天线测试系统自动控制技术探讨与实践

韩 烽 中国信息通信研究院泰尔系统实验室工程师

王雅娜 中国信息通信研究院泰尔系统实验室高级工程师

1 引言

1.1 研究背景及意义

通常，一个移动通信网络系统包括移动基站、传输媒介、交换设备、接收终端等。通信基站根据其服务范围大小及用户多少，发射功率从几瓦到上百瓦不等。一般情况下，基站天线被安装在离地面15～50m的建筑物或发射塔上。天线的性能直接关系到整个通信系统的性能，天线测试技术在现代通信领域中的地位日益重要。

在天线相关参数的测试中，人们最为关心的内容之一就是天线辐射场与射线方向之间的关系，也就是天线的方向性，可以用天线方向图对它进行表述。天线方向图即为在距天线辐射中心一定距离的球面上，天线辐射场强的相对大小与射线方向之间关系的曲线图。一般情况下，主要研究天线水平面（赤道曲）和垂直面（子午面）这两个二维平面方向图。天线方向图的测试方法也是主要沿袭了这个思想。

1.2 国内外研究现状

国际上拥有成熟天线测试系统的公司和实验室主要有美国的NSI、MIT，以色列的Orbit等。NSI在全球已经有数百余套测试系统，技术成熟。Orbit公司的产品也具有很高的自动化程度并具有多种扩展接口。MIT则在测试转台方面最为成熟。

国内的天线远场测试技术虽然起步较早，在20世纪80年代就已经有了较为成熟的测试方法和国家标准，对移动通信天线的相关名词术语及技术要求进行了定义，并对天线方向图测试场的配置提出了多种方式。但直到20世纪末，天线测试的自动化水平一直不高，测试是以手动操作的方式为主，数据处理也是人工计算，过程繁琐、测试效率及精度都较低。21世纪初，随着计算机技术的飞速发展，天线自动测试系统开始投入应用。中国泰尔实验室的移动通信室内分布天线自动测试系统于2007年开发，基站天线室外远场测试系统则在2009年开始投入使用。

2 相关技术综述

2.1 平台与工具

在进行设计开发之前，应该先确定使用的平台与开发工具。不同的技术或者产品有各自的优缺点以及适用环境，这对设计及开发有很大的影响。

本文所述测试系统主要在微软WindowsXP/7/8/10操作系统的PC计算机环境下运行。经过调研，选择了使用微软Office系列软件进行办公及数据处理，采用VB和VBA进行编程，使用GPIB总线与硬件系统进行通信。

2.2 GPIB通用接口总线

GPIB（General-Purpose Interface Bus）是一种设备和计算机连接的总线。很多台式仪器是通过GPIB线以及GPIB接口与电脑相连。

与GPIB对应的是一种工程控制用的协议，最初由HP公司提出，后来成为一种国际标准，遵守的协议为IEEE488。一般被用来使用各种编程语言如VB、VC、C++实现电脑对仪器的控制。当然也有某些仪器制造商自己开发的语言支持GPIB，如Keithley公司使用的Testpoint、NI公司的Labview等。只要被控仪器支持GPIB、工控机安装IEEE488卡并通过GPIB线连接两个设备，即可实现编程控制。

3 天线远场测试系统的设计与实现

3.1 天线远场测试系统的架构

3.1.1 天线远场测试系统的硬件组成

天线远场自动化测试系统的硬件是整个系统的支撑平台。一套自动化的天线测试系统所需要的核心硬件设备主要包括：矢量网络分析仪、功率放大器、多轴转台方位控制器、多路选择开关、控制计算机以及控制电缆等，硬件连接框架图如图1所示。

各硬件设备的作用如下：

（1）矢量网络分析仪：担任测试系统的信号源与接收机，按照所设定的频率及功率发射电磁波，并检测被测天线接收到的电磁波的幅度和相位。矢量网络分析仪丰富的模式与参数设置对天线方向图的自动测试起着至关重要的作用。本文所述系统使用的矢量网络分析仪型号为Agilent5071B。

