專(zhuān)利名稱(chēng)：Wi-Fi波段天線方向圖測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及天線及微波射頻電路領(lǐng)域，特別涉及一種Wi-Fi波段天線方向圖測(cè)量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，伴隨著人們對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越多的依賴(lài)以及對(duì)高速網(wǎng)絡(luò)無(wú)止境的追求， 如何設(shè)計(jì)一個(gè)工作在Wi-Fi波段的高性能天線已經(jīng)成為工程界的研究熱點(diǎn)，越來(lái)越多的小型無(wú)線設(shè)備生產(chǎn)廠家投入到這一研究行列中。雖然一些生產(chǎn)商利用成熟的仿真軟件已經(jīng)具備了一定的研發(fā)實(shí)力，但是由于建立一整套天線方向圖測(cè)量系統(tǒng)代價(jià)太高，因此在一定程度上限制了其發(fā)展。

實(shí)用新型內(nèi)容實(shí)用新型目的針對(duì)上述現(xiàn)有存在的問(wèn)題和不足，本實(shí)用新型的目的是提供一種價(jià)格低廉的Wi-Fi波段天線方向圖測(cè)量系統(tǒng)。技術(shù)方案為實(shí)現(xiàn)上述實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案為一種Wi-Fi 波段天線方向圖測(cè)量系統(tǒng)，包括微處理器、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和天線位置控制裝置；其中所述發(fā)射機(jī)包括依次連接的信號(hào)源、水平/垂直選擇開(kāi)關(guān)和第一天線，所述微處理器分別連接所述信號(hào)源和水平/垂直選擇開(kāi)關(guān)；所述接收機(jī)包括依次連接的第二天線、檢波器和放大器，其中第二天線固定在所述天線位置控制裝置上，所述微處理器分別連接天線位置控制裝置和放大器。所述天線位置控制裝置可包括第一步進(jìn)電機(jī)和第二步進(jìn)電機(jī)，所述第一步進(jìn)電機(jī)固定在第二步進(jìn)電機(jī)上，第二天線固定在所述第一步進(jìn)電機(jī)上，第二步進(jìn)電機(jī)在水平面上 360°的旋轉(zhuǎn)，第一步進(jìn)電機(jī)從上到下180°旋轉(zhuǎn)，輔以電腦編程控制(如圖3所示)，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，將接收通道打開(kāi)，存入數(shù)據(jù)，待所有數(shù)據(jù)測(cè)試完畢后，通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)處理，得到天線的方向圖及增益。所述第一天線可為維瓦爾第(Vivaldi)天線(參考201110054862. 9)。所述第二天線可為標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線。還可包括連接所述信號(hào)源的FPGA (Field-Programmable Gate Array，現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列)芯片。該FPGA芯片可產(chǎn)生信號(hào)源所需用的控制字，從而控制該信號(hào)源產(chǎn)生頻率范圍在2050MHz M50MHz之間、幅度在-13 _3dBm之間連續(xù)可調(diào)的射頻信號(hào)；其中當(dāng)頻率在2. 4GHz時(shí)，IMHz處的相位噪聲低于-lOOdBc/Hz，利用具有高定向性的基于新型人工電磁材料的Vivaldi天線(如圖2所示)發(fā)射該信號(hào)；數(shù)字控制部分利用兩個(gè)旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)，輔以電腦編程控制(如圖3所示)，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，將接收通道打開(kāi)，存入數(shù)據(jù)，待所有數(shù)據(jù)測(cè)試完畢后，通過(guò)簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)處理，得到天線的方向圖及增益。所述檢波器可為二極管，所述放大器可為直流放大器。還可包括分別連接所述第二天線和二極管的微波放大器。所述二極管可為肖特基二極管。所述微處理器可設(shè)有模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，該模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的采樣口連接放大器。本實(shí)用新型為了簡(jiǎn)化接收機(jī)結(jié)構(gòu)，采用了直接檢波的形式，利用肖特基二極管的高靈敏度，將射頻信號(hào)直接檢波成直流信號(hào)。為了使接收機(jī)具有最大的動(dòng)態(tài)范圍，輔助設(shè)計(jì)了前級(jí)的微波放大器和后級(jí)的直流放大電路，通過(guò)控制放大倍數(shù)，使最終處理后的信號(hào)能夠在最大程度上覆蓋AD(模數(shù))采樣范圍。以Visual Basic為基礎(chǔ)，通過(guò)編制工程文件，控制串口發(fā)送指令，進(jìn)而控制步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行和模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC, Analog-to-Digital Converter)。 所述微處理器還可連接顯示模塊，用于顯示輸出的天線方向圖。有益效果1、本實(shí)用新型測(cè)量精確度較高。與目前成熟的商用天線測(cè)量系統(tǒng)相比， 對(duì)同一個(gè)天線的增益以及方向圖上各點(diǎn)測(cè)量的平均誤差小于ldB，測(cè)量的結(jié)果可信。2、本實(shí)用新型操作方便。目前成熟的商用天線測(cè)量系統(tǒng)非常復(fù)雜。同時(shí)，若測(cè)完后懷疑其中有一個(gè)點(diǎn)測(cè)錯(cuò)，需要對(duì)所有的點(diǎn)進(jìn)行重新測(cè)量。本實(shí)用新型提供了手動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)測(cè)量?jī)煞N工作模式，如果發(fā)現(xiàn)其中某點(diǎn)有問(wèn)題，直接輸入該點(diǎn)的坐標(biāo)，將天線運(yùn)行到該點(diǎn)就可以方便的重新測(cè)量。