近远场测量控制系统的研制

一、 近场测量概念及测量对控制系统的要求
近场测量是IEEE协会规定的标准测量方法，该方法因其自身的优点在现代天线测量中得到了日益广泛的应用。由于测量在近区进行，天线的远区辐射特性需经过严格的数学变换得到，所有的测量误差都可以看成近场幅度和相位的误差[1]。而探头和被测天线的定位误差是影响测量精度的主要因素之一。因而对控制探头移动的取样架和控制待测天线定位的转台提出了较高的定位精度要求。该要求接近于ISO规定的加工中心定位精度标准。（半闭环数控：分辨率1μm，定位精度7μm/300mm，重复定位精度4μm）。立柱式近远场测量系统以PMAC（Programmable Multiple Axes Controller）可编程多轴控制器为CNC模块，实现了探头水平、垂直、伸缩、极化和转台方位、俯仰、天线极化共七轴的伺服驱动和精确定位。
二、 系统硬件组成
近场测量系统是计算机与信息处理技术、自动控制技术、微波测量技术和机械技术等多学科领域交叉的技术密集型系统工程。硬件部分由微波测量、伺服驱动和机械（取样架及转台）子系统组成。系统组成见图1。
1． 机械子系统
近场测量对取样架和转台设计要求具有高定位精度和良好的动态响应特性，即响应快且稳定性好。因此我们在设计中提出无间隙、低摩擦、低惯量、高刚度、高谐振频率等要求，具体实现措施为：
* 采用低摩擦阻力的传动部件和导向部件。如X，Y，Z向的滚珠丝杠副和滚动直线导轨；
* 缩短传动链，提高传动与支撑刚度。如用加预紧的方法提高滚珠丝杠副和滚动直线导轨副的传动与支撑刚度；采用大扭矩的交流伺服电机直接与丝杠连接以减少中间传动机构；
* 采用消隙齿轮，缩小反向误差。
2． 伺服驱动
伺服驱动部分采用松下A系列交流伺服电机和驱动器，具有功率密度大、快速性好、位置控制精度高、可靠性高、寿命长等优点。
3． RF部分
从RF信号源发出的射频能量通过低耗电缆送到待测天线，并用定向耦合器从信号输出口耦合出一小部分功率送到幅相接收机作为幅度和相位的基准信号。而待测天线辐射的一小部分功率被校准过的探头天线接受，并由低耗电缆送至接收机。
Anritsu 37100C系列微波矢量网络分析仪，具有很强的灵活性，能满足大多数接收机测量的要求。它除了具有测量4个S参数的能力外，还在接收机的前端增加了一个反射计，37147C覆盖的频率范围是22.5MHz到20GHz。新一代的VNA增加了一个高速处理器，并具有快速功率扫描功能。使用37147C的快速CW方式，通过GPIB告诉获取数据，能提高远场测量能力。采用内部触发能实现0.8ms/点，采用外部触发能实现1.2ms/点，采用GPIB触发能实现1.5ms/点。
对于近场测量，采用了内部缓冲器数据采集。它能从多扫描中存储工作信道的测量数据，而不必等到每个扫描结束的时候再进行同步和采集数据。37147C最多能存储50000个测试数据点，每个点包含IEEE754的4个字节浮点数字的实部和虚部。
表1给除了37147C网络分析仪的动态范围。
表1 37147C网络分析仪的动态范围
型号频率(GHz)到ax,bx的最大信号(dBm)噪声门限(dBm)接收机动态范围(dB)信号源功率(dBm,典型)
37147C0.0225-18-122104102-12-10694820-12-103915
4． 控制系统
计算机通过PC-PMAC多轴控制器来控制伺服电机的定位。GPIB接口板用于PC与RF设备之间的通讯。PC-PMAC多轴控制器完成两个基本功能：1）给接收机发TTL触发脉冲，通知它进行采样测量。该功能由采样程序自动设置。2）控制扫描架和天线转台的运动。根据不同的测量目的，该功能要求输入相应的测试参数。
PMAC多轴控制器采用开放式结构，允许用户通过参数设置来改变运动控制行为。系统采用半闭环方式，根据输入的位置误差由PID参数、速度前馈、加速度前馈、摩擦前馈增益等参数来确定输出控制信号。由于不适当的参数会造成系统的不稳定和机械振动，因此参数整定时应按一定的步骤和原则进行。
