一種基于VSTO的陣列天線自動測試系統的設計

陳 亮,蔣治國,徐建敏

(中國電子科技集團公司第三十六研究所，浙江 嘉興 314033)

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一種基于VSTO的陣列天線自動測試系統的設計

陳 亮,蔣治國,徐建敏

(中國電子科技集團公司第三十六研究所，浙江 嘉興 314033)

陣列天線由于具有較強方向性和較高增益，可顯著提高電子信息系統的整體性能。陣列天線性能的優劣主要通過方向圖表現出來。因此對天線方向圖的測試和驗證是陣列天線系統設計中比較重要的一個環節。考慮到要對大量的測試數據進行較為復雜的自動化的后期處理，提出了一種適用于遠場測試環境的陣列天線自動測試系統解決方案。該系統基于VSTO實現，在用戶熟悉的Excel界面中實現了測試數據獲取、處理、表現的全生命周期的所有功能，自動完成了對陣列天線方向圖的測試。

VSTO；陣列天線；自動測試系統；外場測試；方向圖

0 引言

隨著陣列天線技術的不斷發展和成熟，其在通信、雷達等電子信息系統中的應用也越來越廣泛。陣列天線可以實現單個天線無法實現的復雜功能，其較強的方向性和較高的增益，以及方向圖掃描等優點，可以顯著提高系統性能。陣列天線性能的優劣主要通過方向圖等系統參數反應出來的[1]。因此對陣列天線方向圖的測試和驗證，在陣列天線研發過程中的理論驗證和工程實現方面都具有重要意義。

然而，陣列天線方向圖的測試涉及測試環境、測試儀器與設備，以及測試方式等諸多因素，開發一種能夠對被測陣列天線自動進行測量、故障診斷、數據處理、存儲和傳輸，并以適當方式顯示或輸出測試結果的自動測試系統是必要的[2]。目前，大多數陣列天線設計和測試過程中，沒有采用較為完整的涵蓋數據獲取、處理和分析3個過程的解決方法。

1 系統組成

陣列天線自動測試系統設計組成包括了系統工作環境和硬件組成2個方面。通過分析，可選定合適的測試工作環境，并明確測試任務的各項指標。

1.1 工作環境

通常而言，天線方向圖測試的目的是采用遠場或近場的測試方法進行天線參數的準確測量?？紤]由源天線(發射)等效相位中心輻射的電磁波經過距離R到達待測天線(接收)口面，以待測天線口面中心為參考，口面邊緣的相位差可由式(1)計算得到。

(1)

一般地，取Δφmax=π/8，所得距離稱為遠場最小測試距離，即Rmin=2D2/λ。這里的D通常取待測天線最大口徑尺寸[3]。通過上述計算，并根據天線工作頻段及結構尺寸的要求，確定陣列天線的測試需要在天線遠場專用測試場地進行，如圖1所示。

圖1 遠場測試的環境設計

圖中將陣列天線放置在專用測試轉臺上，利用測試轉臺的旋轉來獲取各個通道和各個頻段上的陣列天線方向圖。由于轉臺工作時，始終處于一個勻速和無間斷轉動的工作狀態，因而在這個測試過程中，依靠人工方法記錄大量數據是一項根本無法完成測試任務，必須借助自動化的方法來實施。

1.2 硬件組成及實現的功能

為了完成在上述遠場測試環境中的陣列天線方向圖的自動測試，接下來還需要具體分析系統硬件組成及實現的功能。陣列天線自動測試系統的硬件組成具體如圖2所示。

圖2 測試系統硬件組成圖

系統要求在轉臺旋轉的較短的測試時間周期內，通過控制頻譜儀、信號源、開關矩陣和電臺等多種測試儀器和設備，實現實時地頻譜功率峰值捕獲、發射信號的遠程控制和切換、接收信號的通道開關切換和數據獲取，以及轉臺控制及瞬時角度讀取等功能。此外，還要根據項目的具體要求，系統對測試過程中產生的海量原始數據進行自動地去噪、插值和計算波束寬度，以及生成方向圖等處理。

