相控陣天線實驗系統(tǒng)設計

孫士林

（華東電子工程研究所 安徽 合肥 230031）

天線[1-2]是電子類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎課，然而由于大部分高校缺乏專門的天線實驗教學設備，使得學生對天線學科缺乏感性和全面的認識。為了提高天線教學的質(zhì)量，克服實驗室條件不足，許多高校利用計算機輔助教學的方法[3]，模擬天線設計實現(xiàn)過程，以及天線實驗所用到的儀器設備以及測量過程，從仿真的角度去介紹天線學科知識。然而這種方法沒有考慮工程設計中如環(huán)境和天線加工精度等各種影響因素，不能客觀的反映天線的實際性能。因此為讓學生更好的掌握天線工程設計的基本方法，在簡易天線遠場測量系統(tǒng)的基礎上，開發(fā)研制了相控陣天線實驗系統(tǒng)，并將其應用到了天線專業(yè)的實驗教學中，取得了良好的實驗教學效果。

本天線實驗系統(tǒng)為教師和學生提供了X波段相控陣天線波束設計和實驗的教學平臺，具有功能強，操作簡單、課程易懂等特點，可作為開展有關相控陣雷達天線設計與驗證課程的實驗教學。

1 系統(tǒng)組成及原理

本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)由實驗天線子系統(tǒng)、天線遠場測量子系統(tǒng)兩個部分組成，其中，實驗天線子系統(tǒng)包含X波段天線、波控單元和多功能組件，主要提供天線的波束形成控制即相控陣天線的波束設計。天線遠場測量子系統(tǒng)由轉(zhuǎn)臺與控制器、接收喇叭天線、矢量網(wǎng)絡分析儀、場放大器組成，按照遠場方向圖測量的原理測得該相控陣天線的遠場方向圖。主控計算機通過軟件交互界面的操作控制兩個子系統(tǒng)完成各自功能，從而實現(xiàn)相控陣天線的實驗過程。

圖1 相控陣天線實驗系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.1 Composition of the experimental system of the phased array antenna

1）相控陣天線子系統(tǒng)

相控陣天線子系統(tǒng)中用來實現(xiàn)波束設計及天線掃描功能的關鍵部分是多功能組件，主控計算機通過數(shù)據(jù)接口控制波控分系統(tǒng)發(fā)送幅度、相位控制碼給多功能組件。當射頻信號進入多功能組件后，經(jīng)過放大和功率分配等環(huán)節(jié)，饋入16路的開關移相衰減器，這時開關移相衰減器已接收控制碼并設置好所有通道的衰減值和移相值，射頻信號經(jīng)過移相衰減后饋入到天線單元的各個端口，最終發(fā)射出去。

2）遠場測量子系統(tǒng)

在實驗場地的另外一端，相對于相控陣天線正前方架設響應的喇叭天線作為接收天線，架設距離需滿足測試頻率下的遠場條件。在實驗過程中，在轉(zhuǎn)臺測試轉(zhuǎn)動的同時通過矢量網(wǎng)絡分析儀的一端口發(fā)射信號送至相控陣天線，并從喇叭天線接收信號回送至矢量網(wǎng)絡分析儀的二端口進行數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)整個天線系統(tǒng)方向圖參數(shù)的測量。

3）指標設計

由于相控陣天線的大小及遠場條件與電尺寸相關，因此考慮到實驗場地的限制，同時兼顧到控制整個系統(tǒng)的成本，本實驗系統(tǒng)在設計時采用X波段相控陣天線系統(tǒng)及測量系統(tǒng)的方案，頻率范圍選擇9.5～10.5 GHz，天線形式采用 1×16微帶陣，帶寬≥5%，根據(jù)相控陣天線原理，可實現(xiàn)的波束形式為側(cè)射波束、單波束、雙波束、多波束等。

2 系統(tǒng)軟件設計

1）系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件是整個實驗系統(tǒng)的核心，所有的操作將通過軟件的人機交互界面來實現(xiàn)。本系統(tǒng)軟件基于Labwindows/CVI語言設計開發(fā)[4-5]，按照功能劃分為天線波束設計、儀表設置、數(shù)據(jù)顯示、轉(zhuǎn)臺操作、測試參數(shù)設置、天線參數(shù)顯示、圖形操作、測試操作模塊。

圖2 實驗系統(tǒng)軟件主界面Fig.2 Main interface of the experimental system software

在實驗教學中，可根據(jù)課程不同在天線波束設計功能界面下進行波束設計；然后設置測試參數(shù)并進行測試，這時界面中將會實時顯示所設計的方向圖 （如圖2所示的20度掃描角的波束）；測試結(jié)束后，即可通過天線參數(shù)顯示欄得到方向圖的各項參數(shù)。該然間同時具備數(shù)據(jù)自動保存和方向圖的輸出功能，方便測試結(jié)果的存檔。

2）基于局域網(wǎng)的多用戶教學的實現(xiàn)

實驗教學注重教師演示和學生實際操作，參加實驗課程的學生有很多，而系統(tǒng)資源只有一個。因此為適應多用戶教學的需求，本系統(tǒng)軟件基于Labwindows/CVI的DataSocket技術[5]，設計了基于服務器-終端模式的實驗資源共享和監(jiān)控功能。教師軟件和學生軟件使用同樣的操作界面，教師軟件安裝在主控計算機，直接與實驗系統(tǒng)連接進行操作，學生軟件則通過發(fā)送指令給教師軟件，通過主控計算機間接實現(xiàn)對實驗系統(tǒng)的操作。

圖3 多用戶教學實驗示意圖Fig.3 Multi-user teaching experiment diagram

在服務器-客戶端模式下的軟件設計中，在TCP/IP協(xié)議下通過網(wǎng)絡編程實現(xiàn)應用程序點對點的通信，主控計算機主要作為服務器接收學生發(fā)送的測試請求，根據(jù)學員請求順序進行排序，按排序啟動各自的實驗過程，并實時發(fā)送數(shù)據(jù)給對應的學生終端。實驗的同時學生和教師均可通過軟件界面的操作取消和中斷實驗，釋放實驗資源。

3 結(jié)束語

文中提出了基于Labwindows/CVI語言設計開發(fā)的相控陣天線實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)了相控陣天線的設計及測試功能。該系統(tǒng)已經(jīng)應用于某院校天線課程的實驗教學中，并取得了良好的教學效果。該系統(tǒng)最大的特點是注重實驗操作的交互性以及仿真與實測結(jié)果的結(jié)合，設計新穎，原理簡明、實驗過程直觀，培養(yǎng)學生實際興趣和動手能力，所用實驗天線具有典型相控陣天線的代表性。該系統(tǒng)通過一個系統(tǒng)的實現(xiàn)結(jié)合了相控陣設計實驗和測量實驗兩種實驗過程，可開設多種實驗課程和開展科研活動，大大降低了天線課程實驗教學儀器的重復投入，為高校的天線課程實驗教學開辟了一個新的途徑。

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