论文部分内容阅读
[摘要]简要介绍了天线测试平台系统的基本工作原理、系统误差分析和系统的维护。
[关键词]天线测试平台误差分析自动化
中图分类号：TN82 文献标识码：TN 文章编号：1009―914X（2013）31―0304―01
前言：
天线测试平台系统是一套自动化机电控制系统，是用于天线测试试验的辅助装置。在天线测量时，由于天线的结构误差、测试场地、测试设备、气候等各种因素，会在各项测试的电参数中引入误差，因此需要尽可能降低这些误差，提高测试的准确性，使平台系统更好的运行。
一、天线测试平台基本工作原理
天线测试平台由机械系统、测量系统和控制系统三部分组成。其基本工作原理如下：操作人员向运动控制器发出运动指令；运动控制器根据指令和相应的测量系统的位移值，计算出电机的转动量和转动方向；电机通过减速器带动相应的部件进行直线或旋转运动，当实时位移量与期望位移量的误差小于系统设计指标时，运动控制器控制运动过程停止。
二、天线测试平台系统设计
（1）框架的组成
整体框架长5 m，宽3 m，由四根碳纤维管组成，作为两维运动平台的底座和导轨。X向滑台由两根同样尺寸的纤维管支撑构成。Y向滑台通过滑块安装在X向滑台上。滑台底板和安装块等零件采用尼龙加工制造，联接螺钉采用树脂螺钉。
（2）导向方式
采用导向轴与滑块相对运动的导向方式，将碳纤维管框架作为导向轴，采用高性能聚合物材料的免维护固态滑动轴承作滑动部件，X，Y向滑台安装在滑块上并沿着框架作直线运动。
（3）传动方式
采用同步带传动方式，X，Y向滑动平台两端均安装同步带轮，其中一个同步带轮由电机驱动，同步带绕过两个带轮并连接在移动滑台上，这样当电机运动时，同步带将拉动X，Y向滑台运动。其中X向滑台由于跨距较大，采用两套同步带拖动机构，由一个电机驱动。
三、天线测试 误差分析
（1）测试天线安装引起的误差
在天线测试时，天线应该放置在转台的原点位置，这样天线旋转的角度和转台旋转的角度才一致。但是在实际天线安装中，不可能把天线正好安装在转台的原点位置，这样就产生了误差。
（2）测试仪表精度引起的误差
信号源频率设置：对于点频测试，很好的频率稳定精度引起的误差可以忽略。在扫频时，精度就更重要了，这时要尽量减少其稳定时间并通过与一定长度电缆的标准相位来比较。同轴电缆线在天线测量中是不可缺少的，电缆受挤压、接头或转换器之间松动、接头不匹配都可能影响测量结果，应选用性能好的同轴电缆线。信号源、功率放大器输出功率不稳易引起接收信号突跳。转动过程中天线在某一角度遇到同频干扰等都可能引起天线参数测量的不准确。
环境噪声：噪声限制了低副瓣的精度，但具体测量误差远大于普通噪声，可不予考虑。
接收机线性动态范围：只要不饱和，现代接收机典型的线性度为0.1 dB+0.005 dB/dB，相位为0.1b+0.005b/dB。除了非常复杂的副瓣测试，该值远远满足一般的副瓣测试要求，但对增益测试有影响。如果测试天线的增益高于增益标准20 dB，会出现0.2 dB的误差分布。
标准增益喇叭精度：标准增益精度相对来说是基本的限制，国家标准局引用的精度也为0.2 dB。
经纬仪测角精度：在天线测量中，经纬仪是最常用的精密测角仪表之一，天线方向图的最大指向和波束宽度都可用它较准确测得，其测角误差是影响天线测量精度的最重要的指标之一
（3）测试场地引起的误差
有限测试场长度引起的相位曲率变化：在有限距离的场地上测试方向图，待测天线口面上会产生球面相差。相位变化主要影响的是填充主瓣和第一副瓣之间的零点以及抬高第一副瓣，对第二副瓣以外的方向图几乎没有影响。
源方向的改变或地面测试场高度引起的幅度斜变：这一点在收发天线架设高度不同的情况下有表现，主要表现为第一副瓣的不对称。所以要尽量让收、发天线在同一水平面上。
