基于GPIB接口微波内场自动测量系统的设计搭建

基于GPIB接口微波内场自动测量系统的设计搭建梁步阁，袁乃昌，王建朋（国防科技大学微波技术发展中心，湖南长沙410073）摘要：讲述了在GPIB接口通信基础上，微波内场自动测量系统的硬件软件设计与搭建基本方案。可以实现天线增益、目标散射界面积等电磁特性的自动测量。特别是给出了一套自行设计的简易测量系统，大大删减了目前通行的测试方案中所要求的硬件设施。关键词：GPIB；微波；自动测量；硬件设施；软件编制1引言由于GPIB（GeneralPurposeInterfaceBus通用接口总线）通信协议的完善与推广，现在绝大多数微波测试仪器都配置有GPIB接口。加上数控技术、计算机通信技术在20世纪90年代以来的迅猛发展，使得微波自动测量在技术上更加成熟。传统的微波内场测试系统可得到很大完善和改进。由于内场测试系统在测量精度、灵敏度上要求较高，系统设计搭建技术性很强，难度大、造价高。且一般多为国外引进系统，由于其技术上的保密造成系统运作期间可维护性较差、也很难得到进一步完善与改进。相关技术资料也较为零散，缺乏系统性。本文结合作者在该领域相关经验，较系统的对内场测量系统设计搭建进行讲述。2系统原理与结构微波内场测量原理大致相同，即通过建筑结构、吸波材料等有效设计在相对较小距离内实现远区场的模拟与测试。图1为Agilent公司技术手册所提供标准微波紧凑场天线测量原理框图[1]，需要85320A混频模块两块、射频源、本振源、85309A本振/中频单元等。本文讲述的自行开发系统中，以ADVANTESTR3767CG四端口矢量网络分析仪替代该图中85320A混频模块、射频源、本振源、85309A本振/中频单元等接收装置，直接以1端口接发射天线、2端口接接收天线，实验证实，紧凑场条件下，R3767CG矢量网络分析仪80dB灵敏度完全可满足普通天线测试、目标RCS测试要求，从而使系统硬件设施搭建大大简化，造价大大降低。另外系统包括有步进电机及转台系统一套、控制转台用单片机一个（自行开发）、控制用计算机一台、测量支架多副及微波紧凑场暗室等辅助设施。测得待测天线方向图增益后，再以标准天线进行增益校准，即可获得待测天线方向图及增益。在目标单站RCS测量时，与天线测试稍有不同，待测目标架于反射场平面口径场区测试支架上，收发天线均应放置于反射面馈源位置。通过特殊方法去除收发耦合。测得待测目标RCS粗值后，再以标准球进行校准，即可获得待测目标RCS。图1微波紧凑场天线测试原理框图3GPIB通信协议下的软件编制Agilent公司提供有两种不同的GPIBI/O库：VISA（AgilentVirtualInstrumentSoftwareArchitecture）和SICL（AgilentStandardInstrumentControlLibrary），外加4个IO辅助软件：IOConfig、VISAAssistant、VXIResourceManager和LANServer[2]。VISA库和SICL库实现功能基本相同，大同小异。均支持C/C++、VisualBASIC、VEE软件编译环境，可在Windows95、Windows98、WindowsMe、WindowsNT，以及Windows2000系统下正常运行。但是VISA支持VXIplug&play（VXI即插即用标准协议），故为了系统以后更好的兼容性考虑，作者采用了VISA库。GPIB测量程序编制基本步骤如下：(1)包含“visa.h”头文件，打开RS3767CG矢量网络分析仪GPIB口，设置矢网为REMOTEMODE远程控制模式，取矢网系统默认地址11，基本语句如下[2][3]：ViSessiondefaultRM,vi;……viOpenDefaultRM(&defaultRM);viOpen(defaultRM,GPIB::11::INSTR,VI_NULL,VI_NULL,&vi);viPrintf(vi,OLDCOFF\n);(2)打开串口控制转台。系统转台通过串口接单片机进行控制。在计算机程序中嵌入串口通信控件，MicrosoftCommunicationsControl。