因而必須借助計算機的控制、計算、通信和處理能力，利用能夠充分發揮測量儀器的群體優勢的自動測試系統來完成這一測試任務。

2 系統設計

一個典型的自動測試系統包括了用戶界面與程序控制、數據獲取和數據分析3個功能模塊。用戶界面是自動測試系統與用戶的人機接口，也是程序邏輯控制和數據存儲的外在表現形式。數據獲取模塊是按照測試序列的要求，調用儀器驅動或模塊化的儀器控制程序來產生測試報表所需的原始的測試數據。數據分析模塊是對原始的測試數據采用格式化、數字信號處理、統計分析和曲線擬合等方法最終獲得一個簡單、明了的測試結果[4]。

VSTO是微軟Visual Studio開發環境中的Office解決方案，在Visual Studio編程環境中，利用VSTO解決方案和Office客戶端工具，實現用戶界面與程序控制、數據獲取和分析表現3個功能[5]，如圖3所示。

圖3 測試系統軟件部分的設計

2.1 用戶界面與程序控制

本文介紹的陣列天線自動測試系統用戶界面和程序控制模塊是在Microsoft Visual Studio編程環境下的VSTO模板來實現的。

VSTO通過將Office用作解決方案的前端，便可以使用熟悉的Office用戶界面和工具，例如：利用Office Ribbon功能區這種新型菜單項目表現形式可以清晰和快速地構建自動測試程序的測試操作步驟和程序控制流程。利用Office Action Pane Control控件可以構建豐富的用戶界面，方便用戶選擇儀器的地址、設置自動測試系統的預設數據，以及表現測試過程的實時狀態。而Office Excel強大的數據分析功能和快速圖表生成功能，可以快速制作滿足系統需求的數據表現形式[6]。此外，VSTO還支持WPF控件，WPF控件可用于構建具有豐富、引人注目和具有良好使用體驗的用戶界面，并能夠清晰地區分用戶界面和程序控制邏輯[5]。

2.2 數據獲取

數據獲取程序模塊的主要功能是控制儀器和設備，讀取并按照一定的格式將測試數據寫入Excel表格中。鑒于這部分的程序是以測試數據流為中心的程序設計模式，因而采用了結構化的分析和設計方法[7]，下面以法線方向的增益測試為例，利用便于理解和分析測試數據流的數據流程圖,如圖4所示，來簡述該測試序列程序的實現過程。

圖4 數據獲取部分的數據流程圖(DFD)

從數據流程圖中可以看出，陣列天線自動測試系統基本上沒有外部實體的介入，整個系統的數據輸入都是通過預設的列表直接輸入到各個處理程序的。

在進行法線方向的增益測試時，首先要調整轉臺上的陣列天線，使其主波束方向與源天線方向成一直線和極化方向保持一致。啟動程序后，程序自動讀取預設參數的列表，按照測試序列操控儀器和設備。最后使用VSTO提供的函數把獲取的原始測試數據保存在Office Excel的Sheets對象中，便于后續的數據分析模塊來調用。

2.3 數據分析

自動測試系統獲取的原始測試數據必須經過格式化、歸一化、信號處理、統計分析和曲線擬合等方法來產生最終的結果。經過處理的測試數據還要在用戶界面上，利用圖表或其他表現形式的控件，按照系統的需求顯示出來。

根據陣列天線自動測試系統需求分析結果，主要利用Office Excel提供的內置數據處理函數，對數據進行整理、去噪和插值等處理。首先，測試的原始數據在顯示的小數位數和數據格式等方面進行了統一，如有需要還要對測試數據進行時間或序列等方式進行標識，對于測試數據進行一些簡單的統計。其次，考慮到轉臺在測試過程中經歷了啟動、旋轉和停止等動作，它并不是一個理想的勻速轉動過程，再者由于讀取轉臺與讀取其他儀器或設備的程序響應速度的不匹配，在測試數據中會產生一些重復或空白條目。而頻譜儀等儀器在整個測試過程中，或因為周遭電磁環境影響，或因為儀器本身的一些固有問題，也會產生少量的錯誤數據。以上2類錯誤數據表現為一些噪點，在數據處理過程中應予去除。最后，考慮到計算方位面3 dB波束寬度θAzim的精度要求，還要對測試數據按照一定密度進行線性插值計算處理。