测试场地的反射：反射瓣的幅度分别取决于源的照射、反射系数和测试天线的位置。
我们采取的主要方法是调整发射天线和被测试天线的位置，以免引起严重的反射。在测试方向图中的副瓣时，周围物体的反射可能导致严重的测量误差。例如，测量-25 dB副瓣，误差小于0.5 dB（最大误差为1 dB）时，环境反射电平应低于-55 dB。
（4）天线测试平台控制精度计算
直线位移的传动方式是由电机（内含行星齿轮减速机）驱动同步带轮，从而带动同步带和与之连接的滑块作直线运动。X方向与Y方向的电机和同步带选择相同，因而它们的直线控制精度计算结果如下：同步带节距为5mm；同步带带轮齿数为32；步进电机减速比为16B1；步进电机最小细分数为360/0.72=500。X方向与Y方向直线位移控制精度的理论值为5*32/（16*500）=0.02 mm即使步进电机在最小的细分数下，直线位移控制精度也能达到0.02mm，满足系统中要求的X方向0.3mm和Y方向0.3 mm的控制精度。步进电机最大细分数可达360/0.00288=125000，此时直线位移控制分辨力为0.0000016 mm。
（5）位移反馈传感器的测量精度
位移系统采用拉绳式位移传感器作位置反馈，在位移控制上，位移机构依靠传感器的反馈数据来定位。测试报告显示，直线位移系统采用的两个拉绳式位移传感器的定位误差均优于0.3mm，定位精度满足规定要求。这样就可以满足具体试验中对于天线测试更高精度的要求。而这也就对天线测试平台的一些具体细节有了更高的要求，不能允许过度的误差产生，否则会产生严重的后果。
（6）测试转台形式引起的误差
收发天线如果架设高度不同，采用传统的二维转台，俯仰在上、方位在下，就会产生测角误差，此时测得的方向图不是主面的方向图，而是圆锥切割方向图。这个误差是相当大的，且仰角越大误差越大。如果用方位在俯仰上的转台）或是使用三维转台，这个问题就可以解决。所以采用俯仰在上、方位在下的转台（传统的二维转台），就要尽量让收、发两天线在同一水平面上。
四、对天线测试平台的自动化控制
控制系统主要由远程控制计算机、控制台、电机驱动器、限位保护开关、机电系统和位移传感器等几大部件组成。远程控制计算机通过外部接口与控制台通讯，从而完成对控制系统的操作和位移数据读取。所有的直线运动的速度都是可调的。控制台上的全部功能都能通过标准接口在计算机上用如/超级终端0之类的标准通讯软件或编程实现，控制代码简单明了并附有VB编写的样例程序和详细的使用说明书。限位保护的功能是避免因位移部件的运动范围超出系统设计允许值而发生的机械或电器损坏。限位保护分两级进行。第一级是限位控制信号，该信号会对运动控制器中的微处理器产生中断，从而禁止在该方向上的运动，但仍可进行反方向的运动，以便脱离限位保护状态；第二级是限位保护开关，该保护开关是为了防止万一由于控制电路损坏而导致电机失去控制，使得位移部件的运动范围超出系统设计允许值，这时限位保护开关会切断伺服电机的电源，从而避免设备的损坏。当限位保护开关起作用后，控制系统已不能再控制该自由度上的运动，必须通过摇柄使运动部件脱离限位保护状态。
结束语：
天线测试平台系统的设计与成功安装保证了天线测试工作的顺利开展。天线测试平台系统由于要求整体结构尽量采用非金属材料，这样各运动机构的运行会非常平稳。对天线测试过程中产生误差原因的分析，可让我们有针对性地完善天线测试条件，从而对天线性能参数能准确地掌握和了解。
参考文献
[1] 约翰#克劳斯.天线.北京：电子工业出版社，2005.
[2] 毛乃宏，俱新德.天线测量手册.北京：国防工业出版社，1987.
