天線是雷達的重要組成部分，天線方向圖的測試在雷達性能測試中占有極其重要的位置。早期人們采用手動法進行方向圖測量，數(shù)據(jù)的錄取、方向圖的繪制以及參數(shù)的計算都是手工方式，操作復雜，工作量大，耗時長，精度低。隨著微電子技術和計算機技術的飛速發(fā)展，天線方向圖自動測試逐漸取代了手動測量，實現(xiàn)了信號錄取、數(shù)據(jù)處理以及方向圖繪制的自動化，大大提高了測量速度和精度。本文介紹了一種雷達天線方向圖的自動化測量系統(tǒng)，分析了軟硬件結構及原理。

1 方向圖自動測試原理及實驗配置

根據(jù)天線的互易性原理，將被測天線作為接收天線，固定的輻射天線作為發(fā)射天線，由發(fā)射天線發(fā)射電磁波，轉動被測天線進行接收，測出被測范圍內不同角度處的信號電平，便可得到被測天線的方向圖[1]。

方向圖的自動測量與手動測量原理相同，不同的是利用電子和計算機技術，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、處理和方向圖繪制的自動化。圖1是某雷達天線方向圖自動測試的實驗配置。

方向圖的自動測量屬于動態(tài)測量。測量時被測天線連續(xù)轉動，并接收信號源通過喇叭天線發(fā)射的微波信號。接收信號送天線幅度信號采集電路，經變換放大及A/D轉換后送給微機。天線轉動的同時，天線角度信號錄取裝置將天線位置轉換成角度數(shù)字信號送給微機。這樣就可以得到測量范圍內每一位置的幅度信號電平，根據(jù)這組數(shù)據(jù)，微機就可以進行數(shù)據(jù)處理并由輸出裝置輸出計算結果。

2 硬件電路設計

系統(tǒng)硬件包括微機控制部分、天線幅度信號錄取裝置、天線角度信號錄取裝置和繪圖儀。組成框圖如圖2所示。

2.1 微機控制電路

微機控制電路采用51系列單片機，由CPU、程序存儲器、外部數(shù)據(jù)存儲器和地址譯碼器等組成[2]。

2.2 天線幅度信號錄取裝置

幅度信號錄取裝置由測量放大器、采樣/保持電路s/H和A/D轉換電路組成。

天線接收的微波信號送至測量放大器，對微波信號進行高頻檢波，輸出調制方波信號，然后進行放大、檢波、濾波等處理，輸出一個幅度滿足要求、波形較好的直流信號。該信號經采樣S/H后送到A/D，A/D在單片機控制下將模擬信號轉換成數(shù)字信號，并存入外部數(shù)據(jù)存儲器，從而完成幅度信號的錄取。

測量放大器是該系統(tǒng)的信號變換放大電路，有較高的靈敏度、大的動態(tài)范圍、穩(wěn)定的工作特性和快的響應速度。

S/H的選取原則是：如果在A/D轉換期間輸入信號電平的變化小于1個LSB，可以不加S/H；否則，必須加S/H。下式是不加S/H時信號變化率應滿足的關系：



式中：為信號變化率的絕對值；Vm為A/D的滿度電壓；n為A/D的位數(shù)；T為A/D的轉換時間。

A/D芯片采用AD574，其參數(shù)為：Vm=10 V，n=12，T=25μs，代入式(1)得。雷達波束的最大變化率不小于10 V/(。)，天線轉速一般不小于2 r/min，信號電壓變化率不小于：10 ×(2 × 360/60)=120 V/s，超過極限值97.7 V/s，所以必須加S/H。

AD574具有量化誤差小(2.44 mV)、動態(tài)范圍大(72 dB)、轉換速度高(25μs)等優(yōu)點。

2.3 天線角度信號錄取裝置

天線角度信號的錄取由單片機控制軸角編碼器完成。軸角編碼器直接從天線傳動機構的同步接收機三相繞組和激勵繞組上取信號，輸出12位角度數(shù)字信號。與一般角度編碼器相比，它采用跟蹤型閉環(huán)回路，具有跟蹤速度快、精度高等優(yōu)點，其原理見圖3。

同步機上三相繞組的電壓經三相/二相變壓器得到兩相電壓V1和V2:



式中：υm為電壓幅值；ω為同步機繞組電壓的角頻率；θ為天線轉過的角度。

V1和V2在正余弦乘法器中分別與cosφ和sinφ相乘(cos φ和sinφ是正余弦函數(shù)發(fā)生器產生的，φ為計數(shù)器的數(shù)字量)，然后在誤差放大器中進行相減、放大得：



式中：k為誤差放大器的放大倍數(shù)。

該信號經相敏檢波后輸出誤差信號θ-φ，再經積分器積分后控制壓控振蕩器使θ-φ趨于0，此時可逆計數(shù)器輸出代表角度θ的數(shù)字量。

該軸角編碼器可輸出12位角度數(shù)字信號，具有很高的角度分辨力。從粗同步機上取信號時，最小可分辨角度為：6 000/212=1.46密位。為進一步提高分辨力，從精同步機上取信號，由于粗、精轉速比為1:20，最小可分辨角可達到1.46/20=0.073密位。

采集間隔越小，測量精度越高，但最小采集間隔受天線轉動速度、A/D轉換時間和必要的數(shù)據(jù)處理時間的限制。本系統(tǒng)采用等角度間隔采集，采集間隔為23×0.073=0.58密位。

