抛物面天线测量技术毕业论文

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1、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

2、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。AbstractWith the rapid development of modern science and technology, parabolic antenna measurement tec

3、hniques 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

4、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

5、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 des

6、ign 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

7、 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

8、 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1Abstract2目录4第一章 绪论51.1 概述51.2 论文背景及国内外现状51

9、.3 论文的主要工作7第二章 天线测量的基本理论与分析92.1天线基本理论92.1.1天线的作用与电磁散射92.1.1天线的电参数102.1.1天线的辐射特征参数112.2 天线测量的技术分析192.1.1天线测量的任务192.1.1天线测量的技术分析19第三章 软件系统设计263.1人机界面的设计263.1.1 信息产品的人机界面263.1.2 人机界面分析273.1.3 人机界面设计283.2 误差测量软件研制293.2.1 误差评定技术293.2.2 误差测量软件系统研制303.2.3 系统设计简图323.3 检测及校准方法323.4 均方根误差的计算343.4.1 旋转抛物面模型343

10、.4.2 软件的计算方法343.4.3 改进的变形表面误差算法353.5 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42致 谢43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

11、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

12、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

13、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Sa

14、timo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

15、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

16、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

17、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

18、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

19、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

20、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

21、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

22、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

23、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

24、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

25、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

26、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(,)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(,)方向辐射的电场强度E(,)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(,)和

27、E(,)为(,)方向的功率通量密度和电场强度，归一化功率方向图P(,)和归一化场强方向图F(,)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=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变化。铅垂平面是方位角=常数、与地面垂直的平面，在此平面内，功率

28、通量密度或场强随仰角变化。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（=常数的平面），H面是垂直于振子轴的赤道平面（=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

29、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

30、，记为1。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b。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d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

31、球面的立体角是4（Sr）。球面的面积元，立体角元：代入式(2-9)，得：另一方面，设(,)方向的功率通量密度为S(,)，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(,)是该方向辐射强度U(,)与平均辐射强度之比

32、，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(,)=1,最大辐射方向的方向性系数：它与(,)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，

33、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(,)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(,)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(,)倍，电场强度则是倍。将式(2-16)变换为：式中左端给出的是参考天线以辐射强度U(,)向所有方向均匀辐射时的总辐射功率。U(,)是实际有方向性天线在(,)方向的辐射强度，所以该式表明，要在(,)方向得到相等的辐射强度（或电场强度），采用无

34、方向性天线，其总辐射功率比实际有方向性天线的总辐射功率要大到D(,)倍，或者说，实际有方向性天线的总辐射功率仅为无方向性天线的1/D(,)。方向性系数一般可以按普遍公式(2-17)或式(2-18)计算。许多实际天线的空间方向图具有某种对称性，例如 F(,)与无关，这时，式(2-18)可以简化为：许多情况下，F(,)或 F()比较复杂，或者不能用解析式表示而只有测试数据，方向性系数要用数值积分计算。将天线的波束立体角用两个互相垂直的平面内的半功率波瓣宽度表示（如图2-4所示），有：式中，和分别是天线方向图E面和H面的半功率波瓣宽度。方向性系数可以近似地表示为：如果方向图对称，则.图2-4 不对称

35、方向图和对称方向图波束立体角示意图（a） 不对称方向图；（b）对称方向图使用式(2-24)，要求天线方向图只有一个主瓣，所有副瓣都相当低。如果方向图有两个对称的主瓣，按式(2-24)计算的方向性系数是实际值的二倍。方向图的主波瓣越窄，副瓣越低，式(2-24)的精确度便越高。还可用两个主平面方向性系数的倒数的算术平均值计算方向性系数：式中和分别是两个主平面（E面和H面）方向性系数，即假定天线的空间方向图是以E面方向图和H面方向图以主波束最大辐射方向为轴旋转360而形成时的方向性系数，它们分别为：当主波束很窄、副瓣很低时，它们可以近似地用下式计算：将式(2-26b)代入式(2-25)，得：工程上，

