抛物面天线测量技术

抛物面天线测量技术
摘要
随着现代科学技术的飞速发展，抛物面天线测量技术，在现代天线技术以及军事科研领域中的地位日益重要。

本论文的主要工作是对抛物面天线设计其对应的测量系统软件，文中主要探讨和开发了抛物面天线误差测量系统的数据处理和显示软件。

抛物面天线是目前比较常用的天线之一，其结构一般由反射面，天线支架，加强筋等组成。

本论文针对抛物面天线的测量需求，设计完整的驱动方案、显示测量结果与计算方案。

根据天线测量原理得到抛物面天线测量系统的总体框图，然后从硬件和软件两个方面实现了对抛物面天线误差测量系统的构建。

硬件设计包括单片机控制的步进电机、天线测量放大器的设计和数据采集电路的实现。

软件部分包括单片机控制程序、单片机与主控计算机之间的串口通信以及接收数据处理模块，最后设计了测量可视化软件。

抛物面误差评定软件研制是一项系统工程，涉及到测点布置方法、测点数量与误差关系、曲面拟合、重构模型和标准模型匹配、误差评定、软件功能规划、软件工具选择、软件编制等内容。

使用本软件系统，能驱动抛物面误差测量装置完成指定的曲面测量任务，自动计算和显示均方根误差。

关键词：抛物面，误差，测量，软件，均方根误差。

Abstract
With the rapid development of modern science and technology, parabolic antenna measurement techniques in modern antenna technology and military research in the field is more and more important. The main work of this paper is to design the corresponding parabolic antenna measurement system software, the paper focuses on the development of the parabolic antenna and error measurement system of data processing and display software.
Parabolic antenna is one of the most commonly used. The composition generally has reflector, the antenna support, strengthen tendons and so on. Parabolic antenna measurement needs for a complete driver program design. And show measurement results and calculation program. Measurement principles are based antenna parabolic antenna measuring overall system block diagram, from both hardware and software to build a parabolic antenna measuring system. Hardware design, including microprocessor controlled stepper motor, the antenna measurement amplifier circuit design and data collection. Software components including the microprocessor control program, microcontroller and the serial communication between the host computer and receive data
processing module, and finally design visualization software measurement. Parabolic error evaluation software development is a systematic project involving meter placement method, the number of measurement points and error relations, surface fitting, reconstruction model and the standard model matching, error evaluation, functional planning software, software tool selection, software programming and so on. Use of this software system, the error measurement device can drive parabolic surface measurements to complete the assigned task, automatically calculate and display the root mean square error.
Keywords: Parabolic，Error，Measure，Software，the root mean square error.
目录
摘要 (1)
Abstract (2)
目录 (4)
第一章绪论 (5)
1.1 概述 (5)
1.2 论文背景及国内外现状 (5)
1.3 论文的主要工作 (7)
第二章天线测量的基本理论与分析 (9)
2.1天线基本理论 (9)
2.1.1天线的作用与电磁散射 (9)
2.1.1天线的电参数 (10)
2.1.1天线的辐射特征参数 (11)
2.2 天线测量的技术分析 (19)
2.1.1天线测量的任务 (19)
2.1.1天线测量的技术分析 (19)
第三章软件系统设计 (26)
3.1人机界面的设计 (26)
3.1.1 信息产品的人机界面 (26)
3.1.2 人机界面分析 (27)
3.1.3 人机界面设计 (28)
3.2 误差测量软件研制 (29)
3.2.1 误差评定技术 (29)
3.2.2 误差测量软件系统研制 (30)
3.2.3 系统设计简图 (32)
3.3 检测及校准方法 (32)
3.4 均方根误差的计算 (34)
3.4.1 旋转抛物面模型 (34)
3.4.2 软件的计算方法 (34)
3.4.3 改进的变形表面误差算法 (35)
3.5 抛物面误差测量系统操作界面图 (39)
第四章结论 (41)
参考文献 (43)
致谢...................................................................................... 错误！未定义书签。