根據陣列天線自動測試系統的設計要求，利用Office Excel中的Table對象提供的屬性和方法來表現計算得到方向圖方位面3 dB波束寬度θAzim，同時記錄法向掃描波束最大功率電平P0的結果；利用Office Excel中的Chart對象所提供的一些屬性和方法來繪制陣列天線方位面主波束方向圖，如圖5所示。

圖5 陣列天線在3種不同工作頻段下的方向圖

3 系統驗證

把陣列天線自動測試系統輸出的結果，與設計要求中不同測試頻點下，天線增益和波束寬度等指標的仿真結果進行比較，考慮誤差因素后，測得數據基本與理論數據相符，說明陣列天線自動測試系統的測試結果是可信的。

另一方面陣列天線自動測試系統，在一次測試過程中可完成多路信道、多個頻點的測試，自動測試的速度比人工測試一般可以快50～500倍[8]，極大提高了系統測試效率，也達到設計預期。

4 結束語

介紹了一種基于VSTO的陣列天線自動測試系統的設計過程，該自動測試系統，在Office Excel這樣一個用戶比較熟悉的工作環境中，完成了對陣列天線方向圖的測試，實現了測試數據獲取、處理和表現的全生命周期的所有功能。將測得數據整理后與理論仿真得到的數據對比，考慮誤差因素后，測得數據基本與理論數據相符，證明該自動測試系統具有一定的創新性和工程使用價值。

[1] 郝延剛,李淑華.在室外測試場中陣列天線方向圖的測試方法[J].科學技術與工程,2012,12(29):7745-7748.

[2] 郝延剛,李淑華.在室外測試場中陣列天線方向圖的測試方法[J].科學技術與工程,2012,12(29):7745-7748. [3] 楊東萍,未連保,衣尚軍.相位誤差對相控陣天線影響分析與改進[J].無線電工程,2013,43(3):24-26.

[4] Getting Started with LabWindows/CVI,P21[EB/OL].http:∥www.ni.com/pdf/manuals/373552k.pdf[5] Vivek Thengaswany.VSTO 3.0 for Office 2007 Programming[M].UK:Packt Publishing,2009.

[6] Visual Studio中的Office開發[EB/OL].http:∥msdn.microsoft.com.

[7] 褚 華.軟件設計師教程[M].北京:清華大學出版社,2009.

[8] 李立功.現代電子測試技術[M].北京:國防工業出版社,2008.

A VSTO Based Automatic Testing System Design for Array Antenna

CHEN Liang,JIANG Zhi-guo,XU Jian-min

(The 36th Research Institute of CETC,Jiaxing Zhejiang 314033,China)

Array antenna with strong directivity and high gain can significantly improve the system performance. The performance of an array antenna is mainly manifested by the pattern. So the testing and verification of the pattern is an important part during the array antenna system design process. This paper presents an automatic test system solution for the array antenna in far field environment. The system is based on VSTO,implementing within the familiar Excel interface test data acquisition,processing and presentation of full life cycle of the test process,and automatically carries out the testing of the array antenna pattern.

VSTO; array antenna; automatic test system; outdoor test; antenna pattern

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2016.06.23

陳 亮,蔣治國,徐建敏.一種基于VSTO的陣列天線自動測試系統的設計[J].無線電通信技術,2016,42(6):91-94.

2016-07-13

陳 亮(1983—)，男，高級工程師，主要研究方向：半實物仿真與自動測試。蔣治國(1982—)，男，工程師，碩士，主要研究方向：半實物仿真與自動測試。

TN821

A

1003-3114(2016)06-91-4