36、方向性系数还常用分贝（dB）表示：目前工程上常使用式(2-24)、式(2-25)、式(2-28)等经验公式近似计算天线的方向性系数。然而，这些经验公式通常仅适用于计算某些特定类型天线的方向性系数，且当存在实际测量误差时，使用经验公式计算天线的方向性系数也会产生相当大的误差。2.2天线测量的技术分析2.2.1天线测量的任务(1)天线测量的任务天线测量是研究和检测天线性能的一种手段，其主要任务是：检验理论理论上求解天线场的问题时，几乎总是对实际问题作一些近似处理，再用数学分析进行推演而得出的一些结论，这些结论的正确与否必须由实验来检验。独立研究对于天线技术中许多理论上尚不成熟的问题，要通过大量测量

37、进行规律性的研究，进而逐步上升为理论结果。产品检验天线生产厂家在天线出厂前必须测量它的电参数和机械参数，看它是否达到设计要求。安装和维修天线性能的好坏除了设计之外，还与使用时架设条件有关，要良好地发挥其作用，必须在现场对其性能进行测量；对已在现场使用日久的天线，还需定期对其性能指标进行测量，以保证其它电子设备的正常运行。2.2.2天线测量的技术分析(1)最小测试距离天线辐射特性的测试必须在远场区内进行，才能保证足够的测试精度。而实际测量时，不论是待测天线还是辅助天线都有一定的方向性，因此必须针对这种情况讨论满足远区条件的最小测试距离。一般说来，最小测试距离与收、发天线的方向特性及我们对测试精度

38、的要求等因素有关。下面分几种情况讨论。1)收、发天线一付为弱方向性、一付为强方向性天线图2-5 最小测试距离的选择图如图2-5所示，电尺寸较小的弱方向性源天线S所辐射的电磁波可视为球面波，经距离R到达口径最大尺寸为D的待测接收天线时，到达中心O点与边缘A点射线之行程差为r，由几何关系，有： 由R r，D r故忽略，于是有：由式(2-29)可知，r0时，则R，这意味着要达到平面波照射待测天线口径，所要求的测试距离为无穷大，这不现实也不必要。因此，人们往往根据测试精度的要求，规定一个允许的行程差r。例如，令r=16，这表明待测接收天线口径中心O点与边缘A点之间的允许相位差为这里，k是相位常数。于是

39、，由式(2-29)得到最小测试距离为：若允许行程差r=/32（即），则由式(2-29)得：实践表明，一般选取r=/16时，所测得的天线方向图已有足够精度，这是因为一方面它满足了远场条件，另一方面照射接收天线口径的场强已比较均匀。从上面分析可以看出，在这种情况下，只要考虑口面相差这一因素就可以确定满足远区测试条件的最小测试距离。2)收、发天线均为强方向性天线辅助天线d和待测接收天线D均为强方向性天线时，除待测天线D上满足平面相位波前条件外，也需要考虑场强振幅的均匀性。如图2-6所示，辅助天线d的波瓣宽假设为，而其相位中心对待测天线口径所张的角为，其值近似为：图2-6 收、发天线为强方向性时，最小

40、测试距离的确定图通常，角度远小于辅助源天线d的波瓣宽度，即：如果令最大允许的值为：式中，N常数，定义为辅助天线半功率波瓣宽度与张角之比。则由式(2-32)得最小允许测试距离为：而对强方向性天线而言，有：将式(2-36)代入式(2-35)得：3)收、发天线均为弱方向性天线这种情况下，只要在天线的远区辐射场中测试就已满足均匀平面波前照射待测天线孔径的要求了。由于小电流元天线的辐射场正比于，而感应场正比于，因此，由r=时，感应场已比辐射场低16dB，其影响已可忽略，故最小测试距离可视天线口径最大线尺寸D的大小用下式计算：当D时，则应使用式(2-30)进行计算最小测试距离。4)低副瓣天线对测试距离的要

41、求若在普通测试距离上进行低副瓣天线测量时，其第一、二副瓣将会有较大的误差，增益也会有所变化。对中等旁瓣电平（-25dB）天线而言，在距离上测试的方向图误差是可忽略的，增益误差也在0.1dB以内。5)雷达散射截面（RCS）最小测试距离如果要求测量误差小于1dB，则RCS散射图的最小测量距离为：式中，D为目标的最大线尺寸。(2)方向图测量常用固定天线法及旋转天线法测量天线的方向图。前者是待测天线不动，辅助天线绕待测天线转动；后者是待测天线绕自己的轴旋转而辅助天线不动。这里主要介绍超高频或微波波段的天线或其它频段的模型天线一般都用采用的后者。1)测量框图图2-7为待测天线作为发射天线时测量装置方框图