不僅如此，由于在數(shù)字設(shè)計(jì)部分中增加了設(shè)置每次步進(jìn)角度的功能，步進(jìn)電機(jī)能夠以不同的速度對(duì)全空間進(jìn)行掃描。在天線的主瓣尤其是主瓣邊緣可以進(jìn)行細(xì)掃，而在天線的副瓣、或精度要求不高的情況下，可以增大掃描的步進(jìn)角，縮短測(cè)試時(shí)間。3、本實(shí)用新型價(jià)格低廉。目前成熟的天線測(cè)試系統(tǒng)價(jià)格都在幾十萬(wàn)元人民幣，但是由于本實(shí)用新型將天線測(cè)量的頻段定在了 Wi-Fi波段，對(duì)于該頻段本實(shí)用新型在設(shè)計(jì)上做出了很大的簡(jiǎn)化。因此，如果以后批量生產(chǎn)此系統(tǒng)，價(jià)格會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前成熟的商用測(cè)試平臺(tái)，非常適合小型無(wú)線設(shè)備廠商使用。4、本實(shí)用新型重量輕，易于加工。整個(gè)系統(tǒng)的主體是由三塊PCB板組成， 因此可以集成在一個(gè)小盒子里，與傳統(tǒng)的商用天線測(cè)試系統(tǒng)中的復(fù)雜的信號(hào)源、接收機(jī)、數(shù)字控制部分相比，重量要輕得多，加工難度上也大大簡(jiǎn)化。

圖1為本實(shí)用新型的整體框圖；圖2是Vivaldi天線的示意圖；圖3是本實(shí)用新型中使用的軟件控制界面；圖4是接收機(jī)性能的實(shí)測(cè)圖；圖5是利用本實(shí)用新型和目前商用的天線方向圖測(cè)量系統(tǒng)分別測(cè)得的標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線在頻率為2. 4GHz時(shí)的遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本實(shí)用新型，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說(shuō)明本實(shí)用新型而不用于限制本實(shí)用新型的范圍，在閱讀了本實(shí)用新型之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本實(shí)用新型的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定的范圍。本實(shí)用新型Wi-Fi波段天線方向圖測(cè)量系統(tǒng)，采用遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試的方法，利用基于新型人工電磁材料的Vivaldi天線作為發(fā)射，在接收機(jī)部分采用二極管直接檢波的形式，系統(tǒng)的主體框架如圖1所示(圖中的待測(cè)天線為標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線，即為權(quán)利要求書(shū)和說(shuō)明書(shū)實(shí)用新型內(nèi)容部分的“第二天線”)。系統(tǒng)工作時(shí)，首先由微處理器發(fā)出一個(gè)模式選擇信號(hào)給水平垂直開(kāi)關(guān)，以此來(lái)選擇發(fā)射天線的極化方式。選擇完畢后，微處理器會(huì)產(chǎn)生:3bit的串行碼給FPGA芯片(圖中未示出)，用于產(chǎn)生控制信號(hào)源發(fā)射功率和頻率的控制字，F(xiàn)PGA將發(fā)射功率和頻率的控制字傳輸給信號(hào)源，信號(hào)源產(chǎn)生2. 4GHz的射頻信號(hào)。通過(guò)頻譜儀測(cè)量并計(jì)算修正得到該信號(hào)源在發(fā)射頻率為2. 4GHz時(shí)，IMHz處的相位噪聲為_(kāi)112dBc/Hz。當(dāng)從集DDS(直接數(shù)字式頻率合成器(Direct Digital Synthesizer))和 PLL(Phase Locked Loop，鎖相環(huán))一體的芯片ADF4360-1產(chǎn)生出所需要的射頻信號(hào)后， Vivaldi天線將此信號(hào)發(fā)射。利用基于新型人工電磁材料的Vivaldi天線的高定向性(增益15dB，波束寬度25度)，接收機(jī)更容易精確地檢測(cè)所發(fā)射的信號(hào)。由于檢波器檢出的是電壓值，為了能讓檢測(cè)到的電壓值準(zhǔn)確地反映出測(cè)試功率的大小，檢波管必須工作在電壓和功率呈線性關(guān)系的一段。因此，在做測(cè)試之前需要精確計(jì)算并控制發(fā)射天線與接收天線之間的距離。在接收端，利用兩臺(tái)簡(jiǎn)易的步進(jìn)電機(jī)交錯(cuò)運(yùn)行，在全空間測(cè)量天線的方向圖和增益。由Visual Basic編寫(xiě)的電機(jī)控制程序在微處理器中運(yùn)行，分為手動(dòng)和自動(dòng)模式。在自動(dòng)模式下，可以對(duì)三維空間以一定的步進(jìn)角逐一測(cè)試，而手動(dòng)模式是對(duì)自動(dòng)模式測(cè)量結(jié)果很好的修正，如果經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理，發(fā)現(xiàn)少數(shù)點(diǎn)的結(jié)果明顯偏離整體的走勢(shì)，可以輸入該點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行重測(cè)。電機(jī)每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度，微處理器中的ADC打開(kāi)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。接收機(jī)部分的設(shè)計(jì)是以直流檢波二極管HSMS2860為核心，輔以微波放大器(圖中未示出)、直流放大器等模塊，將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)變成直流。由于射頻信號(hào)功率較小，二極管工作在小信號(hào)模型，因此檢波是以平方律的形式進(jìn)行的，檢出的電壓值正比于射頻輸入功率。圖4顯示了整個(gè)接收機(jī)的性能，由于AD采樣的中心電平為2. 