专利名称：天线相位中心自动测量系统的制作方法
技术领域：
本发明属于测量技术领域，具体涉及天线相位中心的测量，可用于对天 线相位中心进行精确定位。
背景技术：
随着通信、雷达、人造卫星和宇航技术的发展，对天线的跟踪、定位精 确度要求越来越高，单靠幅度波束来搜索定位已不能满足要求，必须以天线 的相位中心为基准进行精确定位或测量。而天线的相位中心问题在其相位测 量应用、形成波束侦收应用、作为干涉仪阵列单元和作为抛物面天线的馈源 使用等诸多方面都很重要。所谓天线相位中心，就是天线的等效辐射中心。 对绝大多数天线来说可能没有这样一个确定的相位中心，但是许多天线可以 找到这样一个参考点，使得在主瓣某一范围内辐射场的相位保持相对恒定，
则这个参考点就被称为"视在相位中心"。在GPS及雷达定位、测量、导航时， 常以视在相位中心为基准，但作业时，天线的安装却是以几何中心为基准， 这样就会产生几何中心和视在相位中心的误差，而这种误差必然会给实际应 用带来不良影响，因此必须对天线相位中心进行精确标定。
目前，关于如何方便、精确标定天线相位中心主要有以下几种研究l.美 国学者Sch叩ler等人1994年在Journal of The Institute of Navigation 杂志发表《Signal characteristics of GPS user antermas》的论文，首次 提出在微波暗室内进行天线相位中心标定的方法。但是该标定方法需要不断 手动调整天线位置直到相位中心方向图比较对称为止，不但费时费力，而且 不易操作，校准误差大。
2. 西安电子科技大学毛乃宏教授等人著的《天线测量手册》和成都电子科 技大学林昌碌教授著的《天线测量技术》书籍上介绍的相位中心测试方法。 这些方法同样需要通过人为的不断观察来调整天线位置，校准误差大。
3. 2002年美国学者A. Prata在IPN Progress R印ort发表{Misaligned antenna phase-center determination using measured phase patterns》的论文提出另一种天线相位中心的标定方法，该方法建立了相位方向图测量 与相位中心偏差的函数关系式，利用求解方程组来求解相位中心偏差。但该 方法有一定局限性，只适合于存在确定相位中心的天线校准。
发明内容
本发明的目的在于解决现有标定天线相位中心的方法需要不断手动调整 天线位置、人为观察判断，费时费力、不易操作和校准误差大的问题，提出 了一种天线相位中心自动测量系统，以实现对天线的精确定标。
为实现上述目的，本发明提供的天线相位中心自动测量系统，以计算机为 核心，控制具有相应功能的多种外围设备，通过对数据采集、分析和处理， 自动完成天线相位中心的测量任务。整个系统包括天线接收转台子系统、 发射极化器子系统、发射接收子系统、伺服驱动数显子系统和计算机子系统。 天线接收转台子系统分别与发射接收子系统和伺服驱动数显子系统连接，发 射极化器子系统分别与发射接收子系统和伺服驱动数显子系统连接，计算机 子系统分别与发射接收子系统、伺服驱动数显子系统连接。其中，天线接收 转台子系统由方位转台、二维平动装置、支架和天线极化器组成，该二维平 动装置固定在方位转台上，并通过支架与天线极化器连接，用于自动调节天 线与方位转台转轴的位置，使被测天线的相位中心与转台的旋转轴轴心接近， 且保证在方位转台转动时方位转台转轴与天线极化器转轴之间的位置相对稳 定。
上述自动测量系统，其中所述的二维平动装置包括上滑板、滑动板和下 滑座，上滑板通过第一导滑体与滑动板连接，滑动板通过第二导滑体与下滑 座连接。
上述的自动测量系统，其中所述的滑动板的设在横向传动机构和纵向传 动机构之间，横向传动机构带动上滑板在第一导滑体上沿横向移动，纵向传 动机构带动滑动板在第二导滑体上沿纵向移动。
上述自动测量系统，其中所述的横向传动机构和纵向传动机构上分别设有 横向零位装置和纵向零位装置，以分别作为上滑板和滑动板的移动起始位置；
横向传动机构的两端均设有横向限位装置，纵向传动机构的两端均设有纵向 限位装置，以限定上滑板和滑动板的移动位置。上述自动测量系统，其中所述的横向传动机构和纵向传动机构分别通过伺 服驱动数显子系统控制，自动调节二维平动装置沿横向和纵向的移动量。
