近遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量控制系統(tǒng)的研制

關(guān)鍵字：近遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量

一、 近場(chǎng)測(cè)量概念及測(cè)量對(duì)控制系統(tǒng)的要求

近場(chǎng)測(cè)量是IEEE協(xié)會(huì)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法，該方法因其自身的優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代天線(xiàn)測(cè)量中得到了日益廣泛的應(yīng)用。由于測(cè)量在近區(qū)進(jìn)行，天線(xiàn)的遠(yuǎn)區(qū)輻射特性需經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)變換得到，所有的測(cè)量誤差都可以看成近場(chǎng)幅度和相位的誤差[1]。而探頭和被測(cè)天線(xiàn)的定位誤差是影響測(cè)量精度的主要因素之一。因而對(duì)控制探頭移動(dòng)的取樣架和控制待測(cè)天線(xiàn)定位的轉(zhuǎn)臺(tái)提出了較高的定位精度要求。該要求接近于ISO規(guī)定的加工中心定位精度標(biāo)準(zhǔn)。（半閉環(huán)數(shù)控：分辨率1μm，定位精度7μm/300mm，重復(fù)定位精度4μm）。立柱式近遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)以PMAC（Programmable Multiple Axes Controller）可編程多軸控制器為CNC模塊，實(shí)現(xiàn)了探頭水平、垂直、伸縮、極化和轉(zhuǎn)臺(tái)方位、俯仰、天線(xiàn)極化共七軸的伺服驅(qū)動(dòng)和精確定位。

二、 系統(tǒng)硬件組成

近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、微波測(cè)量技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程。硬件部分由微波測(cè)量、伺服驅(qū)動(dòng)和機(jī)械（取樣架及轉(zhuǎn)臺(tái)）子系統(tǒng)組成。

1． 機(jī)械子系統(tǒng)

近場(chǎng)測(cè)量對(duì)取樣架和轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)要求具有高定位精度和良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，即響應(yīng)快且穩(wěn)定性好。因此我們?cè)谠O(shè)計(jì)中提出無(wú)間隙、低摩擦、低慣量、高剛度、高諧振頻率等要求，具體實(shí)現(xiàn)措施為：

* 采用低摩擦阻力的傳動(dòng)部件和導(dǎo)向部件。如X，Y，Z向的滾珠絲杠副和滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌；

* 縮短傳動(dòng)鏈，提高傳動(dòng)與支撐剛度。如用加預(yù)緊的方法提高滾珠絲杠副和滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副的傳動(dòng)與支撐剛度；采用大扭矩的交流伺服電機(jī)直接與絲杠連接以減少中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；

* 采用消隙齒輪，縮小反向誤差。

2． 伺服驅(qū)動(dòng)

伺服驅(qū)動(dòng)部分采用松下A系列交流伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器，具有功率密度大、快速性好、位置控制精度高、可靠性高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

3． RF部分

從RF信號(hào)源發(fā)出的射頻能量通過(guò)低耗電纜送到待測(cè)天線(xiàn)，并用定向耦合器從信號(hào)輸出口耦合出一小部分功率送到幅相接收機(jī)作為幅度和相位的基準(zhǔn)信號(hào)。而待測(cè)天線(xiàn)輻射的一小部分功率被校準(zhǔn)過(guò)的探頭天線(xiàn)接受，并由低耗電纜送至接收機(jī)。

Anritsu 37100C系列微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，具有很強(qiáng)的靈活性，能滿(mǎn)足大多數(shù)接收機(jī)測(cè)量的要求。它除了具有測(cè)量4個(gè)S參數(shù)的能力外，還在接收機(jī)的前端增加了一個(gè)反射計(jì)，37147C覆蓋的頻率范圍是22.5MHz到20GHz。新一代的VNA增加了一個(gè)高速處理器，并具有快速功率掃描功能。使用37147C的快速CW方式，通過(guò)GPIB告訴獲取數(shù)據(jù)，能提高遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量能力。采用內(nèi)部觸發(fā)能實(shí)現(xiàn)0.8ms/點(diǎn)，采用外部觸發(fā)能實(shí)現(xiàn)1.2ms/點(diǎn)，采用GPIB觸發(fā)能實(shí)現(xiàn)1.5ms/點(diǎn)。

