CN103267902A - 一种基于硬件触发的快速天线测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于硬件触发的快速天线测试装置及方法，解决了现有的多探头天线测试中协调控制测试转台、测量仪器及开关单元等组成部分并快速完成测试的问题。一种基于硬件触发的快速天线测试装置，包括：主控计算机、矢量网络分析仪、转台控制器、触发控制器、开关矩阵、接收探头阵列、测试转台和待测天线。本发明的基于硬件触发的快速天线测试装置及方法，通讯延迟小，开关切换时间短，频率切换次数少，总测试时间短。

Description

一种基于硬件触发的快速天线测试装置及方法

技术领域

本发明涉及测试技术领域，特别涉及一种基于硬件触发的快速天线测试装置，还涉及一种基于硬件触发的快速天线测试方法。

背景技术

对于天线测试，从硬件系统上来说，其原理框图如图1所示，包括主控计算机5、矢量网络分析仪6、测试转台7、转台控制器1、发射天线8和待测天线9，各部分通过协调配合共同完成测试工作。以远场测试为例介绍系统的具体测试过程为：首先将待测天线9架设在测试转台7上，将发射天线8和待测天线9间隔一定距离相对放置；在用户关心的测量频率下，矢量网络分析仪6产生的信号经发射天线8辐射出去；待测天线9接收到信号并送到矢量网络分析仪6中，经处理得到接收信号的幅度、相位数据并送给主控计算机5；主控计算机5协调控制矢量网络分析仪6和转台控制器1分别进行数据采集和转动待测天线9，可以得到待测天线9不同方位的接收信号，从而获取天线的方向图特性。

对于提高天线测试速度的触发方法来说，目前常用的触发方式包括软件触发和常规硬件触发等方式。

对于基于软件触发的天线测试方法，其原理如图1所示，整个系统完全由主控计算机5通过LAN或GPIB等总线进行控制，在总线控制下，矢量网络分析6进行数据采集，采集完后通过总线将数据传送给主控计算机5；主控计算机5再通过总线通知转台系统(包括转台控制器1和测试转台7)转到下一个角度，测试转台7到位后通过总线传递到位信息给主控计算机5，主控计算机5再通知矢量网络分析仪6进行采集，这样周而复始，最终得到完整的方向图信息。

对于基于常规硬件触发的天线测试方法，其原理如图1所示，实际测试过程中矢量网络分析仪6和转台系统之间互相触发，矢量网络分析6采集完成后利用硬件的方式产生一个触发同步信号并通过TRIG OUT接口(图1中未示出)输出，送到转台控制器1的TRIG IN接口(图1中未示出)；转台控制器1接收到同步信号后立刻按照预先设定值切换到下一个角度，到位后立即产生一个到位同步输出，通过TRIG OUT接口(图1中未示出)输出到矢量网络分析仪6的TRIG IN接口(图1中未示出)；矢量网络分析仪6接收到测试转台7的同步脉冲后立刻开始数据采集工作，完成采集后再输出触发同步信号控制测试转台7切换，通过不断循环，完成最终测试。对于这种方式，主控计算机5只进行数据采集，不参与系统的触发同步工作。

对于基于软件触发的测试方法，由于采用了总线触发的方式，测试过程中需要主控计算机及其上运行的系统软件进行协调控制，而软件触发存在着操作系统延时、总线通信延时、软件中断延时等多种延迟时间，这些因素的叠加将形成很大的总延迟时间，对触发的实时性造成了很大的影响，导致测量速度的变慢。

对于基于常规硬件触发的测试方法，由于其利用了矢量网络分析仪和转台控制器自带的触发接口来实现设备之间的同步，通过利用硬件握手的方式，可以消除、总线、系统等各种延时因素，大大提高了测量速度。对于这种触发方式，当进行多频点测试时，由于一次触发过程矢量网络分析仪需要测试多个频率点，需进行多个频率点切换，而由于仪器频率切换本身需要耗费较多时间，因此也造成总测试时间的增加。

