专利名称：Wi-Fi波段天线方向图测量系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及天线及微波射频电路领域，特别涉及一种Wi-Fi波段天线方向图测量系统。
背景技术：
近年来，伴随着人们对无线网络越来越多的依赖以及对高速网络无止境的追求， 如何设计一个工作在Wi-Fi波段的高性能天线已经成为工程界的研究热点，越来越多的小型无线设备生产厂家投入到这一研究行列中。虽然一些生产商利用成熟的仿真软件已经具备了一定的研发实力，但是由于建立一整套天线方向图测量系统代价太高，因此在一定程度上限制了其发展。

实用新型内容实用新型目的针对上述现有存在的问题和不足，本实用新型的目的是提供一种价格低廉的Wi-Fi波段天线方向图测量系统。技术方案为实现上述实用新型目的，本实用新型采用的技术方案为一种Wi-Fi 波段天线方向图测量系统，包括微处理器、发射机、接收机和天线位置控制装置；其中所述发射机包括依次连接的信号源、水平/垂直选择开关和第一天线，所述微处理器分别连接所述信号源和水平/垂直选择开关；所述接收机包括依次连接的第二天线、检波器和放大器，其中第二天线固定在所述天线位置控制装置上，所述微处理器分别连接天线位置控制装置和放大器。所述天线位置控制装置可包括第一步进电机和第二步进电机，所述第一步进电机固定在第二步进电机上，第二天线固定在所述第一步进电机上，第二步进电机在水平面上 360°的旋转，第一步进电机从上到下180°旋转，辅以电脑编程控制(如图3所示)，每转过一个角度，将接收通道打开，存入数据，待所有数据测试完毕后，通过简单的数学处理，得到天线的方向图及增益。所述第一天线可为维瓦尔第(Vivaldi)天线(参考201110054862. 9)。所述第二天线可为标准喇叭天线。还可包括连接所述信号源的FPGA (Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)芯片。该FPGA芯片可产生信号源所需用的控制字，从而控制该信号源产生频率范围在2050MHz M50MHz之间、幅度在-13 _3dBm之间连续可调的射频信号；其中当频率在2. 4GHz时，IMHz处的相位噪声低于-lOOdBc/Hz，利用具有高定向性的基于新型人工电磁材料的Vivaldi天线(如图2所示)发射该信号；数字控制部分利用两个旋转步进电机，辅以电脑编程控制(如图3所示)，每转过一个角度，将接收通道打开，存入数据，待所有数据测试完毕后，通过简单的数学处理，得到天线的方向图及增益。所述检波器可为二极管，所述放大器可为直流放大器。还可包括分别连接所述第二天线和二极管的微波放大器。所述二极管可为肖特基二极管。所述微处理器可设有模数转换模块，该模数转换模块的采样口连接放大器。本实用新型为了简化接收机结构，采用了直接检波的形式，利用肖特基二极管的高灵敏度，将射频信号直接检波成直流信号。为了使接收机具有最大的动态范围，辅助设计了前级的微波放大器和后级的直流放大电路，通过控制放大倍数，使最终处理后的信号能够在最大程度上覆盖AD(模数)采样范围。以Visual Basic为基础，通过编制工程文件，控制串口发送指令，进而控制步进电机运行和模数转换模块(ADC, Analog-to-Digital Converter)。 所述微处理器还可连接显示模块，用于显示输出的天线方向图。有益效果1、本实用新型测量精确度较高。与目前成熟的商用天线测量系统相比， 对同一个天线的增益以及方向图上各点测量的平均误差小于ldB，测量的结果可信。2、本实用新型操作方便。目前成熟的商用天线测量系统非常复杂。同时，若测完后怀疑其中有一个点测错，需要对所有的点进行重新测量。本实用新型提供了手动测量和自动测量两种工作模式，如果发现其中某点有问题，直接输入该点的坐标，将天线运行到该点就可以方便的重新测量。不仅如此，由于在数字设计部分中增加了设置每次步进角度的功能，步进电机能够以不同的速度对全空间进行扫描。在天线的主瓣尤其是主瓣边缘可以进行细扫，而在天线的副瓣、或精度要求不高的情况下，可以增大扫描的步进角，缩短测试时间。3、本实用新型价格低廉。目前成熟的天线测试系统价格都在几十万元人民币，但是由于本实用新型将天线测量的频段定在了 Wi-Fi波段，对于该频段本实用新型在设计上做出了很大的简化。因此，如果以后批量生产此系统，价格会远远低于目前成熟的商用测试平台，非常适合小型无线设备厂商使用。4、本实用新型重量轻，易于加工。整个系统的主体是由三块PCB板组成， 因此可以集成在一个小盒子里，与传统的商用天线测试系统中的复杂的信号源、接收机、数字控制部分相比，重量要轻得多，加工难度上也大大简化。

图1为本实用新型的整体框图；图2是Vivaldi天线的示意图；图3是本实用新型中使用的软件控制界面；图4是接收机性能的实测图；图5是利用本实用新型和目前商用的天线方向图测量系统分别测得的标准喇叭天线在频率为2. 4GHz时的远场方向图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，进一步阐明本实用新型，应理解这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围，在阅读了本实用新型之后，本领域技术人员对本实用新型的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。