對(duì)于近場(chǎng)測(cè)量，采用了內(nèi)部緩沖器數(shù)據(jù)采集。它能從多掃描中存儲(chǔ)工作信道的測(cè)量數(shù)據(jù)，而不必等到每個(gè)掃描結(jié)束的時(shí)候再進(jìn)行同步和采集數(shù)據(jù)。37147C最多能存儲(chǔ)50000個(gè)測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)包含IEEE754的4個(gè)字節(jié)浮點(diǎn)數(shù)字的實(shí)部和虛部。

4． 控制系統(tǒng)

計(jì)算機(jī)通過(guò)PC-PMAC多軸控制器來(lái)控制伺服電機(jī)的定位。GPIB接口板用于PC與RF設(shè)備之間的通訊。PC-PMAC多軸控制器完成兩個(gè)基本功能：1）給接收機(jī)發(fā)TTL觸發(fā)脈沖，通知它進(jìn)行采樣測(cè)量。該功能由采樣程序自動(dòng)設(shè)置。2）控制掃描架和天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)不同的測(cè)量目的，該功能要求輸入相應(yīng)的測(cè)試參數(shù)。

PMAC多軸控制器采用開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，允許用戶(hù)通過(guò)參數(shù)設(shè)置來(lái)改變運(yùn)動(dòng)控制行為。系統(tǒng)采用半閉環(huán)方式，根據(jù)輸入的位置誤差由PID參數(shù)、速度前饋、加速度前饋、摩擦前饋增益等參數(shù)來(lái)確定輸出控制信號(hào)。由于不適當(dāng)?shù)膮?shù)會(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定和機(jī)械振動(dòng)，因此參數(shù)整定時(shí)應(yīng)按一定的步驟和原則進(jìn)行。

控制軟件能夠支持PC與RF設(shè)備之間的GPIB通訊和數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)探頭天線(xiàn)位于測(cè)量網(wǎng)格點(diǎn)上或掃頻方式中不同頻點(diǎn)建立時(shí)，接收機(jī)被觸發(fā)。在采樣位置上PMAC多軸控制器通過(guò)設(shè)置輸出變量來(lái)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。探頭天線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)軌跡和采樣點(diǎn)位置由測(cè)試參數(shù)決定。

三、 工作原理

1． 半閉環(huán)

取樣架和轉(zhuǎn)臺(tái)的伺服驅(qū)動(dòng)是按閉環(huán)反饋方式工作的，采用交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)配有速度反饋和位置反饋。掃描中隨時(shí)檢測(cè)取樣架/轉(zhuǎn)臺(tái)的實(shí)際位置，并及時(shí)反饋給控制卡中的比較器，將其與插補(bǔ)運(yùn)算所得的指令位置相比較，它們的差值作為控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)取樣架/轉(zhuǎn)臺(tái)運(yùn)動(dòng)，來(lái)消除位置誤差。

作為位置檢測(cè)部件的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在伺服電機(jī)的軸端，因而系統(tǒng)是半閉環(huán)的。由于大部分機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)未包括在環(huán)路內(nèi)，因此可獲得較穩(wěn)定的控制特性。盡管絲杠和齒輪的傳動(dòng)誤差不能通過(guò)反饋得到及時(shí)校正，但可采用軟件定位補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)適當(dāng)提高精度。

探頭的定位精度和速度是近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)的兩個(gè)重要指標(biāo)，它們直接關(guān)系到采樣數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，以及系統(tǒng)的工作效率。因而系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)各軸的定位精度和位移速度提出了較高的要求。為使探頭在連續(xù)運(yùn)動(dòng)中能在精確的網(wǎng)格位置上采樣，系統(tǒng)采取的主要措施有：

* 數(shù)控選用PMAC可編程多軸控制器，可是實(shí)現(xiàn)8軸聯(lián)動(dòng)。每軸的伺服更新周期30μs，保證控制器的處理能力和軌跡特性。