为了提高测试速度和效率，目前多探头近场测试系统得到了较为广泛的应用。多探头测试系统利用在口径场上按照一定规律布置一系列测量探头，并通过高速电子开关进行探头切换的方式来代替传统的机械扫描，从而大大提高测量速度。在多探头天线测试中，如何协调控制测试转台、测量仪器及开关单元等测试系统的各个组成部分并快速完成测试是亟待解决的问题。

发明内容

本发明提出一种基于硬件触发的快速天线测试装置，解决了现有的多探头天线测试中协调控制测试转台、测量仪器及开关单元等组成部分并快速完成测试的问题。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于硬件触发的快速天线测试装置，包括：主控计算机、矢量网络分析仪、转台控制器、触发控制器、开关矩阵、接收探头阵列、测试转台和待测天线；主控计算机将测试点数M和探头数量N发送到触发控制器，并将矢量网络分析仪设置为分段列表扫描模式，根据M个频率点将列表分为M个点频，每个点频对应扫描N个点为一段，共M段，同时设置矢量网络分析仪为单次扫描、外触发、逐点触发的模式；主控计算机根据测试角度范围和角度数量的要求设置转台控制器的起始、终止角度及角度间隔，转台控制器设置测试转台为外触发、并输出到位脉冲；测试转台到达第一个角度后停止并产生到位脉冲，通过转台控制器的触发输出接口送到触发控制器的第一触发输入接口，触发控制器根据该信号产生触发矢量网络分析仪的第二触发输出信号，送到矢量网络分析仪的触发输入接口；矢量网络分析仪根据所述第二触发输出信号完成第一个点的采集并产生一个脉冲输出信号，经其触发输出接口送到触发控制器的第二触发输入接口；触发控制器根据第二触发输入接口的脉冲信号进行开关矩阵的一次切换，同时向矢量网络分析仪发送触发信号用于其进行第二次采集，直至完成M×N个数据点的采集；在完成一屏数据采集后矢量网络分析仪向主控计算机发送数据采集完成信号，主控计算机从矢量网络分析仪中读取一屏测试数据，并准备下一次采集，同时触发控制器向转台控制器发送触发指令，控制测试转台转向下一个角度，并开始下一个采集过程。

可选地，所述触发控制器包括：第一触发输入接口、第一触发输出接口、第二触发输入接口、第二触发输出接口、第一计数器、脉冲产生电路和探头控制模块；第一触发输入接口接收所述测试转台的到位脉冲，所述到位脉冲被送入第一计数器作为使能信号，第一计数器对第二触发输入接口的脉冲信号进行计数，记满后产生触发输出脉冲，通过第一触发输出接口输出并用于触发测试转台；探头控制模块包括延时电路和探头控制序列产生电路，第二触发输入信号经延时电路后送到脉冲产生电路，延迟时间根据所用开关的不同可以预先调节，与开关切换时间一致；脉冲产生电路对接收到的信号求或，得到第二触发输出信号，经第二触发输出接口输出，用于触发矢量网络分析仪；探头控制序列产生电路为一个计数值为N的二进制计数器，通过计数第二触发输入接口输入的脉冲个数，产生对开关矩阵的二进制控制量，通过开关控制接口输出。

