孫士林

（華東電子工程研究所 安徽 合肥 230031）

天線[1-2]是電子類專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課，然而由于大部分高校缺乏專門的天線實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，使得學(xué)生對(duì)天線學(xué)科缺乏感性和全面的認(rèn)識(shí)。為了提高天線教學(xué)的質(zhì)量，克服實(shí)驗(yàn)室條件不足，許多高校利用計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的方法[3]，模擬天線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)過程，以及天線實(shí)驗(yàn)所用到的儀器設(shè)備以及測(cè)量過程，從仿真的角度去介紹天線學(xué)科知識(shí)。然而這種方法沒有考慮工程設(shè)計(jì)中如環(huán)境和天線加工精度等各種影響因素，不能客觀的反映天線的實(shí)際性能。因此為讓學(xué)生更好的掌握天線工程設(shè)計(jì)的基本方法，在簡(jiǎn)易天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，開發(fā)研制了相控陣天線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并將其應(yīng)用到了天線專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，取得了良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

本天線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為教師和學(xué)生提供了X波段相控陣天線波束設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)的教學(xué)平臺(tái)，具有功能強(qiáng)，操作簡(jiǎn)單、課程易懂等特點(diǎn)，可作為開展有關(guān)相控陣?yán)走_(dá)天線設(shè)計(jì)與驗(yàn)證課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

1 系統(tǒng)組成及原理

本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)由實(shí)驗(yàn)天線子系統(tǒng)、天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量子系統(tǒng)兩個(gè)部分組成，其中，實(shí)驗(yàn)天線子系統(tǒng)包含X波段天線、波控單元和多功能組件，主要提供天線的波束形成控制即相控陣天線的波束設(shè)計(jì)。天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量子系統(tǒng)由轉(zhuǎn)臺(tái)與控制器、接收喇叭天線、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、場(chǎng)放大器組成，按照遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖測(cè)量的原理測(cè)得該相控陣天線的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。主控計(jì)算機(jī)通過軟件交互界面的操作控制兩個(gè)子系統(tǒng)完成各自功能，從而實(shí)現(xiàn)相控陣天線的實(shí)驗(yàn)過程。

圖1 相控陣天線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成Fig.1 Composition of the experimental system of the phased array antenna

1）相控陣天線子系統(tǒng)

相控陣天線子系統(tǒng)中用來實(shí)現(xiàn)波束設(shè)計(jì)及天線掃描功能的關(guān)鍵部分是多功能組件，主控計(jì)算機(jī)通過數(shù)據(jù)接口控制波控分系統(tǒng)發(fā)送幅度、相位控制碼給多功能組件。當(dāng)射頻信號(hào)進(jìn)入多功能組件后，經(jīng)過放大和功率分配等環(huán)節(jié)，饋入16路的開關(guān)移相衰減器，這時(shí)開關(guān)移相衰減器已接收控制碼并設(shè)置好所有通道的衰減值和移相值，射頻信號(hào)經(jīng)過移相衰減后饋入到天線單元的各個(gè)端口，最終發(fā)射出去。

2）遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量子系統(tǒng)

在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的另外一端，相對(duì)于相控陣天線正前方架設(shè)響應(yīng)的喇叭天線作為接收天線，架設(shè)距離需滿足測(cè)試頻率下的遠(yuǎn)場(chǎng)條件。在實(shí)驗(yàn)過程中，在轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)試轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的一端口發(fā)射信號(hào)送至相控陣天線，并從喇叭天線接收信號(hào)回送至矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的二端口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)整個(gè)天線系統(tǒng)方向圖參數(shù)的測(cè)量。

3）指標(biāo)設(shè)計(jì)

