、接收天线X/Y/Z三个方向的扫描轨迹、运动速度、收发天线旋转方向和旋转速度、数据存储文件夹等参数，启动测试程序，即可自动完成暗室性能测量；通过测控软件的数据处理模块，对测试数据进行处理，即可完成测试数据的分析，形成测试结果数据表格。

本方法将发射天线、发射天线台架和信号源设置在微波暗室的发射区域，将接收天线、接收天线台架和信号接收装置设置在微波暗室静区位置；根据微波暗室性能分析试验的需要，设置所需测量的静区参数、测量频率、信号源功率、接收天线的扫描轨迹和运动速度、收发天线的旋转方向和旋转速度；根据所设置的信号源功率驱动信号源，根据所设置的接收天线的扫描轨迹和运动速度、及收发天线的旋转方向和旋转速度驱动各步进电机控制各运动部件运动，根据测量频率控制信号接收装置接收接收天线的信号并存储。

本实施例中，发射天线竖直方向运动和接收天线在纵向、横向和竖直方向的运动要求精确控制运动速度以及启停，采用步进电机及齿轮传动装置实现各个方向的运动；运动平台在每个方向的位置信息由4个激光测距传感器反馈；接收天线探头测量的数据通过NI数字化仪（Agilent E4447A频谱分析仪）采集；微波信号发生器通过客户端-服务器模式（C-S）进行访问与设置。测量控制系统所用设备及用途如表1所示。

表1 测量控制系统所用设备及用途

本实施例中微波暗室性能测量控制的实现方式如下。

1）运动控制模块

运动控制模块控制6台步进电机的运动，通过NI PCI-7356运动控制卡提供6轴步进运动控制信号，通过2个UMI-7764运动控制接口向步进驱动器提供方向和步进脉冲信号。

（1）竖直方向运动控制模块

竖直方向运动包含接收和发射天线在竖直方向的运动。步进电机为86BYG250-150，驱动器为2HD8080，开关电源为S-400-60。

运动控制卡和步进驱动器之间采用共阳极接法，即PUL+和DIR+接DC5V+，PUL-和DIR-接控制器输出信号端。

（2）纵向运动控制模块

接收天线纵向运动步进电机为110BYG250-150，驱动器为2HA8080，开关电源为S-400-60。

（3）横向运动控制模块

横向运动步进电机为130BYG350-230，驱动器为3HB2208，AC220V输入。

本控制实现方案中，3HB2208与控制器之间采用共阳极接法。3HB2208选择运行电流5.0A，步距角细分数200（对应细分数60000），单脉冲模式，接收外部脉冲。

（4）天线旋转运动控制模块

天线旋转运动包括发射天线和接收天线的旋转运动。步进电机为57BYG250-50，驱动器为STP22A-D32A，开关电源为NES-350-24。

本控制实现方案中，步进驱动器STP22A-D32A选择输出电流0.48A，细分数为最高细分128，开启自动半流功能。

（5）行程开关

为确保天线运动时不越出运动平台，本控制实现方案中，在发射平台竖直方向，接收平台纵向、横向、竖直方向两端各安装一个行程开关，每个方向上的两个行程开关串联接入步进电机驱动器电源电路，当平台运动触碰到行程开关时，行程开关的常闭触点断开，电机掉电，平台停止运动，从而使平台始终运动在规定的行程内。行程开关有COMMON、NORMALLY OPEN、NORMALLY CLOSED三个触点，本系统中只接COMMON（公共端）和NORMALLY CLOSED（常闭端）。

2）激光测距传感器

本控制实现方案中，为实时反馈运动平台在各个方向的位置，选用4个激光测距传感器测量各方向的位移。INSIGHT-200激光测距传感器是新一代测距设备，功能强大，坚固耐用，专为工业测量场合设计，是一种经济型在线位移检测系统。

NI PCI-8433/4串口通信卡有四个RS485串口，通过DB9与激光测距传感器连接。

本控制实现方案中，把PCI-8433/4端DB9的第4、8针脚短接后与激光测距传感器端DB9的第7针脚连接，把PCI-8433/4端DB9的第5、9针脚短接后与激光测距传感器端DB9的第8针脚连接，激光测距传感器端DB9的第9、5针脚分别接DC24+、DC24V-。

本控制实现方案中，主要用到“读当前距离”、“设定偏移量”、“查询偏移量”命令。由于测量过程受环境、通信及传感器自身因素影响，返回的当前距离信息可能出现错误信息，因此程序中加入了矫错机制，放弃不符合规则的返回命令。

3）信号采集

本控制实现方案采用NI PCI-5124数字化仪采集电压信号，PCI-5124具有两个模拟输入通道，NI PCI-5124高分辨率数字化仪适于各种应用。NI PCI-5124具有软件可选的动态范围，50Ω或1MΩ电阻输入，200 mV到20 V电压输入，并可在板载内存中采集超过100万个波形，是时域和频域分析的理想选择。