[3] 阮馨远.天线测量技术.南京：电子工业部第十四研究所，1997.
[关键词]天线测试平台误差分析自动化
中图分类号：TN82 文献标识码：TN 文章编号：1009―914X（2013）31―0304―01
前言：
天线测试平台系统是一套自动化机电控制系统，是用于天线测试试验的辅助装置。在天线测量时，由于天线的结构误差、测试场地、测试设备、气候等各种因素，会在各项测试的电参数中引入误差，因此需要尽可能降低这些误差，提高测试的准确性，使平台系统更好的运行。
一、天线测试平台基本工作原理
天线测试平台由机械系统、测量系统和控制系统三部分组成。其基本工作原理如下：操作人员向运动控制器发出运动指令；运动控制器根据指令和相应的测量系统的位移值，计算出电机的转动量和转动方向；电机通过减速器带动相应的部件进行直线或旋转运动，当实时位移量与期望位移量的误差小于系统设计指标时，运动控制器控制运动过程停止。
二、天线测试平台系统设计
（1）框架的组成
整体框架长5 m，宽3 m，由四根碳纤维管组成，作为两维运动平台的底座和导轨。X向滑台由两根同样尺寸的纤维管支撑构成。Y向滑台通过滑块安装在X向滑台上。滑台底板和安装块等零件采用尼龙加工制造，联接螺钉采用树脂螺钉。
（2）导向方式
采用导向轴与滑块相对运动的导向方式，将碳纤维管框架作为导向轴，采用高性能聚合物材料的免维护固态滑动轴承作滑动部件，X，Y向滑台安装在滑块上并沿着框架作直线运动。
（3）传动方式
采用同步带传动方式，X，Y向滑动平台两端均安装同步带轮，其中一个同步带轮由电机驱动，同步带绕过两个带轮并连接在移动滑台上，这样当电机运动时，同步带将拉动X，Y向滑台运动。其中X向滑台由于跨距较大，采用两套同步带拖动机构，由一个电机驱动。
三、天线测试 误差分析
（1）测试天线安装引起的误差
在天线测试时，天线应该放置在转台的原点位置，这样天线旋转的角度和转台旋转的角度才一致。但是在实际天线安装中，不可能把天线正好安装在转台的原点位置，这样就产生了误差。
（2）测试仪表精度引起的误差
信号源频率设置：对于点频测试，很好的频率稳定精度引起的误差可以忽略。在扫频时，精度就更重要了，这时要尽量减少其稳定时间并通过与一定长度电缆的标准相位来比较。同轴电缆线在天线测量中是不可缺少的，电缆受挤压、接头或转换器之间松动、接头不匹配都可能影响测量结果，应选用性能好的同轴电缆线。信号源、功率放大器输出功率不稳易引起接收信号突跳。转动过程中天线在某一角度遇到同频干扰等都可能引起天线参数测量的不准确。
环境噪声：噪声限制了低副瓣的精度，但具体测量误差远大于普通噪声，可不予考虑。
接收机线性动态范围：只要不饱和，现代接收机典型的线性度为0.1 dB+0.005 dB/dB，相位为0.1b+0.005b/dB。除了非常复杂的副瓣测试，该值远远满足一般的副瓣测试要求，但对增益测试有影响。如果测试天线的增益高于增益标准20 dB，会出现0.2 dB的误差分布。
标准增益喇叭精度：标准增益精度相对来说是基本的限制，国家标准局引用的精度也为0.2 dB。
经纬仪测角精度：在天线测量中，经纬仪是最常用的精密测角仪表之一，天线方向图的最大指向和波束宽度都可用它较准确测得，其测角误差是影响天线测量精度的最重要的指标之一
（3）测试场地引起的误差
有限测试场长度引起的相位曲率变化：在有限距离的场地上测试方向图，待测天线口面上会产生球面相差。相位变化主要影响的是填充主瓣和第一副瓣之间的零点以及抬高第一副瓣，对第二副瓣以外的方向图几乎没有影响。
源方向的改变或地面测试场高度引起的幅度斜变：这一点在收发天线架设高度不同的情况下有表现，主要表现为第一副瓣的不对称。所以要尽量让收、发天线在同一水平面上。