可选地，所述延时电路包括D触发器。

可选地，所述触发控制器为FPGA芯片。

可选地，所述矢量网络分析仪一屏显示的点数为M×N个。

本发明还提供了一种基于硬件触发的快速天线测试方法，适用于上述的基于硬件触发的快速天线测试装置，包括以下步骤：确定测试装置中一次测试的点数M和探头的数量N，将信息通过主控计算机发送到触发控制器；设置矢量网络分析仪为分段列表扫描模式，根据M个频率点将列表分为M个点频，每个点频对应扫描N个点为一段，共M段，同时设置矢量网络分析为单次扫描、外触发、逐点触发的模式；根据测试角度范围和角度数量L的要求，设置转台控制器的起始、终止角度及角度间隔，同时设置测试转台为外触发、并输出到位脉冲；启动测试转台，测试转台到达第一个角度后停止并产生到位脉冲，通过转台控制器的触发输出接口送到触发控制器的第一触发输入接口，触发控制器根据该信号产生触发矢量网络分析仪的第二触发输出信号，送到矢量网络分析仪的触发输入接口；矢量网络分析仪根据所述第二触发输出信号完成第一个点的采集并立即产生一个脉冲输出信号，经其触发输出接口送到触发控制器的第二触发输入接口；触发控制器再根据第二触发输入接口的脉冲信号进行开关矩阵的一次切换，同时向矢量网络分析仪发送触发信号用于其进行第二次采集，如此周而复始直至完成M×N个数据点的采集工作；在完成一屏数据采集后矢量网络分析仪向主控计算机发送数据采集完成信号，主控计算机从矢量网络分析仪中读取一屏测试数据，并准备下一次采集，同时触发控制器向转台控制器发送触发指令，控制测试转台转向下一个角度，并开始下一个采集过程；通过不断重复上述过程，最终实现包含L×M×N个数据的三维矩阵，完成整个采集过程。

可选地，矢量网络分析仪采用分段列表扫描的扫描方式，总共包括M个频率点，每个频率点对应了N个采样数据，矢量网络分析仪上一屏显示的点数为M×N个，将扫描分成了M个段，每段N个点，每扫描满一屏，主控计算机进行一次读数据操作，完成M×N个数据由矢量网络分析仪到主控计算机的传输。

本发明的有益效果是：(1)通讯延迟小；(2)开关切换时间短；(3)频率切换次数少；(4)总测试时间短。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有的天线测试原理框图；

图2为本发明基于硬件触发的快速天线测试装置控制框图；

图3为图2中触发控制器的控制框图；

图4为图2中矢量网络分析仪进行分段列表扫描的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在现有的多探头天线测试中，如何协调控制测试转台、测量仪器及开关单元等测试系统的各个组成部分并快速完成测试是亟待解决的问题。本发明公开了一种基于硬件触发的快速天线测试装置和方法，在天线测试系统中，多探头电扫天线测试系统就是为了提高测试速度，通过采用多探头接收、电子开关切换的方式来代替传统的机械扫描，再配合测试转台旋转最终完成待测天线球面/柱面/平面数据的提取。

如图2所示，本发明的基于硬件触发的快速天线测试装置，包括主控计算机5、矢量网络分析仪6、转台控制器1、触发控制器2、开关矩阵3、接收探头阵列4、测试转台7和待测天线9。在该测试装置中，为了实现数据的准确提取，需要协调控制的设备除了矢量网络分析仪6和测试转台7外，还包括了接收探头阵列4，因此增加了触发控制器2来协调控制相关的触发同步工作。