* 伺服驅(qū)動(dòng)采用伺服電機(jī)+滾珠絲杠+直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，保證了系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)精度和工作穩(wěn)定性。

* 前饋控制技術(shù)的使用克服了指令位置與實(shí)際位置間的跟隨誤差。

* 軟件控制的速度環(huán)和位置環(huán)，提高了系統(tǒng)的柔性。

* 高分辨率的位置檢測(cè)裝置保證了系統(tǒng)的定位精度。電機(jī)軸端安裝的旋轉(zhuǎn)編碼器為2500p/rev，控制卡對(duì)其進(jìn)行四倍頻處理。

* 補(bǔ)償技術(shù)：為提高探頭的位置精度和動(dòng)態(tài)伺服性能，采用了軸向運(yùn)動(dòng)定點(diǎn)誤差補(bǔ)償、絲杠螺距誤差補(bǔ)償、間隙補(bǔ)償?shù)确椒ā?/p>

* 采用位置捕捉功能，確保了采樣點(diǎn)觸發(fā)的準(zhǔn)確性。位置捕捉功能在一個(gè)外部事件進(jìn)入一個(gè)特殊寄存器時(shí)，鎖住當(dāng)前的編碼器位置。它完全由硬件執(zhí)行，無(wú)須軟件干預(yù)，這意味著唯一的延遲來(lái)自于硬件門(mén)的延遲，在任何機(jī)械系統(tǒng)中均可忽視，因而提供了非常精確的位置捕捉。

2． PID調(diào)節(jié)

PMAC自動(dòng)閉合所有活動(dòng)電機(jī)的的數(shù)字伺服環(huán)，伺服環(huán)產(chǎn)生一個(gè)使電機(jī)的實(shí)際位置逼近目標(biāo)位置的輸出。它的效果依靠伺服環(huán)濾波器來(lái)調(diào)節(jié)參數(shù)的設(shè)置和被控對(duì)象的動(dòng)力學(xué)性能。濾波器通過(guò)設(shè)置每個(gè)電機(jī)的I變量來(lái)調(diào)節(jié)輸出量。其中比例增益提供系統(tǒng)的硬度，微分增益提供穩(wěn)定需要的阻尼，積分增益消除穩(wěn)態(tài)誤差，速度前饋增益減小由于阻尼引入的跟隨誤差，加速度增益減小或消除由于系統(tǒng)慣性帶來(lái)的跟隨誤差。

參數(shù)整調(diào)時(shí)我們希望電機(jī)軸對(duì)階躍響應(yīng)的上升時(shí)間和建立時(shí)間盡可能地快，并且不引起超調(diào)。通常參數(shù)之間具有一定的平衡關(guān)系，尤其是快速響應(yīng)與低超調(diào)之間。如果放大器帶有指示器，則其自身提供了一個(gè)阻尼。當(dāng)放大器調(diào)整較好時(shí)，數(shù)字濾波器中可以不加微分阻尼。PMAC設(shè)有積分控制開(kāi)關(guān)，當(dāng)Ix34=0時(shí)，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中都引入積分增益；當(dāng)Ix34=1時(shí)，僅在運(yùn)動(dòng)停止時(shí)引入積分增益。兩種情況的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況將截然不同。Ix34=0時(shí)，將減小運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的跟隨誤差，但會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并在運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)引入超調(diào)，對(duì)于沒(méi)有前饋的系統(tǒng)這一代價(jià)是值得的，但PMAC的速度和加速度前饋減小了跟隨誤差，因此通常設(shè)定Ix34=1，用以減小停止時(shí)由于靜摩擦和負(fù)載扭矩造成的靜態(tài)誤差。

濾波器輸出式中Kp位于最外層，它的改變同時(shí)影響微分和積分增益，如果想保持增益為常數(shù)，應(yīng)反方向改變Kd和Ki。有些系統(tǒng)中電機(jī)與負(fù)載的耦合會(huì)引起諧振，PID濾波器不能對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)償。只有通過(guò)降低增益和增加連接剛度加以克服。圖4為X軸的階躍響應(yīng)曲線(xiàn)和跟隨誤差調(diào)整曲線(xiàn)。

