數(shù)據(jù)處理及報(bào)告生成軟件在有源相控陣天線多波束自動(dòng)測(cè)試技術(shù)中的實(shí)踐與運(yùn)用

趙榮超

（中國電子科技集團(tuán)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(shù)的發(fā)展，天線發(fā)展和應(yīng)用已經(jīng)覆蓋航空、航天、通信、識(shí)別、情報(bào)偵察以及雷達(dá)制導(dǎo)等諸多領(lǐng)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(fā)射功率控制等是有相控陣天線的關(guān)鍵指標(biāo)，是其研制、定型及生產(chǎn)階段最為關(guān)心的指標(biāo)[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(jì)算得出。本文闡述了數(shù)據(jù)處理及報(bào)告生成軟件在某型有源相控陣天線多波束自動(dòng)測(cè)試技術(shù)中的運(yùn)用，實(shí)踐證明該軟件處理數(shù)據(jù)效率高、數(shù)據(jù)結(jié)果置信度高且可靠性好，能在工程生產(chǎn)項(xiàng)目中大量運(yùn)用。

1 軟件設(shè)計(jì)背景介紹

1.1 有源相控陣天線多波束測(cè)試技術(shù)的廣泛應(yīng)用

近年來，隨著有源相控陣天線在各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，在各種平臺(tái)上均大量裝備，進(jìn)入了批量生產(chǎn)階段。一副天線大約需完成1 452張方向圖測(cè)試工作，單張方向圖測(cè)試已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有的生產(chǎn)需要，因此搭建有源相控陣天線自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)來完成方向圖的測(cè)試工作。該系統(tǒng)主要利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、信號(hào)源、頻譜儀、轉(zhuǎn)臺(tái)以及自研模擬終端控制器進(jìn)行搭建，運(yùn)用轉(zhuǎn)臺(tái)脈沖和模擬終端控制器PECL接口觸發(fā)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)試，最終原始數(shù)據(jù)以ACCSS數(shù)據(jù)庫文件的方式存儲(chǔ)。該多波束測(cè)試技術(shù)一次完成相控陣天線俯仰多個(gè)波束方向圖測(cè)試，效率提升近28倍，將整個(gè)調(diào)試周期縮短95.86%，現(xiàn)階段在有源相控陣天線測(cè)試中得到了廣泛運(yùn)用。

1.2 有源相控陣天線方向圖數(shù)據(jù)處理難度大

隨著有源相控陣天線多波束測(cè)試技術(shù)的運(yùn)用，極大提高了測(cè)試效率，因一次測(cè)試所得方向圖數(shù)據(jù)約138 304個(gè)，所以后期數(shù)據(jù)處理指標(biāo)計(jì)算工作量巨大?，F(xiàn)有的MI系統(tǒng)、NSI系統(tǒng)、SATIMO系統(tǒng)以及霍萊沃系統(tǒng)等國內(nèi)外測(cè)試系統(tǒng)都只能將測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)出或生成單一腳本文件，不能計(jì)算天線指標(biāo)，更不會(huì)出具不同格式的測(cè)試驗(yàn)收?qǐng)?bào)告。為滿足現(xiàn)階段有源相控陣天線的生產(chǎn)要求，快速從原始方向圖數(shù)據(jù)中得到相控陣天線的各項(xiàng)指標(biāo)并生成特定格式的測(cè)試驗(yàn)收?qǐng)?bào)告，迫切需要一種有源相控陣天線自動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)處理及特定報(bào)告生成軟件來解決人工數(shù)據(jù)處理及報(bào)告生成效率低、計(jì)算指標(biāo)錯(cuò)誤率高等問題。

2 數(shù)據(jù)處理及報(bào)告生成設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 方案的組成及原理