图2所示测试装置的工作原理具体如下：确定测试装置中一次测试的点数M和探头的数量N，主控计算机5将测试点数M和探头数量N发送到触发控制器2；矢量网络分析仪6设置为分段列表扫描模式，根据M个频率点将列表分为M个点频，每个点频对应扫描N个点为一段，共M段，同时矢量网络分析仪6设置为单次扫描、外触发、逐点触发的模式；根据测试角度范围和角度数量L的要求，主控计算机5设置转台控制器1的起始、终止角度及角度间隔，同时转台控制器1设置测试转台7为外触发、并输出到位脉冲；完成上述设置后，启动测试转台7，测试转台7到达第一个角度后停止并产生到位脉冲，通过转台控制器1的TRIG OUT接口送到触发控制器2的TRIG IN1接口，触发控制器2根据该信号产生触发矢量网络分析仪6的TRIG OUT2信号，送到矢量网络分析仪6的TRIG IN接口；矢量网络分析仪6根据该触发信号完成第一个点的采集并立即产生一个脉冲输出信号经其TRIG OUT接口送到触发控制器2的TRIG IN2接口；触发控制器2再根据TRIG IN2接口的脉冲信号进行开关矩阵的1次切换，同时向矢量网络分析仪6发送触发信号用于其进行第2次采集，如此周而复始直至完成M×N个数据点的采集工作；在完成一屏数据采集后矢量网络分析仪6向主控计算机5发送数据采集完成信号，主控计算机5从矢量网络分析仪6中读取一屏测试数据，并准备下一次采集，同时触发控制器2向转台控制器1发送触发指令，控制测试转台7转向下一个角度，并开始下一个采集过程。通过不断重复上述过程，测试装置最终实现包含L×M×N个数据的三维矩阵，完成整个采集过程。

在本发明的基于硬件触发的快速天线测试装置中，触发控制器和分段列表扫描是本发明得以实现的关键。

触发控制器的核心部分可利用一块FPGA来实现，可利用FPGA内部构建计数器及进行延时的灵活性特点，可产生多种不同的控制及脉冲信号。如图3所示，触发控制器2包括外部接口及内部电路两部分，TRIG IN1接口201将测试转台7到位脉冲引入触发控制器2，该信号首先作为使能信号被送入FPGA电路中的计数器206，计数器206为具有预置功能的累加计数器，根据系统设定的频率数M和探头数N可提前计算出需要累加的次数为(N-1)×M，根据该数据得到对应的预置初始值对计数器206进行预先置数，则计数器206在被使能之后就开始对TRIG IN2接口202引入的脉冲信号进行计数，记满后产生触发输出脉冲，通过TRIG OUT1接口203输出，用于触发测试转台7。引入的TRIG IN2信号被送入探头控制模块210，该模块包括延时电路208和探头控制序列产生电路209，延时电路208包括D触发器，TRIG IN2信号经延时电路208后送到脉冲产生电路207中，延迟时间根据所用开关的不同可以预先调节，与开关切换时间一致。脉冲产生电路207对接收到的信号求“或”，得到TRIG OUT2信号，经TRIG OUT2接口204输出，用于触发矢量网络分析仪6。探头控制序列产生电路209为一个计数值为N的二进制计数器，该计数器通过计数TRIG IN2输入的脉冲个数，产生对开关矩阵3的二进制控制量，通过开关控制接口205输出。

对于矢量网络分析仪6，本发明采用了分段列表扫描的扫描方式，具体实现示意图如图4所示，总共包括了M个频率点，每个频率点对应了N个采样数据，这样对应矢量网络分析仪上一屏显示的点数为M×N个，相当于将扫描分成了M个段，每段N个点。每扫描满一屏，主控计算机进行一次读数据操作，完成M×N个数据由矢量网络分析仪到主控计算机的传输。根据这种扫描方式可以看到，由于每M×N个点读取一次数据，相比与传统触发扫描方法需要每一点或每N点读取一次，本方法可以大幅减少读取数据的次数。由于读数次数的减少，相应减少了主控计算机和矢量网络分析仪之间建立通信的握手、延迟、响应中断等时间，可大大提高数据采集速度。