42、，将待测天线与辅助天线互换可得待测天线用作接收时的测量装置方框图。图2-7 当待测天线作为发射天线时测量装置方框图2)测量步骤1.根据要求确定球坐标取向和控制台；2.确定最小测试距离和天线架设高度；3.进行电道估算，选择测量仪器；4.收发天线应架在同一高度上（用俯仰在方位上的转台或简单方位转台时），并将转台调到水平；5.检查周围的反射电平及必须具备的测量条件；6.转台的转轴应尽可能通过待测天线相位中心；7.转动待测天线，使准备测试方向的平面为水平面，并使辅助天线极化与待测场极化一致；8.将收发天线主最大方向对准，调整检波器与测量放大器（或接收机）使接收指示最大；9.旋转待测天线，记录接收信号，

43、特别留心测量主瓣宽度和副瓣电平。对副瓣有严格要求时用精密可变衰减器读数。垂直面方向图测量方法同上，只要将天线变成俯仰转动或将待测天线极化旋转90在水平面测量；10.如果待测天线为椭圆极化，且方向图形状比较复杂时，必须在同一平面内测量两个正交的分量方向图；11.改变频率重复上述测试过程。(3)方向图自动测量系统为了使测量方向图的速度加快，人们迫切希望测量系统自动化；另一方面，现代先进的天线测试系统都具有这些功能，这里介绍一些基本、实用的知识。方向图自动测量系统的方框图。方向图自动测量系统一般分为闭环自动测量系统和开环自动测量系统，各有特点，现分别加以介绍。1)开环自动测量系统方框图图2-8 方向

44、图自动测量系统的方框图工作原理首先计算机通过IEEE488接口（仪器与计算机的标准接口）完成对发射源的频率、输出功率、工作模式等参数的设置，发射源通过发射天线发射电磁波，接收天线由计算机控制转角增量进行转动，同时接收机把每个角度接收的信号电平经过检波送给计算机，计算机通过模数转换（A/D）而得到数字信号，通过软件编程，可以实时高速的获得天线远区方向图，并可以对方向图参数进行实时的分析、显示、打印。其优点为能够实时、快速的测量；造价低廉，控制模型简单。其缺点是：系统不能自动修正控制角的误差，因此，控制精度只能做到十秒数量级（考虑转台的转速比）；控制速度不太高，测量速度大约在0.3转/分左右，若要

45、提高定位精度则对机械加工精度要求苛刻。伺服电机常选用步进电机。2)闭环自动方向图测量系统在开环测量系统中加上位置反馈环节（如图2-8中虚线）就构成了闭环自动测量系统。这种系统的优点是速度快，转速大约可做到6转/分，精度可做到0.1秒数量级。这样可适当放松对机械精度的苛刻要求。缺点是造价高，控制模型较为复杂（工程中常用PID算法）。反馈环节常用光电编码器，圆同步感应器等传感器作为角度的反馈元件。电机大都采用交流伺服电机。(4)平面辐射测量的原理示意图图2-9给出了平面辐射测量的计算流程图和测量示意图。探头的空间谱函数测量数据（幅度、相位）由傅里叶变换求得空间谱被测天线空间谱函数修正被测天线的远区

46、特征（a）平面辐射测量的计算流程图 （b）平面辐射测量的测量示意图图2-9 平面辐射测量的原理示意图第三章 软件系统设计3.1 人机界面设计3.1.1 信息产品的人机界面信息时代，在满足了物质需求的情况下，人们追求自身个性的发展和情感诉求，设计必须要着重对人的情感需求进行考虑。设计因素复杂化导致设计评价标准困难化、个性化的设计作品能否被消费者所认同？新产品开发能不能被市场所接受？目前，我国大部分企业实力还并不强大，在设计开发失利承受力还不很强的情况下，如何系统地、有根据地认识、评价设计，使其符合市场，就需要对设计因素再认识。利用界面分析法，正是使设计因素条理化，避免片面地将人作为“生物人”，走

