环绕式天线测量设备软件系统的设计与实现

李欣然　薛小荣　李家金

摘要：针对传统自转式天线测量方法在处理结构复杂或体积较大天线时的局限性，该研究提出了一种环绕式天线测量系统，针对特定的天线测量设备实现其自动调控测量功能。该系统综合应用了Qt框架进行人机交互界面设计、滑轨电机控制技术以实现精确的环绕移动，以及先进的数据处理算法，包括针对测量数据的图形化处理。这些技术的综合运用不仅提高了测量的精度和效率，而且通过友好的用户界面大大提升了操作的便捷性，为天线测量提供了一种新的解决方案。

关键词：天线测量；环绕式测量；滑轨电机控制；数据处理；系统设计

中图分类号：TP311 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）14-0049-03 开放科学（资源服务）标识码（OSID） ：

0 引言

在无线通信系统中，天线作为基本的传输和接收装置，其性能直接影响通信效率和稳定性，因此精确测量天线的辐射特性对于天线设计、性能评估和系统优化至关重要。天线的特性参数包括天线阻抗、方向特性、增益、极化、波束宽度以及天线的方向图特性。环绕式天线测量系统是针对特殊天线测量需求而设计的测量设备，相对于传统自旋式测量系统，其机械扫描部分会多出一个环绕滑轨，整体的测量方案、运行方式、数据处理都会完全不同，需要根据测量要求重新设计开发软件测控系统[1]。本系统是集机械扫描控制、射频信号收发、测量数据处理等多功能协同工作的综合操控系统。作为测量设备，它对测控的精确度、仪器与设备运行的可靠性、稳定性、测量效率等都有较高的要求。

1 系统需求分析与总体设计

本环绕式天线测量系统通过固定天线位置并利用滑轨系统驱动测量设备环绕天线旋转，从而实现全面测量，克服了传统方法在结构限制和测量能力上的不足，不仅适用于各种结构和体积的天线，而且能够更准确地捕捉天线的目标定位和波束跟随特性，为天线性能评估和优化提供全面数据支持[2]。

如图1所示，从系统实现方面主要分为5部分：软件系统人机交互界面的实现、测量工程文件管理、微波测量仪器（频谱仪、信号源）控制、滑轨电机控制和数据处理。

本环绕式天线测量系统工作流程如图2所示。首先，创建工程文件，然后设置参数。设置完毕之后，点击开始测量，程序按照设定好的参数对仪器进行控制。在测量结束之后，对读取到的测量数据进行处理，然后程序判断当前在测量的面，再在对应位置显示方向图以及一些重要参数，如副瓣位置、副瓣电平等[3]。

2 系统主要功能设计与实现思路

在环绕式天线测量系统实现方面，采用Qt框架实现人机交互界面，结合C++编程语言、VISA（Virtual In?strument Software Architecture） 库及专用的滑轨电机驱动库，实现测量工程文件管理、测量仪器控制与数据处理等关键功能。

VISA是一种标准I/O接口软件，用于配置和控制各种测量仪器。通过VISA库，可以使用统一的API与不同品牌和不同型号的测量设备进行通信，极大地提高了系统的兼容性。

2.1 滑轨电机控制模块

在环绕式天线测量系统中，滑轨电机控制模块是实现精准测量的关键技术之一。通过调用滑轨电机驱动库（以C语言提供的API接口）实现精确控制滑轨电机的运动，使测量设备能够围绕被测天线进行环绕运动，从而完成全方位的天线性能测量[4]。

2.1.1 系统功能设计

实现对滑轨电机的控制主要分为以下几点：

1） 初始化：系统启动时对滑轨电机进行初始化操作，包括设定初始位置、检测设备状态等，使滑轨电机处于待命状态。

2） 参数配置：根据测量任务的具体需求，通过用户界面输入控制参数，如旋转角度、运动速度等。系统将这些参数转换为滑轨电机驱动可以识别的命令。

3） 运动控制：在测量过程中，系统根据预设的参数控制滑轨电机的运动和停止，通过精确计算滑轨电机的步进值，实现精确控制旋转角度和速度。

4） 反馈监控：系统实时监控滑轨电机的运行状态，如当前位置、速度等，并通过界面及时反馈。若检测到异常情况，系统自动进行紧急停止、报警提示等错误处理。

2.1.2 实现思路

1） 驱动库调用及使用。滑轨电机驱动本身已经封装为C语言的静态库文件，按照C/C++标准流程，引入这一库文件实现对电机的控制。

滑轨电机主要有4个远程操作模式：实验模式、位置模式、散点模式、电动模式。每个模式的初始化流程相同，如图3所示，以实验模式为例：控制箱上电；将控制箱模式打在“远程”；连接TRIO控制器；控制器初始化；设置远程模式为位置模式，根据不同的滑轨运动模式选择，设置不同参数值。

2） 错误处理：设计了一套错误检测和处理机制，能够在滑轨电机运行出现异常时，通过引发包含关于该错误信息的异常来报告错误，并及时进行处理，包括错误日志记录、用户界面报警提示和紧急停机等。

2.2 数据采集与处理模块

数据采集与处理模块是环绕式天线测量系统的核心部分，负责从测量仪器收集数据并进行后续的处理，以确保测量结果的准确性和可靠性。本模块综合应用了现代电子测量技术和计算机处理技术，主要包括数据的采集、预处理、去毛刺处理、归一化处理以及结果输出等关键环节。

2.2.1 数据采集

1） 与测量仪器的通信：采集模块通过VISA库与频谱仪和信号源等仪器进行通信，实现参数设置和数据读取。

2） 参数配置和读取：在测量开始前，系统通过界面接收用户设置的参数，如频率范围、扫描速度等，然后通过VISA 库将这些参数配置到相应的测量仪器上。在测量过程中，系统实时读取仪器返回的数据，包括天线在不同方位角下的辐射强度等信息。

