ПРОЕКТИРОВАНИЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ИСПЫТАНИЙ СВЧ-АНТЕНН И ИХ СИСТЕМ

PROJECTING OF AUTOMATED MEASURING COMPLEX OF TESTING OF MICROWARE ANTENNA AND THEIR SYSTEMS

Zhadira Kazhiakparova

рhD, the Chair of GEIT assistant professor of the West Kazakhstan innovation-technological university

Kazakhstan, Uralsk

Anton Nikolayev

c.t.s., senior teacher the Chair of GEIT of the West Kazakhstan innovation-technological university

Kazakhstan, Uralsk

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассматриваются вопросы программно-аппаратного взаимодействия частей автоматизированного измерительного комплекса, предназначенного для проведения натурных испытаний СВЧ-антенн и их систем (решёток).

ABSTRACT

This article examine the questions of hardware-software interaction of automated measuring system parts designed for field tests of microwave antenna and their systems.

Ключевые слова: Автоматизация измерений, обработка данных, испытательные комплексы.

Keywords: measurement automation, data processing, test complexes.

Актуальность задач автоматизации процесса измерений (испытаний) СВЧ-систем диктуется современными требованиями, назначаемыми изготавливаемым образцам. В частности, в подавляющем большинстве случаев необходимо знать предельные отклонения истинной диаграммы направленности (далее - ДН) системы от её расчётных значений, причём с весьма малым угловым шагом – порядка одного градуса. Ширина диапазона длин волн, в котором проводятся испытания СВЧ-системы, а также малый шаг по частоте (высокая дискретность) ставит вопрос об организации хранения и обработки больших объёмов информации, представляющей собой в ряде случаев трёхмерный массив, содержащий значения коэффициента передачи S21, зависящего от частоты и позиционного угла поворота антенны. Исходя из сказанного выше, общее количество элементов массива данных k составит (в случае n антенных элементов):

,                       (1)

где: – верхняя частота диапазона;

 – нижняя частота диапазона;

 – шаг по частоте;

 – угловой шаг поворота установки в градусах.

При этом величину k можно понимать как количество частотных точек, в которых проводится измерение. Для шестиэлементного пеленгатора, тестируемого в диапазоне 100 МГц – 1500 МГц с шагом 10 МГц и угловым шагом в один градус, число анализируемых значений составит (1): 6*141*360 = 304560 отсчётов. Контролировать измерительный процесс, требующий обработки такого объёма данных без средств автоматизации, не представляется возможным, поскольку из опыта проведения испытаний хорошо известно о пагубном влиянии «человеческого фактора» на конечный результат. Вследствие неизбежных ошибок записи, допускаемых оператором в процессе работы, конечные данные зачастую не отражают истинной картины. Более того, присутствие человеческого тела в поле антенны крайне нежелательно по причине наличия антенного эффекта, влияющего на результат самым негативным образом.

Кроме того, построение диаграмм направленности антенных элементов - весьма трудоёмкий процесс, даже с использованием таких мощных программных продуктов, как Microsoft Excel. С учётом совокупности перечисленных выше факторов становится очевидно, что единственным путём решения обозначенных проблем является построение полностью автоматизированной системы, включающей в себя как аппаратную, так и программную часть [1].

Архитектура программного обеспечения может быть разработана только под конкретную аппаратную структуру измерительного комплекса. В этой связи вопрос разработки измерительного комплекса может быть разделён на следующие стадии:

1. Составление методики проведения испытаний;
2. Разработка блок-схемы аппаратного комплекса;
3. Выбор конкретного аппаратного обеспечения, физически позволяющего провести испытания;
4. Анализ программных интерфейсов выбранного оборудования; в частности, оценка доступности информации, необходимой для программного интегрирования;
5. Разработка соответствующего программного обеспечения;
6. Разработка конструкторской документации, необходимой для построения комплекса.

В контексте излагаемого в статье материала имеет смысл подробно рассмотреть п.п. 1–5 из вышеприведённого списка.

Общие положения методики проведения полигонных испытаний антенн и пеленгационных комплексов

В каждом конкретном случае требуется получить экспериментально построенную ДН антенного элемента или системы антенн, для чего на открытой местности, не имеющей посторонних предметов, устанавливается генератор СВЧ-диапазона с системой излучателей. На заранее определённом от генератора расстоянии (вычисляется из электродинамических соображений) устанавливается испытуемая система. Для каждой точки отсчёта азимутального угла и каждого конкретного антенного элемента записываются значения комплексного коэффициента передачи указанных точках частотного диапазона длин волн. Конечный массив данных обрабатывается с целью получения конечного продукта – ДН. Графический пример обработки данных измерений приведённа рисунке 1.

