近遠場(chǎng)測量控制系統的研制

關(guān)鍵字：近遠場(chǎng)測量

一、 近場(chǎng)測量概念及測量對控制系統的要求

近場(chǎng)測量是IEEE協(xié)會(huì )規定的標準測量方法，該方法因其自身的優(yōu)點(diǎn)在現代天線(xiàn)測量中得到了日益廣泛的應用。由于測量在近區進(jìn)行，天線(xiàn)的遠區輻射特性需經(jīng)過(guò)嚴格的數學(xué)變換得到，所有的測量誤差都可以看成近場(chǎng)幅度和相位的誤差[1]。而探頭和被測天線(xiàn)的定位誤差是影響測量精度的主要因素之一。因而對控制探頭移動(dòng)的取樣架和控制待測天線(xiàn)定位的轉臺提出了較高的定位精度要求。該要求接近于ISO規定的加工中心定位精度標準。（半閉環(huán)數控：分辨率1μm，定位精度7μm/300mm，重復定位精度4μm）。立柱式近遠場(chǎng)測量系統以PMAC（Programmable Multiple Axes Controller）可編程多軸控制器為CNC模塊，實(shí)現了探頭水平、垂直、伸縮、極化和轉臺方位、俯仰、天線(xiàn)極化共七軸的伺服驅動(dòng)和精確定位。

二、 系統硬件組成

近場(chǎng)測量系統是計算機與信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、微波測量技術(shù)和機械技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域交叉的技術(shù)密集型系統工程。硬件部分由微波測量、伺服驅動(dòng)和機械（取樣架及轉臺）子系統組成。

1． 機械子系統

近場(chǎng)測量對取樣架和轉臺設計要求具有高定位精度和良好的動(dòng)態(tài)響應特性，即響應快且穩定性好。因此我們在設計中提出無(wú)間隙、低摩擦、低慣量、高剛度、高諧振頻率等要求，具體實(shí)現措施為：

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

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

* 采用消隙齒輪，縮小反向誤差。

2． 伺服驅動(dòng)

伺服驅動(dòng)部分采用松下A系列交流伺服電機和驅動(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(cháng)等優(yōu)點(diǎn)。

3． RF部分

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

Anritsu 37100C系列微波矢量網(wǎng)絡(luò )分析儀，具有很強的靈活性，能滿(mǎn)足大多數接收機測量的要求。它除了具有測量4個(gè)S參數的能力外，還在接收機的前端增加了一個(gè)反射計，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告訴獲取數據，能提高遠場(chǎng)測量能力。采用內部觸發(fā)能實(shí)現0.8ms/點(diǎn)，采用外部觸發(fā)能實(shí)現1.2ms/點(diǎn)，采用GPIB觸發(fā)能實(shí)現1.5ms/點(diǎn)。

對于近場(chǎng)測量，采用了內部緩沖器數據采集。它能從多掃描中存儲工作信道的測量數據，而不必等到每個(gè)掃描結束的時(shí)候再進(jìn)行同步和采集數據。37147C最多能存儲50000個(gè)測試數據點(diǎn)，每個(gè)點(diǎn)包含IEEE754的4個(gè)字節浮點(diǎn)數字的實(shí)部和虛部。

4． 控制系統

計算機通過(guò)PC-PMAC多軸控制器來(lái)控制伺服電機的定位。GPIB接口板用于PC與RF設備之間的通訊。PC-PMAC多軸控制器完成兩個(gè)基本功能：1）給接收機發(fā)TTL觸發(fā)脈沖，通知它進(jìn)行采樣測量。該功能由采樣程序自動(dòng)設置。2）控制掃描架和天線(xiàn)轉臺的運動(dòng)。根據不同的測量目的，該功能要求輸入相應的測試參數。

PMAC多軸控制器采用開(kāi)放式結構，允許用戶(hù)通過(guò)參數設置來(lái)改變運動(dòng)控制行為。系統采用半閉環(huán)方式，根據輸入的位置誤差由PID參數、速度前饋、加速度前饋、摩擦前饋增益等參數來(lái)確定輸出控制信號。由于不適當的參數會(huì )造成系統的不穩定和機械振動(dòng)，因此參數整定時(shí)應按一定的步驟和原則進(jìn)行。

控制軟件能夠支持PC與RF設備之間的GPIB通訊和數據傳輸。當探頭天線(xiàn)位于測量網(wǎng)格點(diǎn)上或掃頻方式中不同頻點(diǎn)建立時(shí)，接收機被觸發(fā)。在采樣位置上PMAC多軸控制器通過(guò)設置輸出變量來(lái)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。探頭天線(xiàn)的運動(dòng)軌跡和采樣點(diǎn)位置由測試參數決定。