該軟件是基于VB/MATLAB開發(fā)的，主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場測(cè)試數(shù)據(jù)處理及生成特定格式測(cè)試驗(yàn)收?qǐng)?bào)告、繪制方向圖、分析方向圖數(shù)據(jù)及導(dǎo)入人工測(cè)試單張方向圖數(shù)據(jù)等。利用Visual Basic實(shí)現(xiàn)軟件可視化界面編寫和數(shù)據(jù)寫入特定格式測(cè)試驗(yàn)收?qǐng)?bào)告功能，嵌入MATLAB完成天線方向圖繪制、天線各指標(biāo)計(jì)算與統(tǒng)計(jì)功能，此外還可以和Excel辦公軟件、圖像處理軟件等進(jìn)行方便的鏈接。

2.2 具體實(shí)施過程

為滿足有源相控陣天線后期各指標(biāo)處理工作能夠快速完成，實(shí)現(xiàn)從測(cè)試原始數(shù)據(jù)到指標(biāo)填入特定格式測(cè)試驗(yàn)收?qǐng)?bào)告的轉(zhuǎn)化，利用VB嵌入MATLAB設(shè)計(jì)一種有源相控陣天線自動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)處理及特定報(bào)告生成軟件，以此彌補(bǔ)處理數(shù)以萬計(jì)的數(shù)據(jù)速度慢和指標(biāo)測(cè)試驗(yàn)收?qǐng)?bào)告準(zhǔn)確度低等不足。編寫友好人機(jī)操作界面，實(shí)現(xiàn)對(duì)有源相控陣天線多頻點(diǎn)多波束遠(yuǎn)場測(cè)試數(shù)據(jù)讀取，計(jì)算3 dB波瓣寬度、副瓣電平、軸比、EIRP以及G/T等重要指標(biāo)，最終出具特定格式的測(cè)試驗(yàn)收?qǐng)?bào)告，在實(shí)踐中證明使用該軟件完成數(shù)據(jù)處理及測(cè)試報(bào)告生成效率較傳統(tǒng)方式提高了64倍。

2.2.1 各指標(biāo)計(jì)算

隨著當(dāng)今儀器和設(shè)備等不斷更新，朝著集成化和數(shù)字化方向發(fā)展，很顯然傳統(tǒng)的人工計(jì)算數(shù)據(jù)處理方式不能很好地分析計(jì)算結(jié)果[4]。而且，這些陳舊方式準(zhǔn)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(yùn)算和繪圖等優(yōu)勢(shì)，且開發(fā)周期很短[5]。在實(shí)際運(yùn)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(biāo)的結(jié)果與人工處理結(jié)果對(duì)比誤差在±0.05 dB以內(nèi)，數(shù)據(jù)處理結(jié)果準(zhǔn)確，測(cè)試報(bào)告填寫無誤，數(shù)據(jù)處理指標(biāo)結(jié)果置信度高。相控陣天線幾項(xiàng)重要指標(biāo)計(jì)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(shù)[6]。給定截面上主瓣的3 dB波瓣寬度是一個(gè)最大輻射方向上的一個(gè)角度區(qū)域，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)天線的相對(duì)輻射功率大于1/2。一般來說，方向圖并不是對(duì)稱的，定義θ0right和θ0left為天線的最大輻射方向到半功率點(diǎn)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(duì)數(shù)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(shí)電場矢量的端點(diǎn)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(yuǎn)區(qū)某點(diǎn)的功率密度與輸入功率相同的無方向性天線在同一點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)天線加入相同的功率在同一位置測(cè)得接收功率值；Psr表示被測(cè)天線加入相同的功率在同一位置測(cè)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(shè)標(biāo)準(zhǔn)天線增益為Gt0，信號(hào)源功率輸出為Pt0，信號(hào)源到發(fā)射天線間饋線損耗為Lt0，接收機(jī)收到標(biāo)準(zhǔn)天線功率為P0，接收機(jī)接收到被測(cè)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(guān)的等效噪聲溫度表示，天線噪聲溫度可分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲，外部噪聲是天線所處的環(huán)境中噪聲源產(chǎn)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(nèi)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(shù)；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(fā)射天線，設(shè)標(biāo)準(zhǔn)天線增益為Gt0，標(biāo)準(zhǔn)天線至頻譜儀之間的饋線損耗為L1，用標(biāo)準(zhǔn)天線分別收到兩個(gè)正交極化功率P0H與P0E，其和為：