第一章绪论
1.1 概述
由抛物面反射器和位于其焦点处的馈源组成的面状天线叫抛物面天线。

分为发射天线和接收天线两种，发射天线由馈源发出的球面电磁波经抛物面反射后，成方向性很强的平面波束向空间辐射，可以将无线信号直线发射到卫星或者其他抛物面接收天线。

接收天线由抛物面反射器将垂直信号反射收集到馈源。

其特点是结构简单，方向性强，工作频带宽。

广泛用于微波，卫星通讯等领域。

1.2 论文背景及国内外现状
随着航空航天和电子通讯技术的迅猛发展，对各种雷达及通讯系统的性能要求越来越高。

天线是雷达、通信等无线电系统的关键部件之一，它的性能直接关系到整个系统的性能。

天线测量技术，在现代天线技术以及军事科研领域中的地位日益重要。

近场测量技术，在发达国家它不仅被认为是测量天线性能的有效方法，而且是研究新型天线的必备手段，并有向其它领域渗透的巨大潜力。

近场扫描测量具有获得的信息量大、环境及电气随机干扰小、计算精度高、投资小、可全天候工作等一系列优点。

因此，它为实现军用和民用天线的高精度自动化测试以及快速检测与调试，提供了先进的测试手段和计量标准。

远场测量在实际应用中仍然占有重要地位。

主要是由于近场测量不仅需要建立近场吸波实验室，还需要高精度近场测量设备，目前国内只有大型研究机构才具有这种实验条件。

所以一般天线测量在国内仍采用远场测量的方法，国内许多研究机构仍承担着远场测量任务。

天线测量系统分为三个主要的部分：射频（RF）部分，机械与控制部分（扫描架，转台，控制器）以及软件数据处理和显示部分。

本文主要讨论的是最后一
部分即软件数据处理和显示部分。

目前国际上提供成熟的天线测量系统的公司主要有美国的NSI，MIT，以色列的Orbit等公司。

NSI公司在全球已有三百余套测试系统，系统集成技术成熟，在近场，远场，测试软件方面都有明显的优势，Orbit 公司产品也具有很高的自动化程度并具有多种扩展接口。

MIT公司则在远场转台方面有独到之处。

国内在天线近场和远场测量系统方面也有深入的研究。

大约在上世纪七十年代末八十年代初，我国近场测量技术才开始起步。

近年来，在一些大专院校和科研单位，研制和进口了不少近场测量系统。

在大专院校方面，西安电子科技大学通过自行设计，于1987年研制成功了国内第一套平面近场扫描系统；北京理工大学研制了一套小型时域测量系统。

在研究所和公司方面，中国电子科技集团公司第14研究所自行研制生产了采用激光测量设备的天线测量系统，并为航天部二院设计了天线测量系统；兵器部206所和航天504所引进了由以色列ORBIT 公司生产的系统；成都29所和38所引进了由美国NSI公司生产的系统；航天501所也研制了自动球面近场系统；海天天线科技公司已引进了法国Satimo公司的多探头球面测量系统。

远场测量方面虽起步较早，但随着自动化和计算机技术的发展，自动测量系统也是这几年才涌现出来的。

西安电子科技大学远场测量系统虽早已建成，但自动测量系统也是在2002完工；北京航空航天大学于2002年建成了新型微波毫米波幅相测试系统；国防科学技术大学于2004年构建了天线测量系统；台湾明新科技大学也在2004年建成了适用于小型天线的3维远场测量系统；西北工业大学于2005年建成了远场测量系统；哈尔滨工业大学于2005年完成了小型天线方向图测试系统的研制；南京航空航天大学2005年建成了基于GPIB总线的天线测量系统。