上述自动测量系统，其中所述的横向限位装置和纵向限位装置采用开关 限位和机械限位两级限位结构，以保证二维平动装置移动的安全性。
上述的自动测量系统，其中所述的计算机子系统包括控制计算机、数显 控制卡、GPIB卡、多轴可编程控制卡和控制及数据处理软件，所述的这些控 制卡插在控制计算机的接口插槽里，分别完成实时显示各运动轴的位置信息、 对发射接收子系统的设定和控制、对各运动轴的位置控制；所述的控制及数 据处理软件包安装在控制计算机上，完成测试方式下对被测天线及参考天线 各轴的驱动控制，并通过GPIB卡在测试状态下对幅度、相位信息的采集和存 储。
本发明由于采用通过计算机自动控制调整被测天线的参考点，重新测试 并计算相位中心偏差的技术方案，克服了手动调整天线位置和人为观察判断， 其测量结果准确性差的问题；同时由于采用二维平动装置可自动调节天线与 方位转台转轴的位置，使被测天线的相位中心与转台的旋转轴轴心接近，且 保证在方位转台转动时方位转台转轴与天线极化器转轴之间的位置相对稳 定；此外由于限位装置采用两级限位结构，可保证二维平动装置移动的安全 性。
测试结果和误差分析表明天线安装偏差所引入的模型近似误差是主要
误差源，本发明的自动测量系统通过2-3次对参考点的移动，就可减少此项
误差，得到较高相位中心测试精度，其实测结果优于l,。该自动测量系统不 仅可以精确测量天线相位中心位置偏差，而且测量过程程序化、自动化，不 需要手动操作。
本发明的特征和效果可通过以下附图和实例进一步说明。
图1是本发明的系统组成框图2是本发明的天线接收转台子系统结构示意图3是本发明天线接收转台子系统中的二维平动装置俯视结构示意图； 图4是本发明实验测试一次的天线相位中心结果图；图5是本发明实验测试二次的天线相位中心结果图； 图6是本发明实验测试三次的天线相位中心结果图。
具体实施例方式
参照图1，本发明的自动测试系统主要包括天线接收转台子系统、发射极 化器子系统、发射接收子系统、伺服驱动数显子系统和计算机子系统五个部 分。其中-
所述的天线接收转台子系统，如图2和图3。它是测量系统的关键部件之 一，其作用是安装待测天线，精确改变天线在空间的机械指向，调整天线与 转轴的相对位置，以便准确的确定天线的相位中心。主要由方位转台1、 二维 平动装置2、支架3和天线极化器4组成，该二维平动装置2位于方位转台1 上，并通过支架3与天线极化器4连接，用于自动调节天线与方位转台转轴 的位置，使被测天线的相位中心与转台的旋转轴轴心接近，且保证在方位转 台转动时方位转台转轴与天线极化器转轴之间的位置相对稳定。支架3采用 空心非金属圆管粘接结构，以减少对电磁波的反射，且外圆经过精加工，以 备检测校对旋转中心使用。该方位转台1、天线极化器4和二维平动装置2均 由计算机自动控制。在测试中，为保证天线相位中心和方位转台1的旋转轴 重合，当二维平动装置2处于0点，即基准点时，天线极化器法兰盘端面应 偏离方位转轴100mm士0.1mm。为防止高频及控制电缆缠绕，在方位转台1 上装有汇流环和高频旋转关节(图中未画出)，在天线极化器4上也安装有高 频旋转关节16。 二维平动装置2包括上滑板5、滑动板6和下滑座7，上滑板 5通过第一导滑体8与滑动板6连接，滑动板6通过第二导滑体9与下滑座7 连接。滑动板6的上、下面上分别设有横向传动机构10和纵向传动机构11， 横向传动机构10由横向电机18驱动上滑板5在第一导滑体8上沿横向移动， 纵向传动机构11由纵向电机19驱动滑动板6在第二导滑体9上沿纵向移动。 上滑板5上开有固定孔17用以连接支架3。横向传动机构10和纵向传动机构 11上分别设有横向零位装置14和纵向零位装置15，以分别作为上滑板5和 滑动板6的移动起始位置；横向传动机构10的两端均设有横向限位装置12， 纵向传动机构11的两端均设有纵向限位装置13，以限定上滑板5和滑动板6 的移动位置。该横向限位装置12和纵向限位装置13采用开关限位和机械限位两级限位结构，以保证二维平动装置2移动的安全性。该横向传动机构10 和纵向传动机构11分别通过伺服驱动数显子系统控制，自动调节二维平动装 置2沿横向和纵向的移动量。