式中，P0表示標(biāo)準(zhǔn)天線合成圓極化功率；P0H表示標(biāo)準(zhǔn)線極化天線收到垂直極化功率；P0E表示標(biāo)準(zhǔn)線極化天線收到水平極化功率。

T為有源天線系統(tǒng)噪聲溫度，打開信號(hào)源輸出時(shí)頻譜儀接收到輔助圓極化天線發(fā)射的載波加噪聲功率為PC+N，關(guān)掉信號(hào)源輸出時(shí)頻譜儀測(cè)量的總噪聲功率為PN，此時(shí)增益噪聲比G/T為：

（7）指向精度。指向精度方向圖是自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)每0.4°為一個(gè)波位測(cè)試一張差波束方向圖所得，必須在差方向圖數(shù)據(jù)中查找到兩主瓣間的極小值點(diǎn)的位置，然后根據(jù)下式計(jì)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(shí)際測(cè)試的波束指向角度。

2.2.2 特定格式文檔自動(dòng)生成

為了滿足科研生產(chǎn)需要，在天線測(cè)試完成后均需將天線各指標(biāo)填入特定格式的文檔中，用于測(cè)試驗(yàn)收?qǐng)?bào)告歸檔工作。為了實(shí)現(xiàn)不同項(xiàng)目的不同格式要求，在軟件目錄中設(shè)計(jì)了一個(gè)模板temp文件夾，用于存放不同格式的文檔模板，該模板中設(shè)置有不同符號(hào)代表不同電性能指標(biāo)，如用R_SLL代表接收副瓣電平，用R_AR代表接收軸比。新建測(cè)試驗(yàn)收?qǐng)?bào)告主要是復(fù)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(dǎo)入人工測(cè)試數(shù)據(jù)

為了滿足手動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)處理需求，該軟件設(shè)計(jì)了導(dǎo)入手動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)功能，將存在PNA中的*.csa、*.cst以及*.cti等文件轉(zhuǎn)換成ACSS數(shù)據(jù)庫，最終利用繪圖和數(shù)據(jù)處理及報(bào)告生成功能實(shí)現(xiàn)指標(biāo)計(jì)算[12]。

3 軟件運(yùn)用結(jié)果分析

該軟件成功在10余個(gè)有源相控陣天線項(xiàng)目中運(yùn)用，在同等條件下，數(shù)據(jù)處理及出具測(cè)試報(bào)告的效率較傳統(tǒng)方式提高了64倍，生產(chǎn)效率顯著提高，同時(shí)避免了人工處理大量煩瑣測(cè)試數(shù)據(jù)出現(xiàn)差錯(cuò)，提高數(shù)據(jù)處理的置信度，在有源相控陣天線多波束自動(dòng)測(cè)試技術(shù)中起到了重要作用。

4 結(jié) 論

本文針對(duì)傳統(tǒng)天線數(shù)據(jù)處理方式在多波束有源相控陣天線測(cè)試中存在的不足，設(shè)計(jì)了一種有源相控陣天線自動(dòng)測(cè)試數(shù)據(jù)處理及特定報(bào)告生成軟件。該軟件具有可視化操作界面，通過在各工程項(xiàng)目中的運(yùn)用，處理指標(biāo)結(jié)果與人工處理結(jié)果一致，運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)用性強(qiáng)，大大減少了測(cè)試人員的工作量，縮短有源相控陣天線的驗(yàn)收交付周期，為有源相控陣天線的批量交付提供堅(jiān)實(shí)保障。