（2）功率放大器：在天线远场测试中，发射源天线与被测天线之间的距离较远，信号空间衰减大，矢量网络分析仪的发射功率不足以满足需求，因此需要使用功率放大器放大信号。通常单一的功率放大器的带宽有限，不足以覆盖移动通信天线的使用频率，因此一套天线测试系统中可能需要不同频段的功率放大器。

（3）转台控制器：天线远场测试需要被测天线绕自己的轴线转动，因此测试转台是必不可少的重要设备。转台控制器可按照要求控制转台的转动速度，并将转台的角度随时显示出来。此外，天线测试安装支架的放倒和立起、不同频段的发射源天线的切换也是依靠转台方位控制器进行控制。本文所述系统使用的转台控制器型号为ETS2090。

（4）多路选择开关：由于一套天线测试系统中可能需要不同频段的功率放大器以及不同频段的发射源天线，被测天线也可能拥有多个端口，为了提高自动化测试的效率，需要多路选择开关对通路进行切换。

图1 天线方向图自动测试系统的硬件连接图

（5）控制计算机：天线远场测试系统的自动控制软件就安装在控制计算机上。它通过GPIB总线与矢量网络分析仪、转台方位控制器、功率放大器等设备相连，实现系统的自动控制与监测。

3.1.2 天线远场测试系统的架构设计

根据天线远场测试系统的硬件组成和天线测试任务的需求，天线远场测试系统主要分为两个部分：硬件的自动控制、测试系统的数据采集与存储。

3.2 天线远场测试系统的功能设计

3.2.1 硬件自动控制的功能设计

天线远场测试系统的硬件自动控制部分，主要负责测试系统与GPIB之间的通信，通过GPIB总线的读取与写入控制各硬件系统的运转。这部分主要包含GPIB通信的初始化、GPIB总线数据读写、硬件设备参数设置这3个功能。

（1）GPIB通信的初始化

主要作用是调用GPIB总线驱动程序中的32位DLL模块，根据各个设备配置的GPIB地址，将所需变量写入GPIB驱动程序的全局变量中，进行GPIB总线的初始化，确保各个硬件设备的正常通信。若有某个硬件设备未连接，则弹出相应的错误信息提示。

（2）GPIB总线数据读写

依靠GPIB驱动程序对GPIB总线数据进行写入和读取，用于向各个硬件设备发送命令，以及读取返回的数据。

（3）硬件设备参数设置

根据天线测试任务的需求，自动控制软件需要能够方便地设置各个硬件设备的相应参数，包括矢量网络分析仪和转台控制器的GPIB地址、转台的转速、矢量网络分析仪的中频带宽等参数。输入模块要能够进行数据检查，确保用户输入的参数处在正确的范围之内。

3.2.2 数据采集与存储的功能设计

天线远场测试所需要获取的数据包括被测天线在各个频点下接收到的电磁波的幅度值，以及这一时刻所对应的转台方位角度值。前者通过矢量网络分析仪测量获得，后者通过读取转台方位控制器进行读取。这些数据均通过GPIB总线从相应设备传输到计算机中。主要包含数据采集和数据存储两大功能。

（1）数据采集

数据采集需要与天线测试自动控制部分相配合，让天线在测试转台上按照测试方案进行转动，同时通过GPIB采集矢量网络分析仪和转台控制器传回的测试数据。

（2）数据存储

为方便数据后续处理过程，数据的存储采用微软Excel电子表格软件的xls文件格式进行存储。

3.3 天线远场测试系统的实现

3.3.1 硬件自动控制的实现

（1）GPIB通信初始化模块

GPIB通信初始化需要调用GPIB总线驱动程序的32位DLL模块，根据设备的GPIB地址，将所需变量写入GPIB驱动程序的全局变量中。若硬件设备连接异常则返回错误信息。