测试场地的反射：反射瓣的幅度分别取决于源的照射、反射系数和测试天线的位置。
我们采取的主要方法是调整发射天线和被测试天线的位置，以免引起严重的反射。在测试方向图中的副瓣时，周围物体的反射可能导致严重的测量误差。例如，测量-25 dB副瓣，误差小于0.5 dB（最大误差为1 dB）时，环境反射电平应低于-55 dB。
（4）天线测试平台控制精度计算
直线位移的传动方式是由电机（内含行星齿轮减速机）驱动同步带轮，从而带动同步带和与之连接的滑块作直线运动。X方向与Y方向的电机和同步带选择相同，因而它们的直线控制精度计算结果如下：同步带节距为5mm；同步带带轮齿数为32；步进电机减速比为16B1；步进电机最小细分数为360/0.72=500。X方向与Y方向直线位移控制精度的理论值为5*32/（16*500）=0.02 mm即使步进电机在最小的细分数下，直线位移控制精度也能达到0.02mm，满足系统中要求的X方向0.3mm和Y方向0.3 mm的控制精度。步进电机最大细分数可达360/0.00288=125000，此时直线位移控制分辨力为0.0000016 mm。
（5）位移反馈传感器的测量精度
位移系统采用拉绳式位移传感器作位置反馈，在位移控制上，位移机构依靠传感器的反馈数据来定位。测试报告显示，直线位移系统采用的两个拉绳式位移传感器的定位误差均优于0.3mm，定位精度满足规定要求。这样就可以满足具体试验中对于天线测试更高精度的要求。而这也就对天线测试平台的一些具体细节有了更高的要求，不能允许过度的误差产生，否则会产生严重的后果。
（6）测试转台形式引起的误差
收发天线如果架设高度不同，采用传统的二维转台，俯仰在上、方位在下，就会产生测角误差，此时测得的方向图不是主面的方向图，而是圆锥切割方向图。这个误差是相当大的，且仰角越大误差越大。如果用方位在俯仰上的转台）或是使用三维转台，这个问题就可以解决。所以采用俯仰在上、方位在下的转台（传统的二维转台），就要尽量让收、发两天线在同一水平面上。
四、对天线测试平台的自动化控制
控制系统主要由远程控制计算机、控制台、电机驱动器、限位保护开关、机电系统和位移传感器等几大部件组成。远程控制计算机通过外部接口与控制台通讯，从而完成对控制系统的操作和位移数据读取。所有的直线运动的速度都是可调的。控制台上的全部功能都能通过标准接口在计算机上用如/超级终端0之类的标准通讯软件或编程实现，控制代码简单明了并附有VB编写的样例程序和详细的使用说明书。限位保护的功能是避免因位移部件的运动范围超出系统设计允许值而发生的机械或电器损坏。限位保护分两级进行。第一级是限位控制信号，该信号会对运动控制器中的微处理器产生中断，从而禁止在该方向上的运动，但仍可进行反方向的运动，以便脱离限位保护状态；第二级是限位保护开关，该保护开关是为了防止万一由于控制电路损坏而导致电机失去控制，使得位移部件的运动范围超出系统设计允许值，这时限位保护开关会切断伺服电机的电源，从而避免设备的损坏。当限位保护开关起作用后，控制系统已不能再控制该自由度上的运动，必须通过摇柄使运动部件脱离限位保护状态。
结束语：
天线测试平台系统的设计与成功安装保证了天线测试工作的顺利开展。天线测试平台系统由于要求整体结构尽量采用非金属材料，这样各运动机构的运行会非常平稳。对天线测试过程中产生误差原因的分析，可让我们有针对性地完善天线测试条件，从而对天线性能参数能准确地掌握和了解。
参考文献
[1] 约翰#克劳斯.天线.北京：电子工业出版社，2005.
[2] 毛乃宏，俱新德.天线测量手册.北京：国防工业出版社，1987.
[3] 阮馨远.天线测量技术.南京：电子工业部第十四研究所，1997.