數據處理及報告生成軟件在有源相控陣天線多波束自動測試技術中的實踐與運用

趙榮超

（中國電子科技集團公司第十研究所，四川 成都 610036）

0 引 言

隨著電磁研究的深入和電子技術的發展，天線發展和應用已經覆蓋航空、航天、通信、識別、情報偵察以及雷達制導等諸多領域[1,2]。其中，天線增益、指向精度、副瓣電平、3 dB波瓣寬度、軸比、EIRP、G/T以及發射功率控制等是有相控陣天線的關鍵指標，是其研制、定型及生產階段最為關心的指標[3]。上述如指向精度、副瓣電平、3 dB波瓣寬度及軸比等均是通過方向圖計算得出。本文闡述了數據處理及報告生成軟件在某型有源相控陣天線多波束自動測試技術中的運用，實踐證明該軟件處理數據效率高、數據結果置信度高且可靠性好，能在工程生產項目中大量運用。

1 軟件設計背景介紹

1.1 有源相控陣天線多波束測試技術的廣泛應用

近年來，隨著有源相控陣天線在各領域廣泛應用，在各種平臺上均大量裝備，進入了批量生產階段。一副天線大約需完成1 452張方向圖測試工作，單張方向圖測試已經無法滿足現有的生產需要，因此搭建有源相控陣天線自動測試系統來完成方向圖的測試工作。該系統主要利用矢量網絡分析儀、信號源、頻譜儀、轉臺以及自研模擬終端控制器進行搭建，運用轉臺脈沖和模擬終端控制器PECL接口觸發實現對相控陣天線各俯仰波束和差方向圖、軸比方向圖以及指向精度差方向圖的測試，最終原始數據以ACCSS數據庫文件的方式存儲。該多波束測試技術一次完成相控陣天線俯仰多個波束方向圖測試，效率提升近28倍，將整個調試周期縮短95.86%，現階段在有源相控陣天線測試中得到了廣泛運用。

1.2 有源相控陣天線方向圖數據處理難度大

隨著有源相控陣天線多波束測試技術的運用，極大提高了測試效率，因一次測試所得方向圖數據約138 304個，所以后期數據處理指標計算工作量巨大。現有的MI系統、NSI系統、SATIMO系統以及霍萊沃系統等國內外測試系統都只能將測試數據導出或生成單一腳本文件，不能計算天線指標，更不會出具不同格式的測試驗收報告。為滿足現階段有源相控陣天線的生產要求，快速從原始方向圖數據中得到相控陣天線的各項指標并生成特定格式的測試驗收報告，迫切需要一種有源相控陣天線自動測試數據處理及特定報告生成軟件來解決人工數據處理及報告生成效率低、計算指標錯誤率高等問題。

2 數據處理及報告生成設計與優化

2.1 方案的組成及原理

該軟件是基于VB/MATLAB開發的，主要實現遠場測試數據處理及生成特定格式測試驗收報告、繪制方向圖、分析方向圖數據及導入人工測試單張方向圖數據等。利用Visual Basic實現軟件可視化界面編寫和數據寫入特定格式測試驗收報告功能，嵌入MATLAB完成天線方向圖繪制、天線各指標計算與統計功能，此外還可以和Excel辦公軟件、圖像處理軟件等進行方便的鏈接。

2.2 具體實施過程

為滿足有源相控陣天線后期各指標處理工作能夠快速完成，實現從測試原始數據到指標填入特定格式測試驗收報告的轉化，利用VB嵌入MATLAB設計一種有源相控陣天線自動測試數據處理及特定報告生成軟件，以此彌補處理數以萬計的數據速度慢和指標測試驗收報告準確度低等不足。編寫友好人機操作界面，實現對有源相控陣天線多頻點多波束遠場測試數據讀取，計算3 dB波瓣寬度、副瓣電平、軸比、EIRP以及G/T等重要指標，最終出具特定格式的測試驗收報告，在實踐中證明使用該軟件完成數據處理及測試報告生成效率較傳統方式提高了64倍。

2.2.1 各指標計算

隨著當今儀器和設備等不斷更新，朝著集成化和數字化方向發展，很顯然傳統的人工計算數據處理方式不能很好地分析計算結果[4]。而且，這些陳舊方式準確程度有限，帶有一定的主觀隨意性，該軟件嵌入MATLAB具有方便運算和繪圖等優勢，且開發周期很短[5]。在實際運用中，該軟件處理3 dB波瓣寬度、副瓣電平、軸比、差波束零深、指向精度、功率控制、RIRP以及G/T等指標的結果與人工處理結果對比誤差在±0.05 dB以內，數據處理結果準確，測試報告填寫無誤，數據處理指標結果置信度高。相控陣天線幾項重要指標計算方法如下。

（1）3 dB波瓣寬度。3 dB波瓣寬度又叫半功率波瓣寬度和半功率角，主要是描述方向圖主瓣在給定截面上特性的重要參數[6]。給定截面上主瓣的3 dB波瓣寬度是一個最大輻射方向上的一個角度區域，在這個區域內天線的相對輻射功率大于1/2。一般來說，方向圖并不是對稱的，定義θ0right和θ0left為天線的最大輻射方向到半功率點的角度，則3 dB波束寬度為：