4）微波信号源E8257D

微波信号源E8257D的工作频率为10MHz~40GHz，输出功率可达到+10dBm，可采用远程控制工作方式。

本控制实现方案在软件中通过局域网客户端-服务器模式（C-S）远程控制微波信号发生器E8257D的频率和功率，并且可控制RF OUTPUT。远程控制E8257D需要做以下设置。

a、在信号发生器上设置signal generator的IP地址；

b、把Web Server设置成on；

c、把Update in Remote设置成on;

d、把PC的IP地址设成与signal generator在同一网段，比如信号发生器的IP地址为127.0.0.1，则把PC的IP地址设为127.0.0.2；

e、在Measurement & Automation中找到信号发生器，并在软件signal generator中选中信号发生器资源名称。

5）微波接收机（频谱分析仪E4447A）

频谱分析仪E4447A的工作频率范围为3Hz~40GHz，适当调整频谱分析仪的中频带宽，其接收灵敏度可达到-130dBm。本控制实现方案采用远程工作方式，对其工作频率、中频带宽、扫描时间、扫描接收控制、数据传输等进行控制。

控制E4447A的方式与控制E8257D的方式类似，都是通过LAN口通信。远程控制时需要设置频谱仪，把PC的IP地址设成与signal generator在同一网段，比如信号发生器的IP地址为127.0.0.1，则把PC的IP地址设为127.0.0.2。

6）控制方案接线

本控制实现方案中采用4芯航空插头作为电机接线端，对于2相4线步进电机，它的1、2、3、4针脚分别对应电机绕组A+、A-、B+、B-，对于横向3相3线步进电机，它的1、2、3针脚分别对应电机绕组U、V、W。方案采用2芯航空插头作为行程开关接线端和DC24V接线端，对于DC24V接线端，1、2针脚分别对应DC24+、DC24V-。方案中的DB9为激光测距传感器（RS485）和串口继电器板（RS232）接线端。控制方案中采两个双联开关为总开关，使用时全部打开；输入面板上有5个短路开关。

7）控制方案软件

本控制实现方案中软件开发环境为LabVIEW 8.6，除了应用LabVIWE基本开发环境以外，还应用了相应的工具包：（1）Motion工具包完成步进电机的运动控制，实现步进电机启停、转速控制和目标位置控制；（2）SCOPE工具包是PCI-5124数字化仪的驱动程序包，利用这个驱动程序包对PCI-5124数字化仪进行操作，选择采样通道、量程、采样率等；（3）Serial工具包是串行通信的软件工具包，其内置VISA通信模块，实现RS232、RS485以及局域网通信，本控制方案中利用VISA实现系统与激光测距传感器、微波信号发生器E8257D和串口继电器板的RS232接口的通信，从而读取光测距传感器的实时位移，控制微波信号源E8257D的发射频率和功率、频谱分析仪E4447A的频率/中频带宽/扫描时间/采集和传输控制，以及控制串口继电器板相应继电器端的断开与连通。

Claims (4)

1.一种微波暗室性能测量方法，其特征在于：采用微波暗室性能测量系统，系统包括测试台架和控制设备，其中测试台架包括用于升降和旋转发射天线的发射天线台架，以及用于在三维空间内移动和旋转接收天线的接收天线台架；控制设备包括处理器、激光测距传感器、控制测试台架中各运动部件运动的步进电机、信号源和信号接收装置；激光测距传感器设置在控制测试台架上用于获得发射天线和接收天线的具体位置信息，并传输给处理器；处理器通过步进电机驱动器驱动各步进电机、驱动信号源控制发射天线发射信号、通过信号接收装置接收接收天线的信号、并对发射和接收的数据进行分析处理； 

将发射天线、发射天线台架和信号源设置在微波暗室的发射区域，将接收天线、接收天线台架和信号接收装置设置在微波暗室静区位置；

根据微波暗室性能分析试验的需要，设置所需测量的静区参数、测量频率、信号源功率、接收天线的扫描轨迹和运动速度、收发天线的旋转方向和旋转速度；

根据所设置的信号源功率驱动信号源，根据所设置的接收天线的扫描轨迹和运动速度、及收发天线的旋转方向和旋转速度驱动各步进电机控制各运动部件运动，根据测量频率控制信号接收装置接收接收天线的信号并存储；

所述的发射天线台架包括竖直的发射天线升降直轨，发射天线升降直轨的顶部设有发射天线旋转台，发射天线设置在发射天线旋转台的旋转面上；接收天线台架包括水平的接收天线平移直轨和竖直的接收天线升降直轨，接收天线升降直轨的顶部设有接收天线旋转台，接收天线设置在接收天线旋转台的旋转面上；竖直的接收天线升降直轨整体在接收天线平移直轨上运动；所述的运动部件包括发射天线升降直轨、接收天线平移直轨、接收天线升降直轨、发射天线旋转台和接收天线旋转台；所述的激光测距传感器设置在各直轨两端。

2.根据权利要求1所述的微波暗室性能测量方法，其特征在于：所述的接收天线平移直轨包括至少2根相互平行的运动直轨，记为y方向运动直轨，在y方向运动直轨上架设有与其垂直的至少2根相互平行的运动直轨，记为x方向运动直轨，在x方向运动直轨上架设有运动平台，运动平台可沿x方向运动直轨运动，且运动平台可随x方向运动直轨沿y方向运动直轨运动，x方向运动直轨和y方向运动直轨均设在水平面上，所述的接收天线升降直轨底端与运动平台固定连接。

3.根据权利要求1或2所述的微波暗室性能测量方法，其特征在于：所述的测试台架采用MC尼龙材料制成。

4.根据权利要求2所述的微波暗室性能测量方法，其特征在于：所述的y方向运动直轨和x方向运动直轨的两端各设有限位保护开关，限位保护开关由处理器控制。