本实用新型Wi-Fi波段天线方向图测量系统，采用远场测试的方法，利用基于新型人工电磁材料的Vivaldi天线作为发射，在接收机部分采用二极管直接检波的形式，系统的主体框架如图1所示(图中的待测天线为标准喇叭天线，即为权利要求书和说明书实用新型内容部分的“第二天线”)。系统工作时，首先由微处理器发出一个模式选择信号给水平垂直开关，以此来选择发射天线的极化方式。选择完毕后，微处理器会产生:3bit的串行码给FPGA芯片(图中未示出)，用于产生控制信号源发射功率和频率的控制字，FPGA将发射功率和频率的控制字传输给信号源，信号源产生2. 4GHz的射频信号。通过频谱仪测量并计算修正得到该信号源在发射频率为2. 4GHz时，IMHz处的相位噪声为_112dBc/Hz。当从集DDS(直接数字式频率合成器(Direct Digital Synthesizer))和 PLL(Phase Locked Loop，锁相环)一体的芯片ADF4360-1产生出所需要的射频信号后， Vivaldi天线将此信号发射。利用基于新型人工电磁材料的Vivaldi天线的高定向性(增益15dB，波束宽度25度)，接收机更容易精确地检测所发射的信号。由于检波器检出的是电压值，为了能让检测到的电压值准确地反映出测试功率的大小，检波管必须工作在电压和功率呈线性关系的一段。因此，在做测试之前需要精确计算并控制发射天线与接收天线之间的距离。在接收端，利用两台简易的步进电机交错运行，在全空间测量天线的方向图和增益。由Visual Basic编写的电机控制程序在微处理器中运行，分为手动和自动模式。在自动模式下，可以对三维空间以一定的步进角逐一测试，而手动模式是对自动模式测量结果很好的修正，如果经过数据处理，发现少数点的结果明显偏离整体的走势，可以输入该点的坐标进行重测。电机每转过一个角度，微处理器中的ADC打开，进行数据采集。接收机部分的设计是以直流检波二极管HSMS2860为核心，辅以微波放大器(图中未示出)、直流放大器等模块，将射频信号转变成直流。由于射频信号功率较小，二极管工作在小信号模型，因此检波是以平方律的形式进行的，检出的电压值正比于射频输入功率。图4显示了整个接收机的性能，由于AD采样的中心电平为2. 5V的缘故，实际采样的结果应该扣除中心电平再进行计算，整个接收机的动态范围大约是25dB，这对于一般的天线测试已经足够了。考虑到ADC采样的动态范围，在ADC与直流检波二极管之间加了一级直流放大器；综合考虑单电源供电、轨到轨输入与输出、以及最大采样范围，采用Maxim公司的芯片 MAX4123来实现这一功能。在系统中，综合考虑测试时间和测量精确性的问题，所采用的测试点数为 24X12X2(水平面以15度为间隔，测量一圈360度共M个点；俯仰面测量从上到下180度共12个点；考虑水平和垂直极化两种方式的情况)。为了使最终得到的方向图平滑，除了测得点之外，其余点的值采用插值方式获得。最终将测得的数据传回微处理器，经Matlab处理，画出方向图。利用上面的发射机、接收机模块对标准喇叭天线的方向图进行了测试，结果如图 5所示。将同样的天线放入目前商用的天线方向图测量系统中进行对比测量，结果相差 0. 7dB,可以看出，整个设计是令人信服的。
权利要求1.一种Wi-Fi波段天线方向图测量系统，其特征在于包括微处理器、发射机、接收机和天线位置控制装置；其中所述发射机包括依次连接的信号源、水平/垂直选择开关和第一天线，所述微处理器分别连接所述信号源和水平/垂直选择开关；所述接收机包括依次连接的第二天线、检波器和放大器，其中第二天线固定在所述天线位置控制装置上，所述微处理器分别连接天线位置控制装置和放大器。
2.根据权利要求1所述Wi-Fi波段天线方向图测量系统，其特征在于所述天线位置控制装置包括第一步进电机和第二步进电机，所述第一步进电机固定在第二步进电机上， 第二天线固定在所述第一步进电机上。
3.根据权利要求1所述Wi-Fi波段天线方向图测量系统，其特征在于所述第一天线为维瓦尔第天线。
4.根据权利要求1所述Wi-Fi波段天线方向图测量系统，其特征在于还包括连接所述信号源的FPGA芯片。
5.根据权利要求1所述Wi-Fi波段天线方向图测量系统，其特征在于所述检波器为二极管，所述放大器为直流放大器。
6.根据权利要求5所述Wi-Fi波段天线方向图测量系统，其特征在于还包括分别连接所述第二天线和二极管的微波放大器。
7.根据权利要求5或6所述Wi-Fi波段天线方向图测量系统，其特征在于所述二极管为肖特基二极管。
8.根据权利要求1所述Wi-Fi波段天线方向图测量系统，其特征在于所述微处理器设有模数转换模块，该模数转换模块的采样口连接放大器。
9.根据权利要求1所述Wi-Fi波段天线方向图测量系统，其特征在于所述第二天线为标准喇叭天线。
10.根据权利要求1所述Wi-Fi波段天线方向图测量系统，其特征在于所述微处理器还连接显示模块。
专利摘要本实用新型公开了一种Wi-Fi波段天线方向图测量系统，包括微处理器、发射机、接收机和天线位置控制装置；其中所述发射机包括依次连接的信号源、水平/垂直选择开关和第一天线，所述微处理器分别连接所述信号源和水平/垂直选择开关；所述接收机包括依次连接的第二天线、检波器和放大器，其中第二天线固定在所述天线位置控制装置上，所述微处理器分别连接天线位置控制装置和放大器。本实用新型Wi-Fi波段天线方向图测量系统价格低廉。
文档编号G01R29/10GK202230140SQ20112033289
公开日2012年5月23日 申请日期2011年9月6日 优先权日2011年9月6日
发明者周小阳, 崔铁军, 张同, 杨艳, 程强 申请人:东南大学