專利名稱：Wi-Fi波段天線方向圖測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實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波段天線方向圖測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，伴隨著人們對無線網(wǎng)絡(luò)越來越多的依賴以及對高速網(wǎng)絡(luò)無止境的追求， 如何設(shè)計一個工作在Wi-Fi波段的高性能天線已經(jīng)成為工程界的研究熱點，越來越多的小型無線設(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)實力，但是由于建立一整套天線方向圖測量系統(tǒng)代價太高，因此在一定程度上限制了其發(fā)展。

實用新型內(nèi)容實用新型目的針對上述現(xiàn)有存在的問題和不足，本實用新型的目的是提供一種價格低廉的Wi-Fi波段天線方向圖測量系統(tǒng)。技術(shù)方案為實現(xiàn)上述實用新型目的，本實用新型采用的技術(shù)方案為一種Wi-Fi 波段天線方向圖測量系統(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源、水平/垂直選擇開關(guān)和第一天線，所述微處理器分別連接所述信號源和水平/垂直選擇開關(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)過一個角度，將接收通道打開，存入數(shù)據(jù)，待所有數(shù)據(jù)測試完畢后，通過簡單的數(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源的FPGA (Field-Programmable Gate Array，現(xiàn)場可編程門陣列)芯片。該FPGA芯片可產(chǎn)生信號源所需用的控制字，從而控制該信號源產(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；其中當(dāng)頻率在2. 4GHz時，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；數(shù)字控制部分利用兩個旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)，輔以電腦編程控制(如圖3所示)，每轉(zhuǎn)過一個角度，將接收通道打開，存入數(shù)據(jù)，待所有數(shù)據(jù)測試完畢后，通過簡單的數(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。本實用新型為了簡化接收機(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，將射頻信號直接檢波成直流信號。為了使接收機(jī)具有最大的動態(tài)范圍，輔助設(shè)計了前級的微波放大器和后級的直流放大電路，通過控制放大倍數(shù)，使最終處理后的信號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、本實用新型測量精確度較高。與目前成熟的商用天線測量系統(tǒng)相比， 對同一個天線的增益以及方向圖上各點測量的平均誤差小于ldB，測量的結(jié)果可信。2、本實用新型操作方便。目前成熟的商用天線測量系統(tǒng)非常復(fù)雜。同時，若測完后懷疑其中有一個點測錯，需要對所有的點進(jìn)行重新測量。本實用新型提供了手動測量和自動測量兩種工作模式，如果發(fā)現(xiàn)其中某點有問題，直接輸入該點的坐標(biāo)，將天線運行到該點就可以方便的重新測量。不僅如此，由于在數(shù)字設(shè)計部分中增加了設(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，縮短測試時間。3、本實用新型價格低廉。目前成熟的天線測試系統(tǒng)價格都在幾十萬元人民幣，但是由于本實用新型將天線測量的頻段定在了 Wi-Fi波段，對于該頻段本實用新型在設(shè)計上做出了很大的簡化。因此，如果以后批量生產(chǎn)此系統(tǒng)，價格會遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于目前成熟的商用測試平臺，非常適合小型無線設(shè)備廠商使用。4、本實用新型重量輕，易于加工。整個系統(tǒng)的主體是由三塊PCB板組成， 因此可以集成在一個小盒子里，與傳統(tǒng)的商用天線測試系統(tǒng)中的復(fù)雜的信號源、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化。

圖1為本實用新型的整體框圖；圖2是Vivaldi天線的示意圖；圖3是本實用新型中使用的軟件控制界面；圖4是接收機(jī)性能的實測圖；圖5是利用本實用新型和目前商用的天線方向圖測量系統(tǒng)分別測得的標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線在頻率為2. 4GHz時的遠(yuǎn)場方向圖。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施例，進(jìn)一步闡明本實用新型，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本實用新型而不用于限制本實用新型的范圍，在閱讀了本實用新型之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本實用新型的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。