研究所方面主要是上海微波技术研究所的利用窄脉冲技术的天线远场测量系统。

西安电子科技大学在天线测量的理论研究和工程实践上都取得了可喜的研究成果，并培养了一批高级人才。

西安电子科技大学研制成功的天线测量系统经电子部组织专家鉴定，认为论正确、技术先进，填补了国内天线及目标特性近场测试的空白，达到八十年代国际先进水平。

经过“八·五”、“九·五”和“十·五”国防预研，在这一技术领域的理论研究、工程实践和系统集成方面都取得了一系列研究成果。

其高精度自动测试系统集成技术研究推广应用于国内38所、722
厂、西北工业大学、空军工程大学等十几家科研和生产单位。

抛物面天线已广泛应用于卫星通讯、雷达技术、宇宙探索、地面跟踪及射电天文等现代技术领域中，其目的是保证天线电性能指标。

在工程中，天线反射面在制造与安装时往往不能与原设计抛物面完全吻合，并且在各种外部因素如受自重、日晒、冰荷及风雨雪等作用也会发生变形，导致天线表面精度大大降低。

然而，天线电性能指标在很大程度上依赖于反射面表面精度，而表面精度又取决于背架和中心体的刚度、反射面的加工精度，以及反射面板装配的准确度，最终影响天线电性能指标要求的满足，如天线效率降低、副瓣电平变高及方向性变差等．随着天线工作环境越来越复杂，工作频段愈来愈高，准确分析其变形反射面的表面精度就显得非常重要。

大型通用有限元分析软件ANSYS在天线结构分析中有着广泛的应用。

天线结构设计人员利用ANSYS软件提供的后处理数据功能，可对变形面天线的表面误差进行计算。

但工程中有时会出现这种情况，ANSYS软件的分析结果高于精度指标，而实际天线却是满足精度要求的。

如果此时天线结构设计人员仅根据ANSYS软件的分析就判断天线结构不满足设计要求，会导致设计成本的增加、设计周期的延长。

针对这种问题，作者在拟合抛物面的基础上，提出了一种改进的抛物面天线变形误差算法，给出了分析天线电性能所需的反射面法向误差与径向误差的计算公式．针对不同工况下的抛物面天线，分别采用ANSYS 软件方法与改进方法对其进行了表面变形误差的分析与评价。

1.3论文的主要工作
天线测量技术的工作涉及到天线原理、天线测量、矢量网络分析仪等仪器使用、步进电机控制、数学变换等内容，而本论文主要工作集中在抛物面天线误差测量软件系统设计，并进行功能扩展。

文中所做的工作主要分以下两部分：主软件人机界面和以下两个模块：创建工程的创建，近场测量数据的自检验。

主软件的人机界面分两部分，主界面和启动画面。

主软件主要是用来集成各个模块，并对用户给出提示等。

创建工程模块是近场测量流程的开始，选择某个路径，生成相关文件和文件夹并记录此路径。

近场测量数据的自检验模块是近场测量流程的数据处理和显示部分。

主要是根据已测得的数据和输入要求进行各类补偿，生成理论远场和变换远场的数据文件，并给出E面方向图和H面方向图的图形对
比。

对误差测量软件的功能扩展。

在对测量软件不进行大规模删改的基础上，实现了截断电平的改变显示和多图对比显示。

当多个方面图对比显示时，可以自定义各自颜色并以第一个图为基础进行对齐。

实现方向图的2维数据到3维数据的转化，并显示为具体的图形，提供了缩放，旋转，点线面的不同模式，颜色，演示等三维程序的较常见的功能和曲面拟和以及反走样等高级功能。

还提供了特定功能比如值的单位变换，在不同的截断电平下的显示，在图形上的点的拣选，和对天线方向性系数的计算，最后设计了测量可视化软件。

抛物面误差评定软件研制是一项系统工程，涉及到测点布置方法、测点数量与误差关系、曲面拟合、重构模型和标准模型匹配、误差评定、软件功能规划、软件工具选择、软件编制等内容。