所述的发射极化器子系统，用于架设发射天线，通过计算机程控来改变 发射天线极化，通过手动调整发射天线的高度。发射极化器子系统由天线发 射极化器和发射升降架两部分组成。发射升降架用来支撑发射极化器和发射 天线，并能手动调整发射天线的高度；发射极化器上安装源天线，并通过计 算机程控来改变该发射天线极化，为防止高频电缆缠绕，发射极化器上装有 高频旋转关节。
所述的发射接收子系统，用于产生高频测试信号，用于对待测天线接收 的场强的幅度和相位信息的显示及读取。发射接收子系统由高性能的信号收 发部件-矢量网络分析仪、高频电缆和高频接插组件组成。高频电缆通过矢量 网络分析的输入、输出端口分别与待测天线和源天线连接，高频接插组件作 为矢量网络分析仪与高频电缆的连接件。该矢量网络分析仪除了具有高速、 高精度特点外，还具备丰富的编程指令，其所有的人工操作功能都可由控制 计算机程序来控制。计算机与它的通信联络由GPIB卡实现。矢量网络分析仪 的各种数据信息通过该GPIB卡读入到控制计算机，控制计算机对矢量网络分 析仪的各种控制也是通过该GPIB卡来实现的。在扫描测试过程中，矢量网 络分析仪工作于快速单点模式。所有的测试数据由控制计算机通过GPIB卡快 速读入，这些数据经过处理后，变成所需的幅度相位或实虚部数据格式。
所述的伺服驱动数显子系统，用于各位置控制轴的驱动及各运动轴的位 置实时显示，其包括位置控制器和位置显示器。其中位置显示器由编码器和 显示器组成；位置控制器包括伺服驱动器和伺服电机，伺服驱动器具有共振 抑制和控制功能，伺服电机选用日本松下MINAS A4系列数字交流伺服电机， 电机可配用多种编码器，适应各种用户。
所述的计算机子系统，是测量系统的指挥中心。各运动轴在计算机子系 统的统一指挥下，按照预定轨迹进行运动，同时控制矢量网络分析仪进行采 样。计算机子系统包括控制计算机、数显控制卡、GPIB卡、多轴可编程控 制卡和控制及数据处理软件，所述的这些控制卡插在工业控制计算机的接口插槽里。控制计算机通过数显控制卡在位置显示器上实时显示各运动轴的位
置信息；控制计算机通过GPIB卡控制发射接收子系统并完成幅度、相位数据 采集；控制计算机通过多轴可编程控制卡向伺驱动数显子系统发位置移动指 令，实现显示各运动轴的位置信息。控制及数据处理软件完成测试方式下对 被测天线及参考天线各轴的驱动控制，通过GPIB卡对发射接收子系统的设定 和控制及在测试状态下对幅度、相位信息的采集，存储，以及对测量所获得 的辐射特性进行分析处理，并进行结果显示或打印、绘图输出。
以上五个子系统的连接关系为天线接收转台子系统分别与发射接收子 系统和伺服驱动数显子系统连接，发射极化器子系统分别与发射接收子系统 和伺服驱动数显子系统连接，计算机子系统分别与发射接收子系统、伺服驱 动数显子系统连接，其中二维平动装置与位置控制器双向连接，发射极化器 与位置控制器双向连接，发射极化器与网络分析仪单向连接。
整个系统的工作原理是控制计算机通过接口输出控制信号到伺服驱动 器，分别控制被测天线的方位、极化轴以及发射天线的极化轴的转动，同时 通过GPIB卡实现对矢量网络分析仪的控制，完成对被测天线的幅度、相位信 号的采集；根据采集的数据计算相位中心偏差，同时在显示器上显示。当相 位中心偏差大于天线设计相位中心的偏差要求，自动调整二维平动装置的横 向、纵向坐标，以改变天线的参考点。所述的控制及数据处理软件采用模块 结构，操作人员只需根据菜单提示，键入所要求的相应参数，就可自动进行 测量和分析计算，并可快速得到所需的高精度的测量结果。
本发明的效果可通过实测结果进一步说明。
本发明对被测天线一个截面的相位中心进行实际测试，测试结果为 第一次测量出幅度、相位方向图如图4a，根据幅度、相位数据，计算角
域范围[-60° ， 60° ]内相位中心横向偏移量为A^-6.656wm，纵向偏移量为
Az = 99.635wm，如图4b。
按上述横向偏移量A^-6.656ww，纵向偏移量Az二99.635mm自动控制二维
平动装置移动后，第二次测量出幅度、相位方向图如图5a，计算角域范围[-60
° ，60° ]内相位中心横向偏移量为A^ = -7.724mw，纵向偏移量为& = -0.558ww，