添加相应变量和串口事件响应函数。单片机通过P0口控制转台，以汇编语言开发，基本语句如下：电机1的正转控制语句：CONTROL10:MOVP0,#11HACALLDL;延时MOVP0,#13HACALLDLMOVP0,#12HACALLDLMOVP0,#16HACALLDLMOVP0,#14HACALLDLMOVP0,#15HACALLDLDEC42H;一步结束,转数低位减一RET位置信息回送语句：SOUT:CLRTI;发送子程序,子程序3,向微机发送位置码信息MOVA,01HMOVSBUF,ARET(3)结合转台状态，通过单片机向计算机串口回送位置信息。计算机通过GPIB卡远程控制矢量网络分析仪进行同步数据采集和实时处理。基本采样语句如下：charbuf[4096];……for(i=0;im_Pointscount;i++){……viPrintf(vi,@LV=VALUE(%d,0)\n,i*pnumstep);viQueryf(vi,@OUTPUT11;LV\n,%t,buf);DATA1[i]=atof(buf);……}(4)进行数据处理，显示数据结果，画出相关曲线。以及文件存储。图2以天线方向图测量为例简要说明程序基本流程。接串口事件，转台转到预定角度？GPIB测量采集S21值，即天线增益是否转完设置角度？是否是设置测量条件初值，GPIB口、串口初始化否用标准天线进行增益校准画出方向图、显示数据是否开始下一次测量退出图2天线测试程序流程图图3紧凑场暗室反射面4测试方法与数据处理基本算法天线测量比较简单，数据处理也较为简单：矢网端口1接馈源，端口2接待测天线，测得各个方位角上传输参数S21（待测，角度）。再用标准天线增益进行校准，端口2接标准天线，测得各个方位角上传输参数S21（标准，角度），获得其最大增益方向值S21MAX(标准，角度)。则待测天线增益方向图GAIN（待测，角度）计算公式如下：GAIN（待测，角度）=S21（待测，角度）-S21MAX(标准，角度)+GAIN(标准)（1）目标散射RCS（雷达散射界面积）测量较为复杂。分频域、时域两种情况。二者之间可通过傅立叶变换进行计算得出。以下仅对频域测量进行简化讨论。雷达截面RCS是一标量，而多目标散射是电场相干的过程，故其RCS无法直接代数相加减，从雷达方程导出。一般引入，将其视为复数，包括相位与幅度信息。则可直接进行复数相加。对入射波与目标间的相互作用关系的全面描述，可由极化散射矩阵S给出，其将入射场IE、散射电场SE联系起来：ISESE*（2）而S各分量与目标截面积有如下关系：IJIJRS*42（3）其中I、J代表极化方向。在暗室中测量RCS（）时，G、、R、IE为定值，SE可测得。且简单认为收发交叉极化时散射接面积为0，即IJ=0（JI时）故（式-3）可简记为标量式：SIEKE**（4）测试架空，以及将球与目标分别放置测试架上，天线接收其散射场分别测得为背景散射0SE、球加背景散射1SE、目标加背景散射SE，已知标准球的精确RCS（0），则目标RCS（）可计算得出，其公式如下。20100*SSSSEEEE（5）5系统界面及相关测试结果该测量系统，目前已基本改造完毕，且已投入使用，图3、图4、图5分别给出系统硬件实物照片、测量软件界面及相关典型测量数据。系统完全自主开发，经济实用，满足一般微波天线、目标测量精度要求。图4软件界面图5天线测量显示结果参考文献[1]AgilentTechnologies.Agilent85301B/CAntennaMeasurementSystems45MHzto110GHzConfigurationGuide.[2]AgilentTechnologies.AgilentIOLibrariesInstallationandConfigurationGuideforWindows.[3]AdvantestCorporation.R3752/53/64/65/66/67HSeriesR3765/67GSeriesR3754SeriesNetworkAnalyzerProgrammingMenu.