使用本软件系统，能驱动抛物面误差测量装置完成指定的曲面测量任务，自动计算和显示均方根误差。

第二章天线测量的基本理论与分析
2.1天线基本理论
2.1.1天线的作用与电磁散射
通讯，雷达，导航，广播，电视等无线电技术和设备，都是通过无线电磁波来传递信息的，都需要无线电波的辐射与接收。

其中用来辐射和接受无线电磁波的装置称为天线。

天线和发射机，接收机一样，也是无线电技术设备的一个重要组成部分。

显然，天线的作用在于辐射和接收无线电电磁波。

但是能辐射和接受电磁波的东西不一定都能用来作为天线。

任何高频电路，只要不是被完全屏蔽，也能做到这点，但他的辐射或接收效率可能很低。

为有效的辐射或接收电磁波，天线在结构和形式上必须满足一定的要求。

其次，根据无线电技术设备的任务不同，常常还要求天线不是所有方向均匀的辐射（或对所有方向具有同等的接受能力），而是只向某个特定的方向辐射（或只接收来自特定区域的电磁波），在其它方向上不辐射或辐射很弱）接受能力很弱或不能接收）。

有人就是说，要求天线具有所谓的方向性。

比如搜索或跟踪特定目标的雷达，如果没有方向性，就无法辨别和测定特定目标的位置。

而对发射天线来说，大部分功率浪费在不需要的方向上，对接收天线来说，在接受所需要的信号同时，还接收到来自其它方向的干扰和噪声，甚至使信号完全淹没在干扰和噪声中。

图2-1 无线电通讯信息系统的信号通道简单示意图
图2-1是进行无线电通讯时，从发射机到接收机信号通路的简单示意图。

从中可以看出，天线还能完成高频电流或导波（能量）到同频率无线电波（能量）的转换，或完成无线电波（能量）到同频率的高频电流或导波（能量）的转换。

所以，天线还是一个能量转换器。

天线测量系统的软件研究与开发电磁波的散射，是指当电磁波入射到宏观物体或微观电子上时，引起物体上的诱导电荷和电流，或改变电子运动，从而向各个方向辐射电磁波的过程。

对于一个具体目标来说，它的散射场应该包括绕射场和反射场。

2.1.2天线的电参数
按照国际上现行的标准，天线的电参数主要包含下面的内容：
●方向图
至少要给出大于五个截面的平面辐射方向图，对于通讯天线，尤其是全向天线，这点要求更明确；对于有些天线，还须给出相位方向图。

●增益
一般在没有特定指明情况，给出天线的增益一般为总增益，有时也给出增益的微分因子；对某些特殊用途的天线应给出部分增益（相对某种极化的增益）。

●极化
对线极化天线，在有要求场合下，应给出天线的极化纯度；对于圆极化天线应给出轴比和旋向；椭圆极化天线，要明确旋向倾角和轴比，有时应用椭圆度来
描述。

●阻抗
工程上通常用驻波系数或反射系数来描述天线的阻抗特性；一般应给出天线工作带宽内的驻波系数值，相应地有时也给出驻波系数的微分因子；指标中还应明确给出天线的输入阻抗的值，以便与相应的馈线连接，在线天线中输入阻抗一般为50欧或70欧。

●功率容量
天线不引起“打火”的最大输入功率；有时也称为最大承受功率。

●架设条件
天线的架设高度及保证电性能的其它条件。

2.1.3天线的辐射特性参数
天线的辐射特性参数就是用来描述天线辐射电磁场的空间分布。

天线的辐射方向图是天线辐射参数随空间方向变化的图形表示，其中包含辐射场的能量、相位和极化分布信息。

通常我们最感兴趣的是在一个包围天线的球面上（或者这个球的指定截面上）能量的相对分布关系图，这样的曲线图称为功率方向图。

同样，场的幅度曲线图称为场方向图。

辐射方向图在实际应用过程中定义了许多描述辐射方向图特征的参量，包括主瓣，副瓣（旁瓣），零点，后瓣，半功率瓣宽度（HPBW），第一零点波瓣宽第二章天线及其测量的基本理论与分析7度（BWFN），副瓣电平（SLL），前后比（FBR），波束立体角（），主极化，交叉极化，交叉极化比，辐射强度，波束效率，方向性系数（D），以及增益（G）等等。