如图5b。按横向偏移量^ = -7.724wm，纵向偏移量Az =-0.558wm自动控制二维平动 装置移动后，第三次测量出幅度、相位方向图如图6a,计算角域范围[-60° ， 60° ]内相位中心偏移量为横向偏移量AX).059/mn ，纵向偏移量为 Az二-0.455附m，该偏差小于土l附m，符合天线设计相位中心的偏差要求，如图 6b，从图6b可以看出相位方向图近似为一等相面。
将上述移动三次偏移量进行累计后的位置作为最终的参考点，该最终的参 考点就是被测天线该测试截面的相位中心。
从测量图形、计算结果可以看出用本发明的测试系统最多只要经过三次 测量就可获得较好的测量结果。
权利要求
1.一种天线相位中心自动测量系统，包括天线接收转台子系统、发射极化器子系统、发射接收子系统、伺服驱动数显子系统和计算机子系统，天线接收转台子系统分别与发射接收子系统和伺服驱动数显子系统连接，发射极化器子系统分别与发射接收子系统和伺服驱动数显子系统连接，计算机子系统分别与发射接收子系统、伺服驱动数显子系统连接，其特征在于，天线接收转台子系统包括方位转台(1)、二维平动装置(2)、支架(3)和天线极化器(4)，该二维平动装置(2)位于方位转台(1)上，并通过支架(3)与天线极化器(4)连接，用于自动调节天线与方位转台转轴的位置，使被测天线的相位中心与转台的旋转轴轴心接近，且保证在方位转台转动时方位转台转轴与天线极化器转轴之间的位置相对稳定。
2. 根据权利要求1所述的自动测量系统，其特征在于，二维平动装 置(2)包括上滑板(5)、滑动板(6)和下滑座(7)，上滑板(5)通过 第一导滑体(8)与滑动板(6)连接，滑动板(6)通过第二导滑体(9) 与下滑座(7)连接。
3. 根据权利要求2所述的自动测量系统，其特征在于，滑动板(6) 的上、下面分别设有横向传动机构(10)和纵向传动机构(11)，横向传 动机构(10)带动上滑板(5)在第一导滑体(8)上沿横向移动，纵向传 动机构(11)带动滑动板(6)在第二导滑体(9)上沿纵向移动。
4. 根据权利要求3所述的自动测量系统，其特征在于，横向传动机构 (10)和纵向传动机构(11)上分别设有横向零位装置(14)和纵向零位装置(15)，以分别作为上滑板(5)和滑动板(6)的移动起始位置；横 向传动机构(10)的两端均设有横向限位装置(12)，纵向传动机构(11) 的两端均设有纵向限位装置(13)，以限定上滑板(5)和滑动板(6)的 移动位置。
5. 根据权利要求3所述的自动测量系统，其特征在于，横向传动机构 (10)和纵向传动机构(11)分别通过伺服驱动数显子系统控制，自动调节二维平动装置(2)沿横向和纵向的移动量。
6. 根据权利要求4所述的自动测量系统，其特征在于横向限位装置 (12)和纵向限位装置(13)采用开关限位和机械限位两级限位结构，以保证二维平动装置(2)移动的安全性。
7. 根据权利要求1所述的自动测量系统，其特征在于计算机子系统 包括控制计算机、数显控制卡、GPIB卡、多轴可编程控制卡和控制及 数据处理软件，所述的这些控制卡插在控制计算机的接口插槽里，分别完 成实时显示各运动轴的位置信息、对发射接收子系统的设定和控制、对各 运动轴的位置控制；所述的控制及数据处理软件包安装在控制计算机上， 完成测试方式下对被测天线及参考天线各轴的驱动控制，并通过GPIB卡 在测试状态下对幅度、相位信息的采集和存储。
8. 根据权利要求l所述的自动测量系统，其特征在于，支架(3)采 用空心非金属圆管粘接结构，以减少对电磁波的反射。
全文摘要
本发明公开了一种天线相位中心的自动测量系统。该系统包括天线接收转台子系统、发射极化器子系统、发射接收子系统、伺服驱动数显子系统和计算机子系统，天线接收转台子系统和发射极化器子系统均与发射接收子系统、伺服驱动数显子系统和计算机子系统连接，其中，天线接收转台子系统由方位转台(1)、二维平动装置(2)、支架(3)和天线极化器(4)组成，该二维平动装置(2)位于方位转台(1)与天线极化器(4)之间，用于自动调节天线与方位转台转轴的位置，使天线的相位中心与转台的轴心接近，且保证在方位转台转动时方位转台转轴与天线极化器转轴之间的位置稳定。本发明具有测量自动化高的优点，可用于对天线相位中心的精确标定。
文档编号G01R29/10GK101320061SQ200810150399
公开日2008年12月10日 申请日期2008年7月21日 优先权日2008年7月21日
发明者付德民, 尚军平 申请人:西安电子科技大学