5V的緣故，實(shí)際采樣的結(jié)果應(yīng)該扣除中心電平再進(jìn)行計(jì)算，整個(gè)接收機(jī)的動(dòng)態(tài)范圍大約是25dB，這對(duì)于一般的天線測(cè)試已經(jīng)足夠了。考慮到ADC采樣的動(dòng)態(tài)范圍，在ADC與直流檢波二極管之間加了一級(jí)直流放大器；綜合考慮單電源供電、軌到軌輸入與輸出、以及最大采樣范圍，采用Maxim公司的芯片 MAX4123來(lái)實(shí)現(xiàn)這一功能。在系統(tǒng)中，綜合考慮測(cè)試時(shí)間和測(cè)量精確性的問(wèn)題，所采用的測(cè)試點(diǎn)數(shù)為 24X12X2(水平面以15度為間隔，測(cè)量一圈360度共M個(gè)點(diǎn)；俯仰面測(cè)量從上到下180度共12個(gè)點(diǎn)；考慮水平和垂直極化兩種方式的情況)。為了使最終得到的方向圖平滑，除了測(cè)得點(diǎn)之外，其余點(diǎn)的值采用插值方式獲得。最終將測(cè)得的數(shù)據(jù)傳回微處理器，經(jīng)Matlab處理，畫(huà)出方向圖。利用上面的發(fā)射機(jī)、接收機(jī)模塊對(duì)標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線的方向圖進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖 5所示。將同樣的天線放入目前商用的天線方向圖測(cè)量系統(tǒng)中進(jìn)行對(duì)比測(cè)量，結(jié)果相差 0. 7dB,可以看出，整個(gè)設(shè)計(jì)是令人信服的。
權(quán)利要求1.一種Wi-Fi波段天線方向圖測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于包括微處理器、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和天線位置控制裝置；其中所述發(fā)射機(jī)包括依次連接的信號(hào)源、水平/垂直選擇開(kāi)關(guān)和第一天線，所述微處理器分別連接所述信號(hào)源和水平/垂直選擇開(kāi)關(guān)；所述接收機(jī)包括依次連接的第二天線、檢波器和放大器，其中第二天線固定在所述天線位置控制裝置上，所述微處理器分別連接天線位置控制裝置和放大器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述Wi-Fi波段天線方向圖測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述天線位置控制裝置包括第一步進(jìn)電機(jī)和第二步進(jìn)電機(jī)，所述第一步進(jìn)電機(jī)固定在第二步進(jìn)電機(jī)上， 第二天線固定在所述第一步進(jìn)電機(jī)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述Wi-Fi波段天線方向圖測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述第一天線為維瓦爾第天線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述Wi-Fi波段天線方向圖測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于還包括連接所述信號(hào)源的FPGA芯片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述Wi-Fi波段天線方向圖測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述檢波器為二極管，所述放大器為直流放大器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述Wi-Fi波段天線方向圖測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于還包括分別連接所述第二天線和二極管的微波放大器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述Wi-Fi波段天線方向圖測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述二極管為肖特基二極管。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述Wi-Fi波段天線方向圖測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述微處理器設(shè)有模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，該模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的采樣口連接放大器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述Wi-Fi波段天線方向圖測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述第二天線為標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述Wi-Fi波段天線方向圖測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于所述微處理器還連接顯示模塊。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種Wi-Fi波段天線方向圖測(cè)量系統(tǒng)，包括微處理器、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和天線位置控制裝置；其中所述發(fā)射機(jī)包括依次連接的信號(hào)源、水平/垂直選擇開(kāi)關(guān)和第一天線，所述微處理器分別連接所述信號(hào)源和水平/垂直選擇開(kāi)關(guān)；所述接收機(jī)包括依次連接的第二天線、檢波器和放大器，其中第二天線固定在所述天線位置控制裝置上，所述微處理器分別連接天線位置控制裝置和放大器。本實(shí)用新型Wi-Fi波段天線方向圖測(cè)量系統(tǒng)價(jià)格低廉。
文檔編號(hào)G01R29/10GK202230140SQ20112033289
公開(kāi)日2012年5月23日 申請(qǐng)日期2011年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月6日
發(fā)明者周小陽(yáng), 崔鐵軍, 張同, 楊艷, 程強(qiáng) 申請(qǐng)人:東南大學(xué)