(1)天线的辐射方向图
天线所辐射的无线电波能量在空间方向上的分布，通常是不均匀的，这就是天线的方向性。

即使最简单的天线，电或磁基本振子也有方向性，完全没有方向性的天线实际上不存在。

为了分析、对比方便，假设理想点源是一种无方向性天线，它所辐射的电磁能量在空间方向上的分布是均匀的。

为了表示天线的方向特性，人们规定了几种方向性电参数。

天线的辐射方向图（简称方向图）是天线的辐射参量随空间方向变化的图形表示。

所谓辐射能量包括辐射的功率通量密度、场强、相位和极化，在通常情况下，辐射方向图在远区测定，并表示为空间方向坐标的函数（称为方向（图）函数）。

实际上，我们最关心的是天线辐射能量的空间分布，在没有特别指明的情况下，辐射方向图一般均指功率通量密度的空间分布，有时指场强的空间分布。

取坐标系如图2-2所示，天线位于坐标原点。

在距天线等距离（r=常数）的球面上，天线在各点产生的功率通量密度或场强（电场或磁场）随空间方向(θ,φ)的变化曲线，称为功率方向图或场强方向图，它们的数学表示式称为功率方向函数或场强方向函数。

图2-2 所采用的坐标系示意图
天线在(θ,φ)方向辐射的电场强度E(θ,φ)的大小可以写成：
式中：——与方向无关的常数；
——场强方向函数。

由式(2-1)，
实际上常用功率通量密度或场强的归一值表示方向图，称为归一化方向图。

设S(θ,φ)和E(θ,φ)为(θ,φ)方向的功率通量密度和电场强度，归一化功率
方向图P(θ,φ)和归一化场强方向图F(θ,φ)为：
式中，和——分别是功率通量密度和场强的最大值。

