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DIY 天线测量系统第 1 部分:介绍

将 ebm-papst EC 电动机与用于控制的 RevPi Core 和用于信号生成和接收的 LimeSDR Mini 集成在一起,以搭建一个可测量天线性能的系统。

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天线设计是真正令人着迷的领域之一,几乎像魔术一样。最细微的设计变更可能会产生深远的影响,从来不缺乏创新,而且常常会出现完全反直觉的设计,因此天线仍然属于研发密集型领域。

天线性能建模可以利用软件进行,但是最终,当设计完成后,需要对设计方案进行测量。在本系列帖子中,我们将跟踪一个主要基于增强型机器控制器天线范围 (EMCAR) 开放源代码项目的低成本系统的设计和构建进度。

基础知识

IEEE Std. 149-1979天线测量坐标系(来源:EMCAR 项目)

我们对测量天线辐射模式很感兴趣,在本文中,输出使用 2D 极坐标图。未来我们可能会考虑升级设计以生成 3D 坐标图,但是目前 2D 满足需求,可显示正向/反向以及侧向等方向的天线增益。例如,当我们需要全向天线、适用于点对点连接的高增益高方向性天线,或者适用于多天线“扇区”应用的窄角度天线时,这些信息非常重要。

天线测量系统块图(来源:EMCAR 项目)

天线测量的基本原理其实相当简单,我们将被测天线固定在旋转平台上,再将第二根固定天线放置在距离较远的位置。两者都连接至射频网络分析仪,然后在第一根天线旋转的过程中进行测量。非常简单。

本例中,我们不使用成熟的网络分析仪,而是使用一种基于 LimeSDR Mini 软件定义无线电 (SDR) 的解决方案,它更为简单,成本也较低。

电动机

电动机属于关键部件,它的性能将与测量系统的性能相关。我们需要能够准确知道电动机的位置,同时如果不希望过程耗费很长的时间,电动机运行需要非常平稳(否则,天线可能会晃动,那么可能需要在各运动步骤之间暂停一段时间)。

机动平台的尺寸可随意设置。本例中,我们希望它的尺寸较为合理。如有需要,未来可通过连接更大的平台轻松扩展。这样,我们就可以通过三脚架或其它安装底座来直接附加大型天线结构。这意味着我们需要一个坚固的框架来支撑平台,一个坚固的底部轴承,以及一台功率适当的电动机用于驱动平台。

我们的选择很多,可以选择原始 EMCAR 设计中所用的步进电动机。我们还可以使用皮带和皮带轮来降低速度,使运行更加平稳。但是,我们最终选用了带集成驱动电子设备和变速箱的 ebm-papst 电子整流电动机 (187-2145) ,这款电动机在编程后具有极其简单的界面,便于控制和稳定运行。

控制

控制系统将基于 Kunbus Revolution Pi Core (181-1141) ,此平台可轻松扩展,以增加多个工业模拟和数字输入/输出。通过这种方式,我们拥有多种不同的编程选项。我们很可能会结合 Python 与 EMCAR 项目中的已有 C 语言代码。

RF 射频测量

现在我们有了旋转被测天线的方法,还能控制天线的位置以及测量过程,我们需要实际执行射频连接测量。为此,我们将使用低成本的 LimeSDR Mini SDR 生成具有所需频率的信号,并在接收天线处测量这些信号。

下一步

在下一篇帖子中,我的同事 Dave 将介绍平台的电子和机械支撑结构的组合外壳设计和原型设计,以及平台设计,轴承和电动机联轴器。

Part 2

Andrew Back

 

Open source (hardware and software!) advocate, Treasurer and Director of the Free and Open Source Silicon Foundation, organiser of Wuthering Bytes technology festival and founder of the Open Source Hardware User Group.

17 Sep 2019, 8:46