本发明还提供了一种基于硬件触发的快速天线测试方法，适用于上述基于硬件触发的快速天线测试装置，包括以下步骤：确定测试装置中一次测试的点数M和探头的数量N，将信息通过主控计算机发送到触发控制器；设置矢量网络分析仪为分段列表扫描模式，根据M个频率点将列表分为M个点频，每个点频对应扫描N个点为一段，共M段，同时设置矢量网络分析为单次扫描、外触发、逐点触发的模式；根据测试角度范围和角度数量L的要求，设置转台控制器的起始、终止角度及角度间隔，同时设置测试转台为外触发、并输出到位脉冲；启动测试转台，测试转台到达第一个角度后停止并产生到位脉冲，通过转台控制器的触发输出接口送到触发控制器的第一触发输入接口，触发控制器根据该信号产生触发矢量网络分析仪的第二触发输出信号，送到矢量网络分析仪的触发输入接口；矢量网络分析仪根据所述第二触发输出信号完成第一个点的采集并立即产生一个脉冲输出信号，经其触发输出接口送到触发控制器的第二触发输入接口；触发控制器再根据第二触发输入接口的脉冲信号进行开关矩阵的一次切换，同时向矢量网络分析仪发送触发信号用于其进行第二次采集，如此周而复始直至完成M×N个数据点的采集工作；在完成一屏数据采集后矢量网络分析仪向主控计算机发送数据采集完成信号，主控计算机从矢量网络分析仪中读取一屏测试数据，并准备下一次采集，同时触发控制器向转台控制器发送触发指令，控制测试转台转向下一个角度，并开始下一个采集过程；通过不断重复上述过程，最终实现包含L×M×N个数据的三维矩阵，完成整个采集过程。

其中，矢量网络分析仪采用分段列表扫描的扫描方式，总共包括M个频率点，每个频率点对应了N个采样数据，矢量网络分析仪上一屏显示的点数为M×N个，将扫描分成了M个段，每段N个点，每扫描满一屏，主控计算机进行一次读数据操作，完成M×N个数据由矢量网络分析仪到主控计算机的传输。

本发明的基于硬件触发的快速天线测试装置及方法，具有以下优点：

(1)通讯延迟小：由于采用了分段列表扫描的模式，使得主控计算机和矢量网络分析仪之间建立一次通讯过程获取更大的数据量，并尽量减少建立通讯的次数，从而减少了总通讯时间，提高了效率；

(2)开关切换时间短：利用电子开关切换速度快的特点，配合基于FPGA的硬件触发切换电路，可提供100ns量级的开关切换时间，相比传统机械扫描的测试方式，大大提高了扫描速度；

(3)频率切换次数少：由于采用了多探头配合分段列表扫描的模式，可以实现每N(探头数量)个点切换一次频率，降低了由频率切换所额外增加的时间；

(4)总测试时间短，由于本发明充分考虑到天线测试过程中各个环节所引起的延迟，并采取了延迟最小化路径，因此有效降低了总测试时间，提高了测试效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于硬件触发的快速天线测试装置，其特征在于，包括：主控计算机、矢量网络分析仪、转台控制器、触发控制器、开关矩阵、接收探头阵列、测试转台和待测天线；

主控计算机将测试点数M和探头数量N发送到触发控制器，并将矢量网络分析仪设置为分段列表扫描模式，根据M个频率点将列表分为M个点频，每个点频对应扫描N个点为一段，共M段，同时设置矢量网络分析仪为单次扫描、外触发、逐点触发的模式；

主控计算机根据测试角度范围和角度数量的要求设置转台控制器的起始、终止角度及角度间隔，转台控制器设置测试转台为外触发、并输出到位脉冲；

测试转台到达第一个角度后停止并产生到位脉冲，通过转台控制器的触发输出接口送到触发控制器的第一触发输入接口，触发控制器根据该信号产生触发矢量网络分析仪的第二触发输出信号，送到矢量网络分析仪的触发输入接口；

矢量网络分析仪根据所述第二触发输出信号完成第一个点的采集并产生一个脉冲输出信号，经其触发输出接口送到触发控制器的第二触发输入接口；

触发控制器根据第二触发输入接口的脉冲信号进行开关矩阵的一次切换，同时向矢量网络分析仪发送触发信号用于其进行第二次采集，直至完成M×N个数据点的采集；

在完成一屏数据采集后矢量网络分析仪向主控计算机发送数据采集完成信号，主控计算机从矢量网络分析仪中读取一屏测试数据，并准备下一次采集，同时触发控制器向转台控制器发送触发指令，控制测试转台转向下一个角度，并开始下一个采集过程。