四、 軟件設(shè)計(jì)

控制軟件包括對(duì)PMAC多軸可編程卡和IEEE488接口卡的控制，并由此實(shí)現(xiàn)取樣架和轉(zhuǎn)臺(tái)的閉環(huán)控制及網(wǎng)絡(luò)分析儀的設(shè)定和采樣。軟件功能模塊包括：文件管理、各軸定位、預(yù)測(cè)試、近遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試、儀器控制及幫助等功能。主界面上同時(shí)設(shè)有快捷鍵，用戶(hù)可以通過(guò)點(diǎn)擊快捷鍵調(diào)用相應(yīng)的功能程序。人機(jī)接口為Windows98界面。主界面顯示的同時(shí)在數(shù)顯上給出各軸的位置信息。

1． 文件管理

該功能模塊完成數(shù)據(jù)文件的建立、編輯和打印。其中包括寫(xiě)字板、新建文件、打開(kāi)文件、保存文件、換名另存、文件刪除、文件關(guān)閉、打印機(jī)設(shè)置、打印及退出等功能。

2． 定位功能

該功能完成探頭和待測(cè)天線(xiàn)各軸的驅(qū)動(dòng)定位。通過(guò)選擇運(yùn)動(dòng)方向和控制方式來(lái)控制各軸的運(yùn)動(dòng)，并實(shí)時(shí)顯示各軸的當(dāng)前位置。連續(xù)運(yùn)動(dòng)通過(guò)給出位移量，對(duì)給定軸進(jìn)行精確定位；人工定位時(shí)，用戶(hù)根據(jù)當(dāng)前位置顯示按停止鍵終止運(yùn)動(dòng)。注意命令的響應(yīng)有一定的延遲，運(yùn)動(dòng)速度較快時(shí)，應(yīng)提前發(fā)終止命令，以免發(fā)生超界現(xiàn)象。各軸的最高運(yùn)動(dòng)速度均由程序設(shè)定了上限值；步進(jìn)移動(dòng)對(duì)給定軸在選擇運(yùn)動(dòng)放向后按一定的步距移動(dòng)，步距缺省值為1mm，用戶(hù)也可以選擇步進(jìn)增量移動(dòng)方式。

注意：在正式測(cè)量前X,Y,Z軸最好先進(jìn)行回零。因?yàn)闄C(jī)械位置誤差的補(bǔ)償是以零位為基準(zhǔn)的，同時(shí)軟件的行程限位也是相對(duì)于零位的。

3． 預(yù)測(cè)試

通過(guò)沿水平或垂直方向掃描待測(cè)天線(xiàn)的中心行所獲幅相數(shù)據(jù)來(lái)判斷天線(xiàn)的安裝是否滿(mǎn)足測(cè)試要求。由相位數(shù)據(jù)可判斷探頭掃描面是否與天線(xiàn)口徑面平行，同時(shí)根據(jù)幅度數(shù)據(jù)可確定掃描面的大小及起點(diǎn)位置。

4． 測(cè)試功能

該功能包括天線(xiàn)的近場(chǎng)測(cè)試和遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試。在近場(chǎng)測(cè)試前應(yīng)先執(zhí)行預(yù)掃描，以調(diào)整天線(xiàn)口徑面與探頭掃描面平行，并確定掃描面積和起點(diǎn)。而遠(yuǎn)場(chǎng)調(diào)整時(shí)，應(yīng)將探頭對(duì)準(zhǔn)天線(xiàn)口徑中心。

* 平面近場(chǎng)掃描

用戶(hù)通過(guò)設(shè)置測(cè)試軌跡（水平或垂直掃描）、采樣方式（單向或雙向）、極化方向、測(cè)試參數(shù)設(shè)置（頻率、行數(shù)、行間距、行點(diǎn)數(shù)、點(diǎn)間距）等參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)測(cè)量。為了校正接收機(jī)由于長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量所造成的幅度相位漂移設(shè)計(jì)了Tie掃描功能。同時(shí)還具有速度設(shè)定、顯示參數(shù)設(shè)定和實(shí)時(shí)顯示等功能。