47、出笼统地说“设计=科学十艺术”的误区。对许多微电子产品而言，由于功能的执行不再是传统的可感知方式，而是电子的无形运作，造成了产品外观形式无法解释和表达其内部功能及使用状态，于是在使用者与产品之间构筑了所谓用户界面，籍以实现人机之间的沟通和交流，如图3-1所示。图3-1 信息产品人机界面人机界面(Human-Machine Interface)是人与机器进行交互的操作方式，即用户与机器互相传递信息的媒介，其中包括信息的输人和输出。好的人机界面美观易懂、操作简单且具有引导功能，使用户感觉愉快、兴趣增强，从而提高使用效率。界面可分为硬界面和软界面，也可分为广义的和狭义的人机界面。广义界面指人与机之间

48、存在一个相互作用的媒介，人通过视觉和听觉等感官接受来自机器的信息，经过脑的加工、决策，然后做出反应，实现人机的信息传递。我们可以把人机界面看作一个有着交互的系统，在分析人机界面系统模型时，建立并分析人的行为模型，从而建立并设计人机界面。可见研究人机界面就是研究机器怎样适应人的有效工作的问题.狭义界面指计算机系统中的人机界面，即所谓的软界面.人机界面(Human-Computer Interface)，又称人机接口、用户界面(User Interface)、人机交互(Human-Computer Interaction)。软界面是人计算机之间的信息交流界面。人机界面的设计直接关系到人机关系的和谐

49、和人在工作中的主体地位，以及整个计算机系统的可使用性和效率。它是计算机科学中最年轻的分支学科之一，是计算机科学和认知心理学两大学科相结合的产物，是一门交叉、边缘、综合性的学科。3.1.2 人机界面分析在产品人机界面设计，特别是信息产品人机界面设计时，我们一般把认识或者操作一个产品分为6个过程即:感知、认知、选择新的意向、产生意向、计划、动作的实施，如图3-2所示。图3-2 人操作产品的认知过程信息产品的出现给界面设计带来许多新的课题，界面设计不再以传统产品设计中的形式与功能之争为主要矛盾，而是将设计看成实现人机信息交流的过程.这种观点更加深刻，更易于解释先前的设计现象。(1)信息产品任务分析对

50、于传统的产品，哪些工作由人完成，哪些工作由机器完成，我们凭借经验和实验，一般比较容易分配。对于信息产品，许多操作只能通过按钮来完成，而不是传统的手柄、转轮.我们必须充分考虑人的认知习惯，充分考虑人和产品的合理分工，使产品设计符合人的操作习惯和认知习惯。(2)使用环境的分析环境条件是影响人机关系的外界因素，如产品的使用场所、气候、季节、时间等.因为使用环境不同，使用的条件就不同.例如，家用电话和公用电话因为使用环境不同，设计要求也不一样。(3)使用者的分析使用者的分析主要包括：使用对象、使用者生理状态和条件以及使用者行为方式等的分析。因为使用对象不同，操作的尺寸、用力大小、对色彩的喜好等就不一样

51、。在人机分工时，要根据使用者的生理状态和工作时的状态确定任务分析。使用行为是由于年龄、性别、地区、种族、职业、生活习性、受教育程度等原因形成的动作习惯。(4)使用过程的分析使用过程分析是一项深人细致的工作一些产品中人机问题不是靠常识可发现的，甚至短时间使用也体会不到。因此必须对使用过程进行认真分析。3.1.3人机界面设计(1)人机界面的功能性设计界面设计首先要实现界面最基本的使用功能。功能性设计主要是界面的显示设计和控制设计。产品界面的信息交流主要通过显示和控制来实现。显示的信息要符合使用者接受的感觉通道，并且选择最适合的显示方式；控制设计要符合使用者的操作习惯，使用户能够很容易地进行产品的控

