天线方向图自动测量系统的设计

何荣辉 陈 科 蒙春婵 李 滨

全国广播电视事业相应党的“十九大”号召，加大广播电视覆盖面，大力开展乡镇台站建设后，各省、区、地方每年新安装或更换的天线数量很多。驻波比被认为是判断天线的重要指标。但是，一副天线使用若干年后覆盖效果如何？这就需要绘制天线方向图。天线方向图是天线的重要指标，测试天线的目的就是测量天线的辐射特性。早期测量天线主要依靠手工，效率低、误差大，且操作复杂，工作量大，耗时长。原有的测试方法、精度和处理速度已不能满足当今天线在使用中对方向图的要求。对此，设计了一种天线方向图自动化测试系统，并结合C++技术，不仅能实现信号设置、数据处理，还能自动绘制方向图，克服了传统方法效率低、速度慢、准确度差等缺点。

1 方向图测试系统硬件理论和方案

根据天线互易性原理，采用旋转天线法[1]。将被测天线作为接收天线，固定的天线作为发射天线。发射天线发射电磁波，转动被测天线接收，测出不同角度处的信号电平，便可得到被测天线的方向图[2]。实际测量中，仅需要测试包含最大辐射方向的E面和H面方位图。本系统取水平和垂直方向图作为研究对象，经过软件处理后把方向图显示在电脑客户端，非常方便、直观。

1.1 测试系统硬件配置

本文描述的天线测试系统硬件电路主要由步进电机、天线控制器和网络分析仪组成。原理如图1所示。

信号源、发射天线在同一侧，待测天线、频谱分析仪、控制电机在另外一侧，两者距离根据测试目标进行设定。首先，把天线水平放置，电机控制板通过分析仪和步进电机发送控制命令，等待转台的角度信号，获得角度信号后测量所在角度的场强；同时，主控电路获得并存储测量信息、电平值和测量频段值，软件把获得的所有数据进行处理并实时显示天线水平放置方位图，然后存储。再把天线垂直放置，控制器发送指令控制转台转动，旋转记录测试结果，实时显示天线垂直放置方向图并存储。这样就获得了天线水平和垂直方向图。

1.2 测试平台自动控制

天线方位图测试系统的自动控制主要是通过单片机对天线平台的控制。测试过程中，单片机平稳控制转台并获得转台转动角度；与此同时，单片机把数据通过上位机传到PC端，PC通过外设组件互联读取网络分析仪数据，并把数据返回PC机。天线转台可以实现方位角转动，转动精度较高，可以到达到0.05º。转动平台有竖直抱杆固定天线，也可上下移动使收发天线对准。电机控制器原理如图2所示。

电机控制器主要功能有：（1）读取频谱仪测试数据；（2）发送命令控制电机转动并获取转动角度；（3）把数据处理后通过上位机传到PC端。

2 系统软件设计

软件设计是天线方向图自动测试最重要的组成之一，它能给使用者提供整个天线测试系统的界面，并直观显示天线方向图，完成天线参数的测试。另外，还支持天线性能参数保存。因此，软件部分包括天线控制台控制程序、测试软件界面。

图1 系统原理框图

图2 电机控制器原理图　

2.1 软件处理流程

方向图自动测试系统软件处理流程如图3所示。具体流程如下：（1）首先进行转台控制参数设置和网络分析仪参数配置；（2）利用上位机对转台控制器发送转台转动命令；（3）单片机利用定时器功能通过串口读取转台转动角度和网络分析仪场强，并将角度和场强值保存。

图3 软件处理流程图

主程序打开定时器后，定时器根据其所设的定时时间间隔相应中断服务程序。图4为定时器中断服务程序流程图。

单片机通过串口发送查询角度和场强命令，延迟100 ms后读取到转台转动角度和场强值，保持读取的数值，然后判断转台是否转动到设置目标角度，如果转到目标角度，则停止转动，否则此次中断结束，继续重新开始。

图4 定时器中断服务程序流程图

2.2 方向图绘制模块

方向图绘制模块主要是在获得采样数据后绘制方向图，程序将测试模块记录关于测试点频率、角度、场强的参数矩阵，绘制出各频率点极坐标下的方向图。此模块可以显示方向图属性，可以设置最小值、最大值、曲线颜色、网格颜色、精度、数据格式、显示区域，并在显示区域显示相应频率的方向图，使用软件为C++ Builder。

3 结语

根据天线方位图可以判断天线优劣，而国内随广电事业的快速发展每年更换或新增天线数量众多。为确保覆盖效果保障安全播出，设计一款天线方位图自动测量设计非常有必要。基于C++ Bulider空间开发出的天线方位图能够准确、实时、可靠读取转动平台角度和频谱分析仪场强，且通过软件可准确绘制出天线方向图，该测量系统原理可行、性能稳定、界面友好，具有较好的应用价值。

参考文献：

[1]张明荣,殷兴辉．基于MSP430单片机的天线方向图自动测试系统[J]．电子设计工程,2013,21(9):188-190．

[2]张朋祥,周鸣籁,刘学观,等．高精度天线测试系统的研究与设计[J]．通信技术,2013,1(46):20-22．