本實用新型Wi-Fi波段天線方向圖測量系統(tǒng)，采用遠(yuǎn)場測試的方法，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(圖中的待測天線為標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線，即為權(quán)利要求書和說明書實用新型內(nèi)容部分的“第二天線”)。系統(tǒng)工作時，首先由微處理器發(fā)出一個模式選擇信號給水平垂直開關(guān)，以此來選擇發(fā)射天線的極化方式。選擇完畢后，微處理器會產(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源，信號源產(chǎn)生2. 4GHz的射頻信號。通過頻譜儀測量并計算修正得到該信號源在發(fā)射頻率為2. 4GHz時，IMHz處的相位噪聲為_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后， Vivaldi天線將此信號發(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)更容易精確地檢測所發(fā)射的信號。由于檢波器檢出的是電壓值，為了能讓檢測到的電壓值準(zhǔn)確地反映出測試功率的大小，檢波管必須工作在電壓和功率呈線性關(guān)系的一段。因此，在做測試之前需要精確計算并控制發(fā)射天線與接收天線之間的距離。在接收端，利用兩臺簡易的步進(jìn)電機(jī)交錯運行，在全空間測量天線的方向圖和增益。由Visual Basic編寫的電機(jī)控制程序在微處理器中運行，分為手動和自動模式。在自動模式下，可以對三維空間以一定的步進(jìn)角逐一測試，而手動模式是對自動模式測量結(jié)果很好的修正，如果經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，發(fā)現(xiàn)少數(shù)點的結(jié)果明顯偏離整體的走勢，可以輸入該點的坐標(biāo)進(jìn)行重測。電機(jī)每轉(zhuǎn)過一個角度，微處理器中的ADC打開，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。接收機(jī)部分的設(shè)計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，將射頻信號轉(zhuǎn)變成直流。由于射頻信號功率較小，二極管工作在小信號模型，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顯示了整個接收機(jī)的性能，由于AD采樣的中心電平為2. 5V的緣故，實際采樣的結(jié)果應(yīng)該扣除中心電平再進(jìn)行計算，整個接收機(jī)的動態(tài)范圍大約是25dB，這對于一般的天線測試已經(jīng)足夠了?？紤]到ADC采樣的動態(tài)范圍，在ADC與直流檢波二極管之間加了一級直流放大器；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來實現(xiàn)這一功能。在系統(tǒng)中，綜合考慮測試時間和測量精確性的問題，所采用的測試點數(shù)為 24X12X2(水平面以15度為間隔，測量一圈360度共M個點；俯仰面測量從上到下180度共12個點；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，除了測得點之外，其余點的值采用插值方式獲得。最終將測得的數(shù)據(jù)傳回微處理器，經(jīng)Matlab處理，畫出方向圖。利用上面的發(fā)射機(jī)、接收機(jī)模塊對標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線的方向圖進(jìn)行了測試，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量系統(tǒng)中進(jìn)行對比測量，結(jié)果相差 0. 7dB,可以看出，整個設(shè)計是令人信服的。
權(quán)利要求1.一種Wi-Fi波段天線方向圖測量系統(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源、水平/垂直選擇開關(guān)和第一天線，所述微處理器分別連接所述信號源和水平/垂直選擇開關(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波段天線方向圖測量系統(tǒng)，其特征在于還包括連接所述信號源的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波段天線方向圖測量系統(tǒng)，其特征在于所述微處理器還連接顯示模塊。
專利摘要本實用新型公開了一種Wi-Fi波段天線方向圖測量系統(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源、水平/垂直選擇開關(guān)和第一天線，所述微處理器分別連接所述信號源和水平/垂直選擇開關(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。本實用新型Wi-Fi波段天線方向圖測量系統(tǒng)價格低廉。
文檔編號G01R29/10GK202230140SQ20112033289
公開日2012年5月23日 申請日期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, 崔鐵軍, 張同, 楊艷, 程強 申請人:東南大學(xué)