3 軟件設計

3.1 軟件構成及執(zhí)行流程

系統(tǒng)的軟件由信號采集、數(shù)據(jù)處理和方向圖參數(shù)計算及繪圖3部分組成。

信號采集程序包括幅度信號錄取程序和角度信號錄取程序，也就是A/D和軸角編碼器的啟動和數(shù)據(jù)輸出程序。采集的天線幅度信號存入外部數(shù)據(jù)存儲器；由于繪制方向圖和參數(shù)計算只需角度的變化量，不需要角度的絕對值，因此，角度數(shù)字信號不必像天線幅度信號一樣存放在存儲器中，而是用存儲器地址的后幾位來代表角度信號，即存放某一位置幅度信號的地址，就包含了該位置的角度信息。這樣處理既節(jié)省了存儲空問，又使數(shù)據(jù)處理大大簡化。

程序執(zhí)行流程圖如圖4所示。

測量開始后，單片機根據(jù)軸角編碼器輸出的角度信號判斷天線轉過的角度是否為△α(相鄰兩數(shù)據(jù)點的角度間隔)，如果還沒有轉過△a，等待；如果已轉過△a,CPU發(fā)出"啟動"A/D的指令，并將A/D轉換結果存入外部數(shù)據(jù)存儲器。這樣，在單片機控制下，天線每轉動△a錄取一次天線幅度信號。錄取結束后，進行數(shù)據(jù)校準、濾波處理和參數(shù)計算，最后繪制方向圖，打印方向圖參數(shù)。

天線方向圖參數(shù)包括主瓣寬度、副瓣電平和交叉點電平。由于天線幅度信號采用對數(shù)值，因此乘除法運算變成了加減法運算，使編程簡化。求解3個參數(shù)的關鍵是求出主瓣最大值點、第1副瓣最大值點和交叉點，找到這些點后再進行簡單的加減運算即可求出參數(shù)值。下面介紹數(shù)據(jù)處理程序中的測量放大器校正程序和消"毛刺"程序。

3.2 測量放大器校正程序

測量放大器是該系統(tǒng)最主要的誤差源，是一個近似的對數(shù)放大器，為了得到與輸人信號對數(shù)成正比的輸出電壓，需對其進行校準。

本系統(tǒng)測量放大器的校正法是：用實驗方法測出整分貝點校準值對應的測量放大器輸出電壓值，制成電壓-分貝表存人程序存儲器，編制查表程序可得到與整分貝點校正值對應的輸出電壓值，非整分貝點的校正值由線性插值法求出。計算公式為：

式中：i=1，2，…Y為整分貝校正值；X為對應Y的輸出電壓值；y為位于yi-1與Yi之間的非整分貝校正值；x為對應y的輸出電壓值。

電壓-分貝表可通過下面的實驗獲得。實驗配置如圖5所示。

實驗步驟如下：

a)按圖5連接電路，打開電源，使儀器正常工作。

b)將精密衰減器調至0 dB，調整信號源"衰減"旋鈕，使A/D輸出接近滿量程。

c)增大精密衰減器的衰減量，每變化1 dB讀一次A/D輸出值，直到輸出為0。

d)以分貝值為地址(末幾位)，在EPROM中固化相對應的A/D輸出值。

圖6是由繪圖儀繪制的測量放大器的校準曲線。實驗表明，經校準后，測量放大器產生的誤差大大降低，但仍大于0.25 dB，信號較小時誤差接近0.5 dB。誤差產生的原因是校準時精密衰減器本身有0.1 dB的誤差，尤其是校準時的環(huán)境(溫、濕度等)與測量時不同造成的校準誤差影響更大。因此，實際中一般制作多個分貝-電壓表，應用于不同的實驗環(huán)境。

3.3 消除"毛刺"程序

由于電磁環(huán)境日趨復雜、惡劣，測試現(xiàn)場存在很多電磁干擾。出現(xiàn)最頻繁的是脈沖干擾，在繪出的方向圖中表現(xiàn)為一個個小"毛刺"。這些毛刺給數(shù)據(jù)處理帶來很大麻煩，如果不予消除，可能引起測量誤差增大、參數(shù)計算出錯等現(xiàn)象。例如出現(xiàn)在主瓣上的"毛刺"會被誤判為副瓣，從而導致副瓣電平的計算出錯。

常用的消除"毛刺"方法有限幅濾波法、求算術平均值法、中值濾波法和一階滯后濾波法等。通過實驗驗證，限幅濾波法對測量中出現(xiàn)的"毛刺"的濾波效果最好。限幅濾波法是把兩次相鄰的采樣值相減，求出增量絕對值，然后與兩次采樣允許的最大差值△Y進行比較，如果不大于△Y，則認為本次數(shù)據(jù)有效，保留該數(shù)據(jù)；否則，取上點的數(shù)值作為本次數(shù)據(jù)。即

式中：K=1，2，…；X為采集數(shù)據(jù)；Y為濾波數(shù)據(jù)。

△Y的選取至關重要，過大和過小其濾波效果都不理想，需通過反復實驗獲得。

4 結束語

本文介紹了某雷達天線方向圖自動測試系統(tǒng)的軟硬件原理。用該系統(tǒng)進行實地測量，不計架設和通電準備時間，從信號錄取、數(shù)據(jù)處理到最后繪制方向圖、打印計算結果，整個測試過程不超過1.5 min。該系統(tǒng)具有精度高、測量速度高、性能穩(wěn)定、價格低廉和適應環(huán)境能力強等特點，既適用于實驗室的測量，又適合在野外工作現(xiàn)場對天線進行在線測量。