52、制。(2)人机界面的认知性设计产品的操作界面，按钮、图标以及其他功能键的设计要符合用户的认知习惯，这在信息产品设计中尤其显得重要.用户使用产品时尽量使他们不需要通过太多的学习，通过按钮的形态、色彩以及上面的图标就可以进行操作.同样，信息产品的软件界面的设计也必须符合用户的认知习惯，用户不需要太多依靠说明书，根据界面的引导或者图标的含义就可以自然地进行操作。(3)整体性设计界面既是作为产品与人接触的主要部分，又是产品的一部分，同时也是使用环境的一部分，必须对产品进行整体性设计，统一设计风格。这样的产品才是一个统一的整体。3.2 误差测量软件研制误差测量软件研制主要涉及到误差评定技术和软件设计两个

53、方面。3.2.1 误差评定技术抛物面的误差测量是个复杂的系统工程，它涉及测点布置方法、测点数据与误差关系、螺旋曲面数拟合等诸多方面。(1)测点布置方法、测点数量与误差的关系测点越多，测量精度越高。但统计学理论表明当测点达到一定数量时，再多的测点数量对测量的精度提高并不大，反而会降低测量效率。所以，测点的布置方法、测点数量与误差的关系一直是研究重点之一。研究表明对不同的测量对象没有统一的测点布置方法、数量与误差关系可遵循。 我们对抛物面的测量方法进行了专门研究。其中有些文献研究了随机布置测点、测量点数与误差关系，有些文献研究了片区扫描的方法及其误差处理问题。考虑到软件应用的灵活性和大部分三坐标测

54、量机具备的自动扫描功能，软件设计时将随机布置测点和片区扫描方法作为可选功能。(2)抛物曲面拟合抛物曲面的拟合一直是曲面重构等方面研究的主要内容之一，大多针对自由曲面利用最小二乘法和NURBS(非均匀有理B样条)法进行拟合，关于螺旋曲面的拟合技术研究较少。相关文献分别用这两种方法研究了抛物曲面的拟合问题。两种方法各有优点，故在软件设计时将这两种方法作为可选功能。(3)抛物面的标准模型及标准参数除了取得实际抛物面的测量及曲面拟合关系外，还应知道理论数学模型和标准参数才能进行误差评定。近年来，对抛物面的标准数学模型有了一些研究成果，设计软件时可以直接采用，标准参数及其数值序列有一系列的国家标准或行业

55、标准可以采纳。(4)拟合曲面与标准模型的匹配通常抛物面的标准模型建立在一定的坐标系下，坐标系的纵轴是抛物面的中心线，抛物面的起点选在坐标原点。但实际测量中很难实现测量坐标系和标准坐标系一致，从而导致拟合曲面模型和标准模型不一致，二者之间可以通过坐标转换方式实现匹配。(5)误差评定从原理上讲，抛物面可以有多种描述方式，对其误差评定参数自然也有多种。有些从抛物面特征线角度进行评定和研究；有些文献从曲面误差评定的角度进行了研究；相关文献介绍了抛物线测量及轮廓曲线测量的处理与简单分析方法；对特征线及螺旋曲面的误差评定均进行了研究。考虑到软件的广泛适用性，这两种方法均作为备选功能。可见，通过对螺旋曲面误

56、差评定的研究，具备了设计抛物面误差测量软件的条件。3.2.2 误差测量软件系统研制(1)软件的功能规划为了适应人本的社会环境，软件不但要功能完善，还应做到界面友好。该软件设计具备数据的输入、处理、输出等功能，并全面考虑软件的兼容性和软件系统鲁棒性。为了使相关业内人士容易接受和使用，在数据输入装置、数据输入格式、数据输出装置、数据输出格式等方面大多从应用情况进行规划。(2)软件工具选择软件开发工具不但应具有所需要的功能，还应考虑系统鲁棒性、可扩展性、兼容性等方面。本软件用VB 60作为程序开发平台，三维图形算法用OpenGL实现，数据库利用SQL Server 2000制作。VB 60是微软公司

57、开发的可视化编程环境，与Windows系列操作系统具有天然的亲和性。VB 60集成开发环境是软件开发的首选工具。OpenGL是一开放的三维图形和模型库软件包，利用它开发的应用程序可以十分方便地在各种平台问移植；可以与VB 6.0紧密接口，便于实现正确和可靠的图形算法；使用简便，效率高。主要使用的OpenGL功能如表3-1所示。表3-1 OpenGL中主要用到的功能功 能描 述建 模提供了点、线、多边形、复杂三维物体(多面体等)、复杂曲线和曲面(如Bezier、Nurbs)绘制函数。变 换基本变换(平移、旋转、变比、镜像四种)和投影变换(平行投影和透视投影两种)。颜色模式RGBA模式和颜色索引。