（2）副瓣電平。副瓣（又稱旁瓣）電平，是最大副瓣的極大值與主瓣最大值之比的對數值[7]。通常用分貝表示為：

式中，Em為副瓣最大場值；Es為主瓣最大場值。

（3）軸比。任意極化波的瞬時電場矢量的端點軌跡為一橢圓，橢圓的長軸2A和短軸2B之比稱為軸比[8]。即：

（4）有源增益。有源相控陣天線增益主要指有源天線在最大輻射方向上遠區某點的功率密度與輸入功率相同的無方向性天線在同一點的功率密度之比[9]。即：

式中，GX表示俯仰各波束有源增益；GS表示各俯仰和方向圖最大值與法向和方向圖最大值之差；Pxr表示標準天線加入相同的功率在同一位置測得接收功率值；Psr表示被測天線加入相同的功率在同一位置測得接收功率值。

（5）等效輻射功率。等效各向同性輻射功率（Equivalent Isotropic Radiate Power，EIRP）用來表征在某一特定方向上天線的凈輻射功率。它等于施加在天線端口的輸入功率與天線增益的乘積[10]。設標準天線增益為Gt0，信號源功率輸出為Pt0，信號源到發射天線間饋線損耗為Lt0，接收機收到標準天線功率為P0，接收機接收到被測天線功率為Pr，則EIRP為：

（6）增益噪聲比。增益噪聲比是天線增益G與噪聲溫度T的比值[11]。天線噪聲溫度Ta用給定頻率有關的等效噪聲溫度表示，天線噪聲溫度可分為內部噪聲和外部噪聲，外部噪聲是天線所處的環境中噪聲源產生的噪聲，如大氣衰減噪聲、宇宙噪聲以及地面熱輻射噪聲等，內部噪聲主要包括天線傳輸損耗和歐姆損耗等。天線噪聲溫度Tα為：

式中，Tα表示天線噪聲溫度；T(θ,φ)表示天空亮溫度分布；P(θ,φ)表示天線功率方向圖函數；θ表示二維相控陣天線俯仰角；φ表示二維相控陣天線方位角。

用輔助圓極化作為發射天線，設標準天線增益為Gt0，標準天線至頻譜儀之間的饋線損耗為L1，用標準天線分別收到兩個正交極化功率P0H與P0E，其和為：

式中，P0表示標準天線合成圓極化功率；P0H表示標準線極化天線收到垂直極化功率；P0E表示標準線極化天線收到水平極化功率。

T為有源天線系統噪聲溫度，打開信號源輸出時頻譜儀接收到輔助圓極化天線發射的載波加噪聲功率為PC+N，關掉信號源輸出時頻譜儀測量的總噪聲功率為PN，此時增益噪聲比G/T為：

（7）指向精度。指向精度方向圖是自動測試系統每0.4°為一個波位測試一張差波束方向圖所得，必須在差方向圖數據中查找到兩主瓣間的極小值點的位置，然后根據下式計算天線波束指向精度：

式中，σθ指波束指向均方根值；θci指理論上的波束指向角度；θmi指實際測試的波束指向角度。

2.2.2 特定格式文檔自動生成

為了滿足科研生產需要，在天線測試完成后均需將天線各指標填入特定格式的文檔中，用于測試驗收報告歸檔工作。為了實現不同項目的不同格式要求，在軟件目錄中設計了一個模板temp文件夾，用于存放不同格式的文檔模板，該模板中設置有不同符號代表不同電性能指標，如用R_SLL代表接收副瓣電平，用R_AR代表接收軸比。新建測試驗收報告主要是復制temp文件下的指定模板到輸出文件夾重命名后完成。

2.2.3 導入人工測試數據

為了滿足手動測試數據處理需求，該軟件設計了導入手動測試數據功能，將存在PNA中的*.csa、*.cst以及*.cti等文件轉換成ACSS數據庫，最終利用繪圖和數據處理及報告生成功能實現指標計算[12]。

3 軟件運用結果分析

該軟件成功在10余個有源相控陣天線項目中運用，在同等條件下，數據處理及出具測試報告的效率較傳統方式提高了64倍，生產效率顯著提高，同時避免了人工處理大量煩瑣測試數據出現差錯，提高數據處理的置信度，在有源相控陣天線多波束自動測試技術中起到了重要作用。

4 結 論

本文針對傳統天線數據處理方式在多波束有源相控陣天線測試中存在的不足，設計了一種有源相控陣天線自動測試數據處理及特定報告生成軟件。該軟件具有可視化操作界面，通過在各工程項目中的運用，處理指標結果與人工處理結果一致，運行穩定，實用性強，大大減少了測試人員的工作量，縮短有源相控陣天線的驗收交付周期，為有源相控陣天線的批量交付提供堅實保障。