大尺寸短波發(fā)射天線現(xiàn)場測試技術研究

江思杰，江傳華，毛 勇，鄭松峰，王繼紅

（中國船舶重工集團公司第七二二研究所，武漢 430079）

大尺寸短波發(fā)射天線現(xiàn)場測試技術研究

江思杰，江傳華，毛 勇，鄭松峰，王繼紅

（中國船舶重工集團公司第七二二研究所，武漢 430079）

三線、對數(shù)周期等大尺寸天線大量應用于通信臺站與艦船上，然而，考慮到天線放置地點、工作頻段、通信覆蓋范圍等要求，這類天線都具有較大的物理尺寸，在實驗室環(huán)境和外場試驗環(huán)境下都無法直接測量輻射方向圖、發(fā)射效率、駐波比等天線性能指標。以大尺寸短波發(fā)射天線現(xiàn)場測試技術為研究對象，分析了大尺寸短波發(fā)射天線現(xiàn)場測手段的必要性與所存在的不足，在傳統(tǒng)現(xiàn)場測試方法的基礎上，提出了一種基于無人機的短波發(fā)射天線現(xiàn)場測試方法，對信臺站與艦艇上大尺寸短波發(fā)射天線的設計、施工、調(diào)試、維修、以及現(xiàn)場系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等環(huán)節(jié)起到保障作用。

大尺寸短波發(fā)射天線；輻射方向圖；現(xiàn)場測試；無人機

引言

如今，隨著國防通信技術的不斷發(fā)展，短波天線在數(shù)據(jù)鏈通信、信息交互、情報傳遞等方面得到了非常廣泛的應用。短波通信系統(tǒng)的效果好壞，主要取決于電臺和天線性能的優(yōu)劣。 天線的性能主要用輻射方向圖、極化方向、增益以及阻抗等參量指標來評價。輻射方向圖表示了天線的方向性；極化方向表示天線輻射的電場矢量的方向[1]。在短波通信中，對地波和空間波，系統(tǒng)的收發(fā)天線極性應一致，否則將導致通信質(zhì)量下降甚至無法通信。在天線參數(shù)中，天線增益是一項基本屬性，其大小直接影響了信號傳播的距離；駐波比與阻抗則表示了天線與發(fā)射機之間的發(fā)射效率與匹配程度，天線駐波比越小，則代表天線所輻射出去的能量越大。另外，天線的輻射仰角反映天線在垂直面里輻射的最大方向。

本文分析了傳統(tǒng)短波發(fā)射天線的測試手段，在此基礎上提出了一種基于無人機的大尺寸短波發(fā)射天線現(xiàn)場測試方法，并將該方法應用于通信臺站，為大尺寸短波發(fā)射天線的設計、施工、調(diào)試、維修、以及現(xiàn)場系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等環(huán)節(jié)起到保障作用。

1 傳統(tǒng)技術方案分析

隨著短波通信技術的快速發(fā)展，短波天線現(xiàn)場測試技術也有了進一步的提高。以短波天線的幅度方向圖現(xiàn)場測試為例，傳統(tǒng)測量系統(tǒng)如圖1所示，由遠處的一架運載工具攜帶測量天線或源天線，按遠處測試條件，按設定的航行軌跡圍繞待測天線飛行，并實時測量和記錄信號幅度，最終對這些信號數(shù)據(jù)加以處理，給出天線的幅度方向圖。這種測試方法能很好地評測天線的輻射/接收性能，但對運載工具的要求高，所需的輔助條件多，且操作困難（主要是測量天線和待測天線的實時對準比較困難），測試費用也很高[2]。在沒有運載飛行工具時，就需要按測量規(guī)劃的測試地點，逐一變化測試地點進行測試，這種測試方法雖然在每個測試點的測試比較容易操作，但因為需要測試的點較多，時間的地理條件復雜，需要移動的測試設備也很多，從而需要花費很長的時間，測量效率很低[3]。

目前，對于不同類型的大尺寸短波發(fā)射天線，受工作頻率、實際尺寸、安裝位置、物理結(jié)構(gòu)等因素的影響，傳統(tǒng)大尺寸短波發(fā)射天線測試方法難以適用，主要存在以下幾點不足：

1）模擬實際使用現(xiàn)場的條件不足，使外場測試的結(jié)果不能真實或理想地反應天線的實際使用性能；

2）現(xiàn)行的現(xiàn)場測試系統(tǒng)和測試方法，要么需要大量的物力和財力，要么需要大量的人力和時間。

綜上所述，為保障我軍通信和指揮系統(tǒng)的質(zhì)量和可靠性，有必要針對大尺寸短波發(fā)射天線研究