显然：
在三维坐标中，方向图描绘了一个三维曲面，这样的方向图称为立体方向图或空间方向图。

立体方向图形象、直观但画起来复杂。

由于这个缘故，天线方向图通常是用两个互相垂直的主平面内的方向图表示，称为平面方向图。

主平面的取法因问题的不同而异。

架设在地面上的线天线，由于地面的影响较大，通常采用水平平面和铅垂平面作主平面。

所谓水平平面是仰角Δ=常数、与地面平行的平面，在此平面内，功率通量密度或场强随方位角φ变化。

铅垂平面是方位角φ=常数、与地面垂直的平面，在此平面内，功率通量密度或场强随仰角Δ变化。

研究超高频天线，通常采用的两个主平面是E面和H面。

E面是最大辐射方向和电场矢量所在的平面，H面是最大辐射方向和磁场矢量所在的平面。

位于自由空间的电基本振子，其E面是通过振子轴的子午平面（φ=常数的平面），H面是垂直于振子轴的赤道平面（θ=90°的平面）。

磁基本振子的E面和H面与电基本振子的刚好互换。

绘制方向图可以采用极坐标，也可以采用直角坐标。

极坐标方向图形象、直观，但对方向性很强的天线难于精确表示。

直角坐标方向图不如极坐标方向图直观，但可以精确地表示强方向性天线的方向图。

方向图还可用分贝表示，称为分贝方向图。

分贝方向图为：
功率方向图和场强方向图用分贝表示后，便成为一个分贝方向图。

它表示某方向的功率通量密度相对于最大值下降的分贝数。

方向图形状还可用方向图参数简单地定量表示。

如果方向图只有一个主波束辐射功率的集中程度可用两个主平面内的波瓣宽度来表征。

主瓣最大值两侧的两个第一零辐射方向之间的夹角称为
零功率波瓣宽度，记为和，下角标E和H分别表示E面和H面。

主瓣最大值两侧，功率通量密度下降到最大值的一半（或场强下降到最大值的0.707），即下降3分贝的两个方向之间的夹角称为半功率波瓣宽度，记为和。

主平面方向图除了主瓣之外，通常还有副瓣和后瓣，表征其大小的是副瓣电平和前后辐射比。

所谓副瓣电平，一般是指主瓣旁边第一个副瓣最大值（通常是最大的副瓣最大值）小于主瓣最大值的分贝数，记为ξ1。

前后辐射比是主瓣最大值与后瓣最大值之比的分贝数，记为ξb。

按定义：
式中：
和——对应最大副瓣最大值的功率通量密度和电场强度。

和——在主瓣最大值方向的反方向的功率通量密度和电场强度。

(2)方向性系数
天线的方向性系数是用一个数字定量地表示辐射电磁能量集束程度以描述方向特性的一个参数，又叫做方向性系数或方向性增益。

在定义方向性系数之前先讨论天线的辐射强度。

天线在某方向的辐射强度是该方向辐射功率每单位立体角：
图2-3 立体角的示意图
式中dΩ——立体角元。

立体角单位是球面度（Sr）。

球面度是一个立体角，其顶点位于球心，而它在球面上所截取的面积等于以球半径为边长的正方形面积，如图2-3所示。

球的表面积是，所以封闭球面的立体角是4π（Sr）。

球面的面积元，立体角元：
代入式(2-9)，得：
另一方面，设(θ,φ)方向的功率通量密度为S(θ,φ)，通过面积元dA的辐射功率通量为：
（2-12）比较式(2-11)和(2-12)，得：
(2-13) 式(2-13)表明，辐射强度与空间方向的关系即是辐射功率通量密度与空间方向的关系，二者不同的是，功率通量密度与r2成反比，辐射强度则与r无关。

所以辐射强度表示天线辐射强弱纯粹同方向角度的关系。

由天线辐射方向图定义．辐射强度可以表示为：
式中——天线在最大方向的辐射强度；
——天线的归一化场强方向函数。

整个天线的总辐射功率：
天线在某一方向的方向性系数D(θ,φ)是该方向辐射强度U(θ,φ)与平均辐射强度之比，平均辐射强度为，即：
(2-16) 将式(2-14)和式(2-15)代入式(2-16)，得：
(2-17) 式(2-17)是计算天线方向性系数的一般公式。

通常，我们关心的是最大辐射方向的方向性系数。

在最大辐射方向，F(θ,φ)=1,最大辐射方向的方向性系数：
它与(θ,φ)方向的方向性系数间的关系为：
未加说明，某天线的方向性系数通常均指最大辐射方向的方向性系数。

现在多方面讨论方向性系数的意义。

将式(2-16)稍加变换，得：
式中和——所论天线所辐射的平均功率通量密度和相应的平均场强（注意，相应的平均场强不同于场强平均）。

将和看成是某个参考天线所辐射的功率通量密度和电场强度，该参考天线是一个各方向均匀辐射的理想点源，它与所论天线有相同的总辐射功率。

那么，有方向性的实际天线在(θ,φ)方向的方向性系数是该方向辐射强度与平均辐射强度之比，又是该方向功率通量密度与平均功率通量密度之比，又是该方向电场强度平方与相应的平均电场强度平方之比。

换一种说法，有方向性的实际天线在(θ,φ)方向产生的辐射强度和功率通量密度是无方向性的参考天线（二者的总辐射功率相同）的辐射强度和功率通量密度的D(θ,φ)倍，电场强度则是倍。

将式(2-16)变换为：。