2.如权利要求1所述的基于硬件触发的快速天线测试装置，其特征在于，所述触发控制器包括：第一触发输入接口、第一触发输出接口、第二触发输入接口、第二触发输出接口、第一计数器、脉冲产生电路和探头控制模块；

第一触发输入接口接收所述测试转台的到位脉冲，所述到位脉冲被送入第一计数器作为使能信号，第一计数器对第二触发输入接口的脉冲信号进行计数，记满后产生触发输出脉冲，通过第一触发输出接口输出并用于触发测试转台；

探头控制模块包括延时电路和探头控制序列产生电路，第二触发输入信号经延时电路后送到脉冲产生电路，延迟时间根据所用开关的不同可以预先调节，与开关切换时间一致；脉冲产生电路对接收到的信号求或，得到第二触发输出信号，经第二触发输出接口输出，用于触发矢量网络分析仪；

探头控制序列产生电路为一个计数值为N的二进制计数器，通过计数第二触发输入接口输入的脉冲个数，产生对开关矩阵的二进制控制量，通过开关控制接口输出。

3.如权利要求2所述的基于硬件触发的快速天线测试装置，其特征在于，所述延时电路包括D触发器。

4.如权利要求3所述的基于硬件触发的快速天线测试装置，其特征在于，所述触发控制器为FPGA芯片。

5.如权利要求1所述的基于硬件触发的快速天线测试装置，其特征在于，所述矢量网络分析仪一屏显示的点数为M×N个。

6.一种基于硬件触发的快速天线测试方法，适用于如权利要求1至5任一项所述的基于硬件触发的快速天线测试装置，其特征在于，包括以下步骤：

确定测试装置中一次测试的点数M和探头的数量N，将信息通过主控计算机发送到触发控制器；

设置矢量网络分析仪为分段列表扫描模式，根据M个频率点将列表分为M个点频，每个点频对应扫描N个点为一段，共M段，同时设置矢量网络分析为单次扫描、外触发、逐点触发的模式；

根据测试角度范围和角度数量L的要求，设置转台控制器的起始、终止角度及角度间隔，同时设置测试转台为外触发、并输出到位脉冲；

启动测试转台，测试转台到达第一个角度后停止并产生到位脉冲，通过转台控制器的触发输出接口送到触发控制器的第一触发输入接口，触发控制器根据该信号产生触发矢量网络分析仪的第二触发输出信号，送到矢量网络分析仪的触发输入接口；

矢量网络分析仪根据所述第二触发输出信号完成第一个点的采集并立即产生一个脉冲输出信号，经其触发输出接口送到触发控制器的第二触发输入接口；触发控制器再根据第二触发输入接口的脉冲信号进行开关矩阵的一次切换，同时向矢量网络分析仪发送触发信号用于其进行第二次采集，如此周而复始直至完成M×N个数据点的采集工作；

在完成一屏数据采集后矢量网络分析仪向主控计算机发送数据采集完成信号，主控计算机从矢量网络分析仪中读取一屏测试数据，并准备下一次采集，同时触发控制器向转台控制器发送触发指令，控制测试转台转向下一个角度，并开始下一个采集过程；

通过不断重复上述过程，最终实现包含L×M×N个数据的三维矩阵，完成整个采集过程。

7.如权利要求6所述的基于硬件触发的快速天线测试方法，其特征在于，矢量网络分析仪采用分段列表扫描的扫描方式，总共包括M个频率点，每个频率点对应了N个采样数据，矢量网络分析仪上一屏显示的点数为M×N个，将扫描分成了M个段，每段N个点，每扫描满一屏，主控计算机进行一次读数据操作，完成M×N个数据由矢量网络分析仪到主控计算机的传输。

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