（2）GPIB总线数据读写

GPIB总线数据读写模块依靠GPIB驱动程序对GPIB总线数据进行写入和读取。GPIB总线的数据流为字符串。

（3）硬件设备参数设置

根据天线测试任务的需求，自动控制软件需要能够方便地设置各个硬件设备的相应参数（见图2）。

窗体上部为GPIB地址设置部分，放置了3个文本框控件，分别设置矢量网络分析仪和多轴转台控制器两个转轴的GPIB地址。中部为转台设定，8个文本框用于存储转台预置的8个转动速度以及转动上下限，采用一个下拉列表控件选择转台复位时的转动速度。下部为网络分析仪的设置，使用文本框输入网络分析仪的扫描点数和中频带宽。

每个文本框通过代码限定只能输入数字，且数字必须符合规定的范围。若输入的是字母而非数字则用Val()将内容变成0。若输入的是负数则将内容变成0。若文本框内容为空，则禁用“确定”按钮。

3.3.2 数据采集与存储的实现

（1）数据采集程序的VB图形用户界面

数据采集程序的VB图形用户界面如图3所示，界面最上端的“系统设置”按钮可以转到上一章所讲的系统设置窗口，进行GPIB地址、矢量网络分析仪、转台方位控制器的参数设置。“转台”和“转轴”两个单选按钮用来切换多轴转台的两个旋转轴。中部为“参数选择”部分，可以设置被测天线类型、矢量网络分析仪的发射功率、多轴转台方位控制器的转动速度，以及所需测试的频点。下部的“测试控制”用来开始及停止测试，并可设置保存的文件名，以及通过进度条监控测试进度因后台采用Excel软件，在非正常退出时可能因待写文件未正常关闭而造成错误，因此设置了“关闭所Excel进程”按钮，方便测试的准备。

图2 系统设置窗体

界面中最主要的输入控件为“测试频点”文本框，可一次输入多个频点，以空格键作为分隔。当该文本框内容非空时，将内容以空格键为分隔存储进数组中，并从数组中找到最小值和最大值，作为矢量网络分析仪扫描频率的起始频点和终止频点。

图3 数据采集程序的VB图形用户界面

（2）设备的初始化模块

这个模块将矢量网络分析仪、转台方位控制器所需的各项参数通过GPIB写入到相应的设备中，并将转台转到初始位置，准备开始测试（见图4）。

（3）测试数据采集模块

这个模块的功能是先自动生成一个Excel工作簿文件，根据测试的频点的个数生成相同数目的工作表（Sheets），并根据测试频点为各个工作表命名。然后调用GPIB总线的相应命令，控制矢量网络分析仪和转台方位控制器，开始天线方向图测试并自动记录测试数据。当测试结束后，保存相应数据、停止网络分析仪的功率发射，并命令转台返回起始位置（见图5）。

（4）数据存储的文件格式

为方便数据后续处理过程，数据的存储采用微软Excel电子表格软件的xls文件格式进行存储。

●每个xls文件为一个工作簿（WorkBook）。

图4 设备的初始化模块的工作流程

●每个工作簿包含多个工作表（Sheet），工作表的数量与该次测试的频点数相同，工作表的名称以测试频率命名（单位为MHz）。

●工作表的第1列（A列）存储转台角度信息，单位为“度”。

●工作表的第2列（B列）存储矢量网络分析仪的电平信息，单位为“dB”。

●工作表的第4列（D列）及后续列存储被测天线类型等其他辅助信息。

4 结束语

本文以天线远场测试技术为依托，以天线自动测试系统为研究对象，以提供一套移动通信天线自动化测试方案为目的，对天线远场自动测试系统进行了设计与实现，为国内天线测试系统的设计与开发提供了一种技术参考方案。本文主要进行了以下几点的设计和研究。

（1）天线远场测试系统的自动控制

自动控制程序基于Windows平台，使用VB面向对象开发的软件对天线测试系统的硬件设备进行控制。计算机和矢量网络分析仪、转台自动控制器通过网线和GPIB总线进行连接，编程实现控制命令的发送和测试数据的接收。

图5 数据采集程序的工作流程

（2）天线远场测试的数据采集

通过软件编程，对天线远场测试系统的控制命令进行集成，保证所有设备自动化协同工作。利用VBA编程，控制Excel表格软件采集转台方位控制器的角度信息和矢量网络分析仪的电平幅度信息，生成天线远场测试方向图数据文件并进行保存。