三、 工作原理

1． 半閉環(huán)

取樣架和轉臺的伺服驅動(dòng)是按閉環(huán)反饋方式工作的，采用交流伺服電機驅動(dòng)，同時(shí)配有速度反饋和位置反饋。掃描中隨時(shí)檢測取樣架/轉臺的實(shí)際位置，并及時(shí)反饋給控制卡中的比較器，將其與插補運算所得的指令位置相比較，它們的差值作為控制信號驅動(dòng)取樣架/轉臺運動(dòng)，來(lái)消除位置誤差。

作為位置檢測部件的增量式旋轉編碼器安裝在伺服電機的軸端，因而系統是半閉環(huán)的。由于大部分機械傳動(dòng)環(huán)節未包括在環(huán)路內，因此可獲得較穩定的控制特性。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償的方法來(lái)適當提高精度。

探頭的定位精度和速度是近場(chǎng)測量系統的兩個(gè)重要指標，它們直接關(guān)系到采樣數據的可靠性和準確性，以及系統的工作效率。因而系統設計時(shí)對各軸的定位精度和位移速度提出了較高的要求。為使探頭在連續運動(dòng)中能在精確的網(wǎng)格位置上采樣，系統采取的主要措施有：

* 數控選用PMAC可編程多軸控制器，可是實(shí)現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。

* 伺服驅動(dòng)采用伺服電機+滾珠絲杠+直線(xiàn)滾動(dòng)導軌的運動(dòng)機構，保證了系統的機械傳動(dòng)精度和工作穩定性。

* 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)，提高了系統的柔性。

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

* 補償技術(shù)：為提高探頭的位置精度和動(dòng)態(tài)伺服性能，采用了軸向運動(dòng)定點(diǎn)誤差補償、絲杠螺距誤差補償、間隙補償等方法。

* 采用位置捕捉功能，確保了采樣點(diǎn)觸發(fā)的準確性。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)，鎖住當前的編碼器位置。它完全由硬件執行，無(wú)須軟件干預，這意味著(zhù)唯一的延遲來(lái)自于硬件門(mén)的延遲，在任何機械系統中均可忽視，因而提供了非常精確的位置捕捉。

2． PID調節

PMAC自動(dòng)閉合所有活動(dòng)電機的的數字伺服環(huán)，伺服環(huán)產(chǎn)生一個(gè)使電機的實(shí)際位置逼近目標位置的輸出。它的效果依靠伺服環(huán)濾波器來(lái)調節參數的設置和被控對象的動(dòng)力學(xué)性能。濾波器通過(guò)設置每個(gè)電機的I變量來(lái)調節輸出量。其中比例增益提供系統的硬度，微分增益提供穩定需要的阻尼，積分增益消除穩態(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慣性帶來(lái)的跟隨誤差。

參數整調時(shí)我們希望電機軸對階躍響應的上升時(shí)間和建立時(shí)間盡可能地快，并且不引起超調。通常參數之間具有一定的平衡關(guān)系，尤其是快速響應與低超調之間。如果放大器帶有指示器，則其自身提供了一個(gè)阻尼。當放大器調整較好時(shí)，數字濾波器中可以不加微分阻尼。PMAC設有積分控制開(kāi)關(guān)，當Ix34=0時(shí)，在整個(gè)運動(dòng)過(guò)程中都引入積分增益；當Ix34=1時(shí)，僅在運動(dòng)停止時(shí)引入積分增益。兩種情況的實(shí)際運動(dòng)情況將截然不同。Ix34=0時(shí)，將減小運動(dòng)過(guò)程中的跟隨誤差，但會(huì )影響系統的穩定性，并在運動(dòng)結束時(shí)引入超調，對于沒(méi)有前饋的系統這一代價(jià)是值得的，但PMAC的速度和加速度前饋減小了跟隨誤差，因此通常設定Ix34=1，用以減小停止時(shí)由于靜摩擦和負載扭矩造成的靜態(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，應反方向改變Kd和Ki。有些系統中電機與負載的耦合會(huì )引起諧振，PID濾波器不能對此進(jìn)行補償。只有通過(guò)降低增益和增加連接剛度加以克服。圖4為X軸的階躍響應曲線(xiàn)和跟隨誤差調整曲線(xiàn)。