控制软件能够支持PC与RF设备之间的GPIB通讯和数据传输。当探头天线位于测量网格点上或扫频方式中不同频点建立时，接收机被触发。在采样位置上PMAC多轴控制器通过设置输出变量来产生触发脉冲。探头天线的运动轨迹和采样点位置由测试参数决定。
三、 工作原理
1． 半闭环
取样架和转台的伺服驱动是按闭环反馈方式工作的，采用交流伺服电机驱动，同时配有速度反馈和位置反馈。扫描中随时检测取样架/转台的实际位置，并及时反馈给控制卡中的比较器，将其与插补运算所得的指令位置相比较，它们的差值作为控制信号驱动取样架/转台运动，来消除位置误差。
作为位置检测部件的增量式旋转编码器安装在伺服电机的轴端，因而系统是半闭环的。由于大部分机械传动环节未包括在环路内，因此可获得较稳定的控制特性。尽管丝杠和齿轮的传动误差不能通过反馈得到及时校正，但可采用软件定位补偿的方法来适当提高精度。以X轴为例给出半闭环控制系统框图，见图2。
探头的定位精度和速度是近场测量系统的两个重要指标，它们直接关系到采样数据的可靠性和准确性，以及系统的工作效率。因而系统设计时对各轴的定位精度和位移速度提出了较高的要求。为使探头在连续运动中能在精确的网格位置上采样，系统采取的主要措施有：
* 数控选用PMAC可编程多轴控制器，可是实现8轴联动。每轴的伺服更新周期30μs，保证控制器的处理能力和轨迹特性。
* 伺服驱动采用"伺服电机+滚珠丝杠+直线滚动导轨"的运动机构，保证了系统的机械传动精度和工作稳定性。
* 前馈控制技术的使用克服了指令位置与实际位置间的跟随误差。
* 软件控制的速度环和位置环，提高了系统的柔性。
* 高分辨率的位置检测装置保证了系统的定位精度。电机轴端安装的旋转编码器为2500p/rev，控制卡对其进行四倍频处理。
* 补偿技术：为提高探头的位置精度和动态伺服性能，采用了轴向运动定点误差补偿、丝杠螺距误差补偿、间隙补偿等方法。
* 采用位置捕捉功能，确保了采样点触发的准确性。位置捕捉功能在一个外部事件进入一个特殊寄存器时，锁住当前的编码器位置。它完全由硬件执行，无须软件干预，这意味着唯一的延迟来自于硬件门的延迟，在任何机械系统中均可忽视，因而提供了非常精确的位置捕捉。
2． PID调节
PMAC自动闭合所有活动电机的的数字伺服环，伺服环产生一个使电机的实际位置逼近目标位置的输出。它的效果依靠伺服环滤波器来调节参数的设置和被控对象的动力学性能。滤波器通过设置每个电机的I变量来调节输出量。其中比例增益提供系统的硬度，微分增益提供稳定需要的阻尼，积分增益消除稳态误差，速度前馈增益减小由于阻尼引入的跟随误差，加速度增益减小或消除由于系统惯性带来的跟随误差。PID数字滤波器见图3。
参数整调时我们希望电机轴对阶跃响应的上升时间和建立时间尽可能地快，并且不引起超调。通常参数之间具有一定的平衡关系，尤其是快速响应与低超调之间。如果放大器带有指示器，则其自身提供了一个阻尼。当放大器调整较好时，数字滤波器中可以不加微分阻尼。PMAC设有积分控制开关，当Ix34=0时，在整个运动过
图3
程中都引入积分增益；当Ix34=1时，仅在运动停止时引入积分增益。两种情况的实际运动情况将截然不同。Ix34=0时，将减小运动过程中的跟随误差，但会影响系统的稳定性，并在运动结束时引入超调，对于没有前馈的系统这一代价是值得的，但PMAC的速度和加速度前馈减小了跟随误差，因此通常设定Ix34=1，用以减小停止时由于静摩擦和负载扭矩造成的静态误差。
滤波器输出式中Kp位于最外层，它的改变同时影响微分和积分增益，如果想保持增益为常数，应反方向改变Kd和Ki。有些系统中电机与负载的耦合会引起谐振，PID滤波器不能对此进行补偿。只有通过降低增益和增加连接刚度加以克服。图4为X轴的阶跃响应曲线和跟随误差调整曲线。
四、 软件设计
控制软件包括对PMAC多轴可编程卡和IEEE488接口卡的控制，并由此实现取样架和转台的闭环控制及网络分析仪的设定和采样。软件功能模块包括：文件管理、各轴定位、预测试、近远场测试、仪器控制及帮助等功能。主界面上同时设有快捷键，用户可以通过点击快捷键调用相应的功能程序。人机接口为Windows98界面。主界面显示的同时在数显上给出各轴的位置信息。
1． 文件管理