* 遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量

用于口徑較小天線(xiàn)的暗室遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量。用戶(hù)通過(guò)設(shè)置頻率、方位角、角增量等參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)測(cè)量。同時(shí)可通過(guò)顯示參數(shù)的設(shè)定，選擇對(duì)數(shù)直角坐標(biāo)或?qū)?shù)極坐標(biāo)格式實(shí)時(shí)顯示測(cè)量的幅度數(shù)據(jù)。改變參考電平和刻度能夠改變曲線(xiàn)的顯示效果。曲線(xiàn)的位置是根據(jù)參考電平大小改變的，而刻度決定了幅度的顯示范圍。用戶(hù)可根據(jù)實(shí)測(cè)幅度值調(diào)整參考電平和刻度來(lái)獲得最佳顯示效果。圖形編輯功能對(duì)所測(cè)遠(yuǎn)場(chǎng)數(shù)據(jù)曲線(xiàn)，給出標(biāo)題注釋?zhuān)⑼ㄟ^(guò)移動(dòng)光標(biāo)加注標(biāo)記。程序能自動(dòng)計(jì)算波束的半功率角和第一副瓣的位置。

5．儀器控制

該部分將儀器通過(guò)遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)了儀器的虛擬。程序模擬VNA37147的面板功能，用戶(hù)可完成儀器的仿真操作。對(duì)于熟悉儀器操作和控制指令的用戶(hù)則可通過(guò)控制示例直接對(duì)儀器進(jìn)行控制。該功能為開(kāi)發(fā)人員提供了一簡(jiǎn)潔的調(diào)試環(huán)境。

五、 系統(tǒng)性能指標(biāo)

西安電子科技大學(xué)為信息產(chǎn)業(yè)部長(zhǎng)嶺機(jī)器廠研制的近遠(yuǎn)場(chǎng)綜合測(cè)試系統(tǒng)。系統(tǒng)調(diào)試中采用Hp5525A雙頻激光測(cè)量?jī)x對(duì)各軸定位精度、重復(fù)定位精度和直線(xiàn)度進(jìn)行檢測(cè)，然后采用軸向定點(diǎn)誤差補(bǔ)償、絲杠螺距誤差補(bǔ)償、間隙補(bǔ)償?shù)确椒?，提高了系統(tǒng)精度。

驅(qū)動(dòng)軸全程累積誤差

（mm）重復(fù)定位精度

（mm）直線(xiàn)度

（mm）最大運(yùn)動(dòng)速度

（mm/s）X(4.5m)設(shè)計(jì)0.10.030.0480實(shí)測(cè)0.0570.0140.04100Y(3.6m)設(shè)計(jì)0.10.030.05100實(shí)測(cè)0.050.0090.03100Z(0.3m)設(shè)計(jì)0.10.030.0230實(shí)測(cè)0.0780.0290.0250

對(duì)平面近場(chǎng)掃描而言，Z向的機(jī)械誤差等同于待測(cè)天線(xiàn)的相位誤差，其影響大小取決于待測(cè)天線(xiàn)和誤差校正方法。研究表明對(duì)于窄波束天線(xiàn)，X和Y向誤差只影響副瓣區(qū)域且其影響僅為Z向的1/10[2]。實(shí)測(cè)表明系統(tǒng)具有很好的重復(fù)性。

六、 結(jié)論

一種新型、快速、高精度的近遠(yuǎn)場(chǎng)綜合測(cè)試系統(tǒng)已在信息產(chǎn)業(yè)部長(zhǎng)嶺機(jī)器廠建成，該系統(tǒng)完全達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。其機(jī)械精度優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，表明基于PMAC可編程控制卡的系統(tǒng)控制方案的可行性和優(yōu)越性。系統(tǒng)具有良好的推廣價(jià)值。