Рисунок 1. Диаграмма направленности системы из восьми активных антенных элементов на частоте 1400 МГц

Разработка блок-схемы аппаратного комплекса всецело опирается как на алгоритм, заложенный в методике проведения испытаний, так и на физические ограничения, подробное рассмотрение которых выходит за рамки рассматриваемого материала. Так или иначе, помимо тестируемого образца в набор необходимого для проведения эксперимента оборудования входит опорно-поворотное устройство, СВЧ-генератор, спектроанализатор с набором излучающих антенн и СВЧ-кабелей, а также персональный компьютер.

Опорно-поворотное устройство – роботизированный штатив, выполняющий позиционирование испытуемой системы с заданной точностью. Поворот платформы осуществляется с помощью шагового двигателя и редуктора. Шаговый двигатель, в свою очередь, получает команды от схемы управления, сопряжённой посредством прграммно-аппаратного интерфейса с персональным компьютером.

СВЧ-генератор предназначен для выдачи синусоидального сигнала в заданном диапазоне частот. Излучение посредством коаксиально-фидерной линии отводится в излучающий тракт.

Спектроанализатор предназначен для анализа уровня принимаемого сигнала в каждой точке частотного диапазона.

Персональный компьютер (ноутбук) посредством специально разработанного программного обеспечения осуществляет диспетчеризацию работы всего измерительного комплекса: синхронизирует работу оборудования, проверяет кооректность поступающей информации, генерирует сервисные сообщения и в конечном итогепредоставляет пользователю конечные ДН.

Выбор аппаратного обеспечения, предназначенного для проведения измерений, диктуется не только его физико-техническими параметрами, но и возможностью предоставления разработчику программного интерфейса – API, – с помощью которого возможно осуществление управления устройством извне. В частности, необходимо иметь базовый набор команд, позволяющих программировать устройство через порты ввода-вывода. Обычно APIпредоставляется в виде справочного материала, не всегда распространяемого свободно.

Разработка программного обеспечения как основной предмет рассмотрения данной статьи представляет собой проблему, успешное решение которой напрямую связано как с вопросами интеграции оборудования, так и с задачами разработки максимально эффективного с точки зрения эргономики пользовательского интерфейса. Кроме того, следует изначально заложить возможность модернизации ПО в рамках вероятных изменений методики испытаний. Совокупность приведённых фактов заставляет разработчика тщательно продумать модульную структуру ПО, осуществить анализ возможных вариантов реализации. Особого внимания заслуживает вопрос визуализации данных. Как видно из рисунка 1, ДН должна быть представлена в полярных координатах, причём совершенно необходимо предусмотреть возможность отображения данных как в линейном, так и в логарифмическом масштабе. Более того, явным достоинством ПО была бы возможность организации импорта данных из пакетов моделирования с целью сравнения полученных значений с теоретически полученными образцами.

Проектирование пользовательского интерфейса

Пользовательский интерфейс прикладного ПО должен удовлетворять всем основным требованиям, предъявляемым к современным программным продуктам. В частности, необходимо обеспечить интуитивно понятный набор функций и инструментов без потери функциональности продукта. Применительно к поставленной задаче оболочка должна давать пользователю возможность инициировать, контролировать и терминировать измерительный процесс. Обеспечение подобной функциональности вполне достижимо на базе достаточно популярной в настоящее время технологии, разработанной компанией Microsoft – .Net, – которая позволяет спроектировать и реализовать весьма качественный пользовательский интерфейс, снабжённый всеми необходимыми элементами управления, такими как поля ввода параметров, переключатели, кнопки, а также элементы графического вывода.

В результате работы, проведённой в рамках разработки прикладного ПО, с помощью технологии. Net на языке C# было создано приложение, позволяющие автоматизировать процесс испытаний антенной техники. Приложение может быть оперативно развёрнуто на персональном компьютере под управлением операционной системы семейства Windows и позволяет не только получить конечные результаты в виде диаграмм направленности, но и управлять процессом измерения дистанционно и без участия оператора в процессе исполнения. Массив полученных данных может быть экспортирован в прикладной пакет HFSS “Ansoft” для дальнейшего анализа. Результаты измерений хранятся на локальном компьютере в виде тестовых файлов (формат *.txt) и файлов изображений (формат *.jpeg). Интерфейс пользователя представляет собой окно, в котором предусмотрен ввод всех необходимых параметров (настроек), а также набор вкладок, где осуществляется вывод графических данных [2].

Список литературы:

1. Рембовский А.М., Ашихмин А.В., Козьмин В.А. Радиомониторинг: задачи, методы, средства. – М. Горячая линия-Телеком, 2006. – 492 c.
2. Шилдт Г.C. 4.0 Полное руководство. – М.: ООО «И.Д. Вильямс», 2011. – 1056 с.: ил.