相控阵天线实验系统设计

孙士林

（华东电子工程研究所 安徽 合肥 230031）

天线[1-2]是电子类专业的一门重要专业基础课，然而由于大部分高校缺乏专门的天线实验教学设备，使得学生对天线学科缺乏感性和全面的认识。为了提高天线教学的质量，克服实验室条件不足，许多高校利用计算机辅助教学的方法[3]，模拟天线设计实现过程，以及天线实验所用到的仪器设备以及测量过程，从仿真的角度去介绍天线学科知识。然而这种方法没有考虑工程设计中如环境和天线加工精度等各种影响因素，不能客观的反映天线的实际性能。因此为让学生更好的掌握天线工程设计的基本方法，在简易天线远场测量系统的基础上，开发研制了相控阵天线实验系统，并将其应用到了天线专业的实验教学中，取得了良好的实验教学效果。

本天线实验系统为教师和学生提供了X波段相控阵天线波束设计和实验的教学平台，具有功能强，操作简单、课程易懂等特点，可作为开展有关相控阵雷达天线设计与验证课程的实验教学。

1 系统组成及原理

本系统的硬件结构由实验天线子系统、天线远场测量子系统两个部分组成，其中，实验天线子系统包含X波段天线、波控单元和多功能组件，主要提供天线的波束形成控制即相控阵天线的波束设计。天线远场测量子系统由转台与控制器、接收喇叭天线、矢量网络分析仪、场放大器组成，按照远场方向图测量的原理测得该相控阵天线的远场方向图。主控计算机通过软件交互界面的操作控制两个子系统完成各自功能，从而实现相控阵天线的实验过程。

图1 相控阵天线实验系统的构成Fig.1 Composition of the experimental system of the phased array antenna

1）相控阵天线子系统

相控阵天线子系统中用来实现波束设计及天线扫描功能的关键部分是多功能组件，主控计算机通过数据接口控制波控分系统发送幅度、相位控制码给多功能组件。当射频信号进入多功能组件后，经过放大和功率分配等环节，馈入16路的开关移相衰减器，这时开关移相衰减器已接收控制码并设置好所有通道的衰减值和移相值，射频信号经过移相衰减后馈入到天线单元的各个端口，最终发射出去。

2）远场测量子系统

在实验场地的另外一端，相对于相控阵天线正前方架设响应的喇叭天线作为接收天线，架设距离需满足测试频率下的远场条件。在实验过程中，在转台测试转动的同时通过矢量网络分析仪的一端口发射信号送至相控阵天线，并从喇叭天线接收信号回送至矢量网络分析仪的二端口进行数据采集，实现整个天线系统方向图参数的测量。

3）指标设计

由于相控阵天线的大小及远场条件与电尺寸相关，因此考虑到实验场地的限制，同时兼顾到控制整个系统的成本，本实验系统在设计时采用X波段相控阵天线系统及测量系统的方案，频率范围选择9.5～10.5 GHz，天线形式采用 1×16微带阵，带宽≥5%，根据相控阵天线原理，可实现的波束形式为侧射波束、单波束、双波束、多波束等。

2 系统软件设计

1）系统软件实现

系统软件是整个实验系统的核心，所有的操作将通过软件的人机交互界面来实现。本系统软件基于Labwindows/CVI语言设计开发[4-5]，按照功能划分为天线波束设计、仪表设置、数据显示、转台操作、测试参数设置、天线参数显示、图形操作、测试操作模块。

图2 实验系统软件主界面Fig.2 Main interface of the experimental system software

在实验教学中，可根据课程不同在天线波束设计功能界面下进行波束设计；然后设置测试参数并进行测试，这时界面中将会实时显示所设计的方向图 （如图2所示的20度扫描角的波束）；测试结束后，即可通过天线参数显示栏得到方向图的各项参数。该然间同时具备数据自动保存和方向图的输出功能，方便测试结果的存档。

2）基于局域网的多用户教学的实现

实验教学注重教师演示和学生实际操作，参加实验课程的学生有很多，而系统资源只有一个。因此为适应多用户教学的需求，本系统软件基于Labwindows/CVI的DataSocket技术[5]，设计了基于服务器-终端模式的实验资源共享和监控功能。教师软件和学生软件使用同样的操作界面，教师软件安装在主控计算机，直接与实验系统连接进行操作，学生软件则通过发送指令给教师软件，通过主控计算机间接实现对实验系统的操作。

图3 多用户教学实验示意图Fig.3 Multi-user teaching experiment diagram

在服务器-客户端模式下的软件设计中，在TCP/IP协议下通过网络编程实现应用程序点对点的通信，主控计算机主要作为服务器接收学生发送的测试请求，根据学员请求顺序进行排序，按排序启动各自的实验过程，并实时发送数据给对应的学生终端。实验的同时学生和教师均可通过软件界面的操作取消和中断实验，释放实验资源。

3 结束语

文中提出了基于Labwindows/CVI语言设计开发的相控阵天线实验系统，实现了相控阵天线的设计及测试功能。该系统已经应用于某院校天线课程的实验教学中，并取得了良好的教学效果。该系统最大的特点是注重实验操作的交互性以及仿真与实测结果的结合，设计新颖，原理简明、实验过程直观，培养学生实际兴趣和动手能力，所用实验天线具有典型相控阵天线的代表性。该系统通过一个系统的实现结合了相控阵设计实验和测量实验两种实验过程，可开设多种实验课程和开展科研活动，大大降低了天线课程实验教学仪器的重复投入，为高校的天线课程实验教学开辟了一个新的途径。

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