3） 数据的同步采集：考虑到测量的完整性和一致性，采用同步采集的方式，确保在滑轨电机驱动测量设备环绕天线旋转的同时，频谱仪和信号源等仪器能够同步完成数据的采集。

2.2.2 预处理

采集到的原始数据通常包含了环境噪声、仪器噪声等非理想信号，需要通过滤波、数据校正等进行预处理，得到更为准确、平滑的测量数据，提高数据质量[5]。

其中最重要的是归一化处理。归一化处理在数据分析和信号处理中的主要目的是将数据缩放到一个特定的范围内，以便于不同规模或量纲的数据之间能够进行比较和分析。在本环绕式天线测量系统中，归一化处理能够确保测量结果的一致性和可比性，并在一定程度上提升后续算法效率。

在环绕式天线测量系统中，系统根据测量数据的特性选择合适的归一化方法进行处理，确保所有数据均在同一尺度下。例如：若数据变化范围固定，优先采用最大-最小归一化；若数据分布接近正态分布，则选择Z分数归一化。处理后的数据将用于后续的分析和特征提取步骤。

2.2.3 平滑处理

在天线测量过程中，由于噪声影响，生成的测量曲线会出现许多密集的毛刺状的小折起，影响观测结果。因此，需要通过算法分析数据点的局部特征，识别出那些变化异常的数据点作为噪声点（即“毛刺”） ，并进行平滑处理。

并非所有图形中的突变点均属于无用的噪声。仅凭突变点的存在并不能简单判断其为毛刺。要有效地去毛刺处理，需要细致地分析每个折点的性质，区分哪些折点是由于测量误差或噪声引入的毛刺，哪些则是代表天线性能特征的重要数据。借鉴地理中对山的划分思想，以海拔值作为划分标准将山划分为丘陵、低山、中山和高山等；同理，可以通过设定特定的标准来评估数据中的每一个折点，从而判断其是否构成毛刺，即定义一个“折起特征值”，用以量化折点的显著性[6]。

“折起特征值”的计算方法如下：在折线图的一个折点处，该点的值相较于其前后相邻点通常会有显著的增高。算法通过计算该点与其前后相邻点值的平均值之差来确定“折起特征值”，如图4所示。如果此差值大于设定的阈值，则该折点不被认定为毛刺；如果差值小于等于阈值，则认定该点为毛刺，并将其值替换为前后两点的均值。

2.3 关键性能指标提取模块

在环绕式天线测量系统中，采用了基于链表遍历和数据比较的方法来实现对波束指向、波束宽度、副瓣电平及其位置的识别和测量。在数据处理后，环绕式天线测量系统通过进一步计算提取关键的性能指标，如波束指向、最大增益、3dB 波束宽度、副瓣电平等[7]。

以波束指向的测定为例：波束指向是指天线主瓣辐射最强的方向，确定波束指向的关键在于找到天线辐射电平的最大值点，该点的方位即为波束指向。实现此功能的思路是通过遍历存储测量数据的链表，对链表中的每个数据对象中代表电平值的成员变量进行比较，以找到最大电平值对应的对象。在识别出具有最大电平值的对象后，将该对象的指针添加到对应向量中。鉴于可能存在多个具有相同最大电平值但角度不同的点，系统须再次遍历数据以识别所有最大值点，并将它们一并加入该向量。此过程中，同时进行最小值的检索，为后续生成方向图的界限提供参数。

副瓣电平指的是天线辐射图中，主瓣以外其他方向上的最大辐射强度，其测定过程与波束指向类似，区别在于需先排除最大电平值点。遍历链表时跳过具有最大电平值的节点，然后在剩余节点中寻找电平值最大的点，这些点代表副瓣电平，并将其指针存储于其对应向量中。考虑到存在多个相同的副瓣电平值的可能性，系统再次进行比较以确保所有相关节点被识别和收录。

3 总结

环绕式测量方法克服了自转式方法的局限，扩展了测量的适用范围，能够满足更多复杂天线的测量需求。环绕式天线测量系统将测量技术和软件工程方法有效结合，利用VISA库与测量仪器进行通信，通过滑轨电机驱动库控制测量设备的环绕移动，同时应用高效的数据处理算法进行去毛刺处理和归一化，以确保数据的准确性和可靠性。在数据处理模块的设计中，通过对数据的分析和处理识别并剔除数据中的噪声，以提取关键性能指标，进一步增强测量结果的可用性。

参考文献：

[1] 毛乃宏，俱新德.天线测量手册[M].北京：国防工业出版社，1987.

[2] 廖承恩.微波技术基础[M].西安：西安电子科技大学出版社，2011.

[3] 李晓峰，薛小荣，廖欣.微波传输线3D虚拟实验系统设计与实现[J].电子技术与软件工程，2020（6）：44-46.

[4] 薛小荣，李晓峰，李韦泓，等.基于Unity3D的微波暗室环境下天线测量虚拟实验系统设计与实现[J].实验室研究与探索，2019，38（12）：108-112.

[5] 李明军，胡顺平，葛重才，等.微波开关自动测试系统设计[J/OL].计算机测量与控制，2024：1-10.[2024-04-06].https：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.4762.TP.20240322.1243.004.html.

[6] 林奈.毫米波波导器件超声波去毛刺技术的研究[J].机电产品开发与创新，2016，29（1）：9-11.

[7] 时建树，耿祖琨，张维杰.毫米波片上天线测量系统设计与实现[C]// 哈尔滨：2023年全国天线年会论文集（中），2023：505-507.

【通联编辑：谢媛媛】