58、位图显示和增强图像拷贝、像素读写、融合、反走样和雾特效处理。SQL Server 2000是微软公司的产品，与Windows操作系统、Visual Basic 6O有良好的兼容性。除了具备一般数据库的功能及扩展性和可靠性外，Server2000还可以直接存贮和输出XML数据，为面向互联网的应用和服务奠定了基础；Server 2000的OLAP(联机分析处理)功能，可以通过多维存储技术对大型、复杂数据集执行快速、高级的分析工作。利用VB 6.0、OpenGL和SQL Server 2000编制抛物面误差评定软件不但能够实现所需要的功能，同时也有利于保证评定软件的鲁棒性和良好的可扩展性。(3)软件

59、系统流程图抛物面误差测量软件流程图如图2所示。图3-3 软件系统流程图从图中可以看出，该软件综合利用了各项研究成果。考虑到螺旋曲面误差评定的复杂性，加入了“人为干预”功能对数据(以数据和曲线图形式)进行人为观察，以便对异常数据迅速寻找原因进行处理。3.2.3 系统设计简图如下132图3-4 系统设计简图备注：1滚珠丝杠；2激光传感器；3旋转台； 3.3 检测及校准方法简易检测及校准法是通过模板对旋转抛物面天线规度进行检测和校准的，其具体方法步骤如下：(1)由旋转抛物面天线尺寸求出焦距。设天线口径为D，深度为H，焦距为f，可通过实测取得D与H的尺寸数据值，然后通过下面公式计算求得焦距值，计算公式

60、为： 抛物面的切面单位法向量为： （3-1）当有制造误差时，入射激光则会在交点处的实际切面进行反射，图中以虚线表示。假定实际切面单位法向量为(l，m ，n )，同理想切面单位法向量的夹角作为抛物面误差的考核度量，其值为： （3-2）激光入射位置和方向的分布均由概率模型确定，入射位置的概率模型为： （3-3）在 =16 的光锥内，各方向的激光定向辐射照度相同，方向模型的概率表达式为： （3-4）则入射激光方向的向量(i，j，k)表示为： （3-5） (2)在模型板上绘出旋转抛物面的母线(即抛物线)。模型板为一平面板，要求有一定厚度、硬度、结实、不易变形.绘制抛物线可根据所求得的焦距H值通过工具作

61、图法实现，亦可由f值写出抛物线方程，通过方程做出抛物线。(3)根据旋转抛物面激光探头深度值 ，在抛物线上做垂直于对称轴的直线，使抛物线顶点到直线的距离等于H，抛物线与直线所围成的图形称作抛物平面。(4)沿抛物平面边线裁割得到抛物平面板，称作抛物平面模板，由于模型板具有一定厚度，故需将抛物平面模板的抛物曲线部分两面的两条棱线打掉并处理使之圆滑。(5)将处理后的抛物平面模板放人要检测的旋转抛物面天线当中，并转动旋转工作台。对于标准和规则的旋转抛物面天线，无论模板转到任何位置，模板的抛物曲线部分必与“锅面”完全吻合，模板的直线部分必在天线口径平面内。根据上述特点即可判断旋转抛物面天线的实际误差值。(

62、6)对变形而不标准的薄板型“锅面”，在检测规度的过程中，可通过外力使“锅面”与模板相吻合而得到校准。3.4 均方根误差的计算3.4.1 旋转抛物面模型抛物面标准模型的数学方程为： （3-6）抛物面误差和反射如图3-5所示，假设实际与理想的切面单位法向量之间夹角的最大值为，在此最大角度误差内均匀分布。因此以理想切面单位法向量(0X,0Y,0Z)为坐标系的实际切面法向量的概率模型表达式为： （3-7）图3-5 旋转抛物面的反射切面3.4.2 软件的计算方法变形反射面的均方根误差是衡量天线结构设计成败的主要依据，其数值必须小于规定值。天线结构设计人员利用软件后处理中的数据运算功能计算反射面均方根误差，从而判断设计结构能否满足要求在有限元分析软件A