该功能模块完成数据文件的建立、编辑和打印。其中包括写字板、新建文件、打开文件、保存文件、换名另存、文件删除、文件关闭、打印机设置、打印及退出等功能。
2． 定位功能
该功能完成探头和待测天线各轴的驱动定位。通过选择运动方向和控制方式来控制各轴的运动，并实时显示各轴的当前位置。连续运动通过给出位移量，对给定轴进行精确定位；人工定位时，用户根据当前位置显示按停止键终止运动。注意命令的响应有一定的延迟，运动速度较快时，应提前发终止命令，以免发生超界现象。各轴的最高运动速度均由程序设定了上限值；步进移动对给定轴在选择运动放向后按一定的步距移动，步距缺省值为1mm，用户也可以选择步进增量移动方式。
注意：在正式测量前X,Y,Z轴最好先进行回零。因为机械位置误差的补偿是以零位为基准的，同时软件的行程限位也是相对于零位的。
3． 预测试
通过沿水平或垂直方向扫描待测天线的中心行所获幅相数据来判断天线的安装是否满足测试要求。由相位数据可判断探头扫描面是否与天线口径面平行，同时根据幅度数据可确定扫描面的大小及起点位置。
4． 测试功能
该功能包括天线的近场测试和远场测试。在近场测试前应先执行预扫描，以调整天线口径面与探头扫描面平行，并确定扫描面积和起点。而远场调整时，应将探头对准天线口径中心。
* 平面近场扫描
用户通过设置测试轨迹（水平或垂直扫描）、采样方式（单向或双向）、极化方向、测试参数设置（频率、行数、行间距、行点数、点间距）等参数来设计测量。为了校正接收机由于长时间测量所造成的幅度相位漂移设计了Tie扫描功能。同时还具有速度设定、显示参数设定和实时显示等功能。
* 远场测量
用于口径较小天线的暗室远场测量。用户通过设置频率、方位角、角增量等参数来设计测量。同时可通过显示参数的设定，选择对数直角坐标或对数极坐标格式实时显示测量的幅度数据。改变参考电平和刻度能够改变曲线的显示效果。曲线的位置是根据参考电平大小改变的，而刻度决定了幅度的显示范围。用户可根据实测幅度值调整参考电平和刻度来获得最佳显示效果。图形编辑功能对所测远场数据曲线，给出标题注释，并通过移动光标加注标记。程序能自动计算波束的半功率角和第一副瓣的位置。
5．仪器控制
该部分将仪器通过远程控制实现了仪器的虚拟。程序模拟VNA37147的面板功能，用户可完成仪器的仿真操作。对于熟悉仪器操作和控制指令的用户则可通过控制示例直接对仪器进行控制。该功能为开发人员提供了一简洁的调试环境。
五、 系统性能指标
西安电子科技大学为信息产业部长岭机器厂研制的近远场综合测试系统，扫描架主要精度指标见表1。系统调试中采用Hp5525A双频激光测量仪对各轴定位精度、重复定位精度和直线度进行检测，然后采用轴向定点误差补偿、丝杠螺距误差补偿、间隙补偿等方法，提高了系统精度。
表1 轴定位精度
驱动轴全程累积误差
（mm）重复定位精度
（mm）直线度
（mm）最大运动速度
（mm/s）X(4.5m)设计0.10.030.0480实测0.0570.0140.04100Y(3.6m)设计0.10.030.05100实测0.050.0090.03100Z(0.3m)设计0.10.030.0230实测0.0780.0290.0250
对平面近场扫描而言，Z向的机械误差等同于待测天线的相位误差，其影响大小取决于待测天线和误差校正方法。研究表明对于窄波束天线，X和Y向误差只影响副瓣区域且其影响仅为Z向的1/10[2]。实测表明系统具有很好的重复性，图5给出了320×320波导缝隙阵两次远场扫描的方向图重复性。
六、 结论
一种新型、快速、高精度的近远场综合测试系统已在信息产业部长岭机器厂建成，该系统完全达到了设计指标。其机械精度优于设计要求，表明基于PMAC可编程控制卡的系统控制方案的可行性和优越性。系统具有良好的推广价值。
图5
参考文献
1． PMAC2 user's manual， Delta Tau Data Systems Inc.,1988,4.
2． PMAC and PMAC2 software reference manual, Delta Tau Data Systems Inc.,1988,4.
3． 天线测量手册,毛乃宏,
4． Anritsu 电子测量仪器产品手册，2001