四、 軟件設計

控制軟件包括對PMAC多軸可編程卡和IEEE488接口卡的控制，并由此實(shí)現取樣架和轉臺的閉環(huán)控制及網(wǎng)絡(luò )分析儀的設定和采樣。軟件功能模塊包括：文件管理、各軸定位、預測試、近遠場(chǎng)測試、儀器控制及幫助等功能。主界面上同時(shí)設有快捷鍵，用戶(hù)可以通過(guò)點(diǎn)擊快捷鍵調用相應的功能程序。人機接口為Windows98界面。主界面顯示的同時(shí)在數顯上給出各軸的位置信息。

1． 文件管理

該功能模塊完成數據文件的建立、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、打印機設置、打印及退出等功能。

2． 定位功能

該功能完成探頭和待測天線(xiàn)各軸的驅動(dòng)定位。通過(guò)選擇運動(dòng)方向和控制方式來(lái)控制各軸的運動(dòng)，并實(shí)時(shí)顯示各軸的當前位置。連續運動(dòng)通過(guò)給出位移量，對給定軸進(jìn)行精確定位；人工定位時(shí)，用戶(hù)根據當前位置顯示按停止鍵終止運動(dòng)。注意命令的響應有一定的延遲，運動(dòng)速度較快時(shí)，應提前發(fā)終止命令，以免發(fā)生超界現象。各軸的最高運動(dòng)速度均由程序設定了上限值；步進(jìn)移動(dòng)對給定軸在選擇運動(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：在正式測量前X,Y,Z軸最好先進(jìn)行回零。因為機械位置誤差的補償是以零位為基準的，同時(shí)軟件的行程限位也是相對于零位的。

3． 預測試

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

4． 測試功能

該功能包括天線(xiàn)的近場(chǎng)測試和遠場(chǎng)測試。在近場(chǎng)測試前應先執行預掃描，以調整天線(xiàn)口徑面與探頭掃描面平行，并確定掃描面積和起點(diǎn)。而遠場(chǎng)調整時(shí)，應將探頭對準天線(xiàn)口徑中心。

* 平面近場(chǎng)掃描

用戶(hù)通過(guò)設置測試軌跡（水平或垂直掃描）、采樣方式（單向或雙向）、極化方向、測試參數設置（頻率、行數、行間距、行點(diǎn)數、點(diǎn)間距）等參數來(lái)設計測量。為了校正接收機由于長(cháng)時(shí)間測量所造成的幅度相位漂移設計了Tie掃描功能。同時(shí)還具有速度設定、顯示參數設定和實(shí)時(shí)顯示等功能。

* 遠場(chǎng)測量

用于口徑較小天線(xiàn)的暗室遠場(chǎng)測量。用戶(hù)通過(guò)設置頻率、方位角、角增量等參數來(lái)設計測量。同時(shí)可通過(guò)顯示參數的設定，選擇對數直角坐標或對數極坐標格式實(shí)時(shí)顯示測量的幅度數據。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)可根據實(shí)測幅度值調整參考電平和刻度來(lái)獲得最佳顯示效果。圖形編輯功能對所測遠場(chǎng)數據曲線(xiàn)，給出標題注釋?zhuān)⑼ㄟ^(guò)移動(dòng)光標加注標記。程序能自動(dòng)計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)遠程控制實(shí)現了儀器的虛擬。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)潔的調試環(huán)境。

五、 系統性能指標

西安電子科技大學(xué)為信息產(chǎn)業(yè)部長(cháng)嶺機器廠(chǎng)研制的近遠場(chǎng)綜合測試系統。系統調試中采用Hp5525A雙頻激光測量?jì)x對各軸定位精度、重復定位精度和直線(xiàn)度進(jìn)行檢測，然后采用軸向定點(diǎn)誤差補償、絲杠螺距誤差補償、間隙補償等方法，提高了系統精度。

驅動(dòng)軸全程累積誤差

（mm）重復定位精度

（mm）直線(xiàn)度

（mm）最大運動(dòng)速度

（mm/s）X(4.5m)設計0.10.030.0480實(shí)測0.0570.0140.04100Y(3.6m)設計0.10.030.05100實(shí)測0.050.0090.03100Z(0.3m)設計0.10.030.0230實(shí)測0.0780.0290.0250

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

六、 結論

一種新型、快速、高精度的近遠場(chǎng)綜合測試系統已在信息產(chǎn)業(yè)部長(cháng)嶺機器廠(chǎng)建成，該系統完全達到了設計指標。其機械精度優(yōu)于設計要求，表明基于PMAC可編程控制卡的系統控制方案的可行性和優(yōu)越性。系統具有良好的推廣價(jià)值。