由于相控陣天線的大小及遠(yuǎn)場(chǎng)條件與電尺寸相關(guān)，因此考慮到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地的限制，同時(shí)兼顧到控制整個(gè)系統(tǒng)的成本，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)采用X波段相控陣天線系統(tǒng)及測(cè)量系統(tǒng)的方案，頻率范圍選擇9.5～10.5 GHz，天線形式采用 1×16微帶陣，帶寬≥5%，根據(jù)相控陣天線原理，可實(shí)現(xiàn)的波束形式為側(cè)射波束、單波束、雙波束、多波束等。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1）系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件是整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的核心，所有的操作將通過軟件的人機(jī)交互界面來實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)軟件基于Labwindows/CVI語言設(shè)計(jì)開發(fā)[4-5]，按照功能劃分為天線波束設(shè)計(jì)、儀表設(shè)置、數(shù)據(jù)顯示、轉(zhuǎn)臺(tái)操作、測(cè)試參數(shù)設(shè)置、天線參數(shù)顯示、圖形操作、測(cè)試操作模塊。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件主界面Fig.2 Main interface of the experimental system software

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可根據(jù)課程不同在天線波束設(shè)計(jì)功能界面下進(jìn)行波束設(shè)計(jì)；然后設(shè)置測(cè)試參數(shù)并進(jìn)行測(cè)試，這時(shí)界面中將會(huì)實(shí)時(shí)顯示所設(shè)計(jì)的方向圖 （如圖2所示的20度掃描角的波束）；測(cè)試結(jié)束后，即可通過天線參數(shù)顯示欄得到方向圖的各項(xiàng)參數(shù)。該然間同時(shí)具備數(shù)據(jù)自動(dòng)保存和方向圖的輸出功能，方便測(cè)試結(jié)果的存檔。

2）基于局域網(wǎng)的多用戶教學(xué)的實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)教學(xué)注重教師演示和學(xué)生實(shí)際操作，參加實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)生有很多，而系統(tǒng)資源只有一個(gè)。因此為適應(yīng)多用戶教學(xué)的需求，本系統(tǒng)軟件基于Labwindows/CVI的DataSocket技術(shù)[5]，設(shè)計(jì)了基于服務(wù)器-終端模式的實(shí)驗(yàn)資源共享和監(jiān)控功能。教師軟件和學(xué)生軟件使用同樣的操作界面，教師軟件安裝在主控計(jì)算機(jī)，直接與實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)連接進(jìn)行操作，學(xué)生軟件則通過發(fā)送指令給教師軟件，通過主控計(jì)算機(jī)間接實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的操作。

圖3 多用戶教學(xué)實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.3 Multi-user teaching experiment diagram

在服務(wù)器-客戶端模式下的軟件設(shè)計(jì)中，在TCP/IP協(xié)議下通過網(wǎng)絡(luò)編程實(shí)現(xiàn)應(yīng)用程序點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，主控計(jì)算機(jī)主要作為服務(wù)器接收學(xué)生發(fā)送的測(cè)試請(qǐng)求，根據(jù)學(xué)員請(qǐng)求順序進(jìn)行排序，按排序啟動(dòng)各自的實(shí)驗(yàn)過程，并實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)給對(duì)應(yīng)的學(xué)生終端。實(shí)驗(yàn)的同時(shí)學(xué)生和教師均可通過軟件界面的操作取消和中斷實(shí)驗(yàn)，釋放實(shí)驗(yàn)資源。

3 結(jié)束語

文中提出了基于Labwindows/CVI語言設(shè)計(jì)開發(fā)的相控陣天線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了相控陣天線的設(shè)計(jì)及測(cè)試功能。該系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于某院校天線課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，并取得了良好的教學(xué)效果。該系統(tǒng)最大的特點(diǎn)是注重實(shí)驗(yàn)操作的交互性以及仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果的結(jié)合，設(shè)計(jì)新穎，原理簡(jiǎn)明、實(shí)驗(yàn)過程直觀，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際興趣和動(dòng)手能力，所用實(shí)驗(yàn)天線具有典型相控陣天線的代表性。該系統(tǒng)通過一個(gè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)結(jié)合了相控陣設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)和測(cè)量實(shí)驗(yàn)兩種實(shí)驗(yàn)過程，可開設(shè)多種實(shí)驗(yàn)課程和開展科研活動(dòng)，大大降低了天線課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)儀器的重復(fù)投入，為高校的天線課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)開辟了一個(gè)新的途徑。

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