是不是每次測量一個(gè)新的項(xiàng)目前都必須做校準(zhǔn)

　　近場測量是IEEE協(xié)會(huì)規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)測量方法，該方法因其自身的優(yōu)點(diǎn)在現(xiàn)代天線測量中得到了日益廣泛的應(yīng)用。由于測量在近區(qū)進(jìn)行，天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射特性需經(jīng)過嚴(yán)格的數(shù)學(xué)變換得到，所有的測量誤差都可以看成近場幅度和相位的誤差[1]。而探頭和被測天線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定位的轉(zhuǎn)臺提出了較高的定位精度要求。該要求接近于ISO規(guī)定的加工中心定位精度標(biāo)準(zhǔn)。(半閉環(huán)數(shù)控：分辨率1μm，定位精度7μm/300mm，重復(fù)定位精度4μm)。立柱式近遠(yuǎn)場測量系統(tǒng)以PMAC(Programmable Multiple Axes Controller)可編程多軸控制器為CNC模塊，實(shí)現(xiàn)了探頭水平、垂直、伸縮、極化和轉(zhuǎn)臺方位、俯仰、天線極化共七軸的伺服驅(qū)動(dòng)和精確定位。

　　二、 系統(tǒng)硬件組成

　　近場測量系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)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(jī)械技術(shù)等多學(xué)科領(lǐng)域交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程。硬件部分由微波測量、伺服驅(qū)動(dòng)和機(jī)械(取樣架及轉(zhuǎn)臺)子系統(tǒng)組成。

　　1. 機(jī)械子系統(tǒng)

　　近場測量對取樣架和轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)要求具有高定位精度和良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，即響應(yīng)快且穩(wěn)定性好。因此我們在設(shè)計(jì)中提出無間隙、低摩擦、低慣量、高剛度、高諧振頻率等要求，具體實(shí)現(xiàn)措施為：

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

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

　　* 采用消隙齒輪，縮小反向誤差。

　　2. 伺服驅(qū)動(dòng)

　　伺服驅(qū)動(dòng)部分采用松下A系列交流伺服電機(jī)和驅(qū)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、壽命長等優(yōu)點(diǎn)。

　　3. RF部分

　　從RF信號源發(fā)出的射頻能量通過低耗電纜送到待測天線，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(jī)作為幅度和相位的基準(zhǔn)信號。而待測天線輻射的一小部分功率被校準(zhǔn)過的探頭天線接受，并由低耗電纜送至接收機(jī)。

　　Anritsu 37100C系列微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，具有很強(qiáng)的靈活性，能滿足大多數(shù)接收機(jī)測量的要求。它除了具有測量4個(gè)S參數(shù)的能力外，還在接收機(jī)的前端增加了一個(gè)反射計(jì)，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GPIB告訴獲取數(shù)據(jù)，能提高遠(yuǎn)場測量能力。采用內(nèi)部觸發(fā)能實(shí)現(xiàn)0.8ms/點(diǎn)，采用外部觸發(fā)能實(shí)現(xiàn)1.2ms/點(diǎn)，采用GPIB觸發(fā)能實(shí)現(xiàn)1.5ms/點(diǎn)。

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

　　4. 控制系統(tǒng)

　　計(jì)算機(jī)通過PC-PMAC多軸控制器來控制伺服電機(jī)的定位。GPIB接口板用于PC與RF設(shè)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(jī)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(shè)置。2)控制掃描架和天線轉(zhuǎn)臺的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)不同的測量目的，該功能要求輸入相應(yīng)的測試參數(shù)。

　　PMAC多軸控制器采用開放式結(jié)構(gòu)，允許用戶通過參數(shù)設(shè)置來改變運(yùn)動(dòng)控制行為。系統(tǒng)采用半閉環(huán)方式，根據(jù)輸入的位置誤差由PID參數(shù)、速度前饋、加速度前饋、摩擦前饋增益等參數(shù)來確定輸出控制信號。由于不適當(dāng)?shù)膮?shù)會(huì)造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定和機(jī)械振動(dòng)，因此參數(shù)整定時(shí)應(yīng)按一定的步驟和原則進(jìn)行。

　　控制軟件能夠支持PC與RF設(shè)備之間的GPIB通訊和數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)探頭天線位于測量網(wǎng)格點(diǎn)上或掃頻方式中不同頻點(diǎn)建立時(shí)，接收機(jī)被觸發(fā)。在采樣位置上PMAC多軸控制器通過設(shè)置輸出變量來產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。探頭天線的運(yùn)動(dòng)軌跡和采樣點(diǎn)位置由測試參數(shù)決定。

三、 工作原理

　　1. 半閉環(huán)

　　取樣架和轉(zhuǎn)臺的伺服驅(qū)動(dòng)是按閉環(huán)反饋方式工作的，采用交流伺服電機(jī)驅(qū)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(zhuǎn)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(bǔ)運(yùn)算所得的指令位置相比較，它們的差值作為控制信號驅(qū)動(dòng)取樣架/轉(zhuǎn)臺運(yùn)動(dòng)，來消除位置誤差。

　　作為位置檢測部件的增量式旋轉(zhuǎn)編碼器安裝在伺服電機(jī)的軸端，因而系統(tǒng)是半閉環(huán)的。由于大部分機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)未包括在環(huán)路內(nèi)，因此可獲得較穩(wěn)定的控制特性。盡管絲杠和齒輪的傳動(dòng)誤差不能通過反饋得到及時(shí)校正，但可采用軟件定位補(bǔ)償?shù)姆椒▉磉m當(dāng)提高精度。

　　探頭的定位精度和速度是近場測量系統(tǒng)的兩個(gè)重要指標(biāo)，它們直接關(guān)系到采樣數(shù)據(jù)的可靠性和準(zhǔn)確性，以及系統(tǒng)的工作效率。因而系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xù)運(yùn)動(dòng)中能在精確的網(wǎng)格位置上采樣，系統(tǒng)采取的主要措施有：

　　* 數(shù)控選用PMAC可編程多軸控制器，可是實(shí)現(xiàn)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(qū)動(dòng)采用"伺服電機(jī)+滾珠絲杠+直線滾動(dòng)導(dǎo)軌"的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，保證了系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)精度和工作穩(wěn)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(tǒng)的柔性。

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

　　* 補(bǔ)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(yùn)動(dòng)定點(diǎn)誤差補(bǔ)償、絲杠螺距誤差補(bǔ)償、間隙補(bǔ)償?shù)确椒ā?/P>

　　* 采用位置捕捉功能，確保了采樣點(diǎn)觸發(fā)的準(zhǔn)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(dāng)前的編碼器位置。它完全由硬件執(zhí)行，無須軟件干預(yù)，這意味著唯一的延遲來自于硬件門的延遲，在任何機(jī)械系統(tǒng)中均可忽視，因而提供了非常精確的位置捕捉。

　　2. PID調(diào)節(jié)

　　PMAC自動(dòng)閉合所有活動(dòng)電機(jī)的的數(shù)字伺服環(huán)，伺服環(huán)產(chǎn)生一個(gè)使電機(jī)的實(shí)際位置逼近目標(biāo)位置的輸出。它的效果依靠伺服環(huán)濾波器來調(diào)節(jié)參數(shù)的設(shè)置和被控對象的動(dòng)力學(xué)性能。濾波器通過設(shè)置每個(gè)電機(jī)的I變量來調(diào)節(jié)輸出量。其中比例增益提供系統(tǒng)的硬度，微分增益提供穩(wěn)定需要的阻尼，積分增益消除穩(wěn)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(tǒng)慣性帶來的跟隨誤差。

　　參數(shù)整調(diào)時(shí)我們希望電機(jī)軸對階躍響應(yīng)的上升時(shí)間和建立時(shí)間盡可能地快，并且不引起超調(diào)。通常參數(shù)之間具有一定的平衡關(guān)系，尤其是快速響應(yīng)與低超調(diào)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(dāng)放大器調(diào)整較好時(shí)，數(shù)字濾波器中可以不加微分阻尼。PMAC設(shè)有積分控制開關(guān)，當(dāng)Ix34=0時(shí)，在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中都引入積分增益;當(dāng)Ix34=1時(shí)，僅在運(yùn)動(dòng)停止時(shí)引入積分增益。兩種情況的實(shí)際運(yùn)動(dòng)情況將截然不同。Ix34=0時(shí)，將減小運(yùn)動(dòng)過程中的跟隨誤差，但會(huì)影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并在運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)引入超調(diào)，對于沒有前饋的系統(tǒng)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(shè)定Ix34=1，用以減小停止時(shí)由于靜摩擦和負(fù)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(shù)，應(yīng)反方向改變Kd和Ki。有些系統(tǒng)中電機(jī)與負(fù)載的耦合會(huì)引起諧振，PID濾波器不能對此進(jìn)行補(bǔ)償。只有通過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(yīng)曲線和跟隨誤差調(diào)整曲線。

　　四、 軟件設(shè)計(jì)

　　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(xiàn)取樣架和轉(zhuǎn)臺的閉環(huán)控制及網(wǎng)絡(luò)分析儀的設(shè)定和采樣。軟件功能模塊包括：文件管理、各軸定位、預(yù)測試、近遠(yuǎn)場測試、儀器控制及幫助等功能。主界面上同時(shí)設(shè)有快捷鍵，用戶可以通過點(diǎn)擊快捷鍵調(diào)用相應(yīng)的功能程序。人機(jī)接口為Windows98界面。主界面顯示的同時(shí)在數(shù)顯上給出各軸的位置信息。

　　1. 文件管理

　　該功能模塊完成數(shù)據(jù)文件的建立、編輯和打印。其中包括寫字板、新建文件、打開文件、保存文件、換名另存、文件刪除、文件關(guān)閉、打印機(jī)設(shè)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各軸的驅(qū)動(dòng)定位。通過選擇運(yùn)動(dòng)方向和控制方式來控制各軸的運(yùn)動(dòng)，并實(shí)時(shí)顯示各軸的當(dāng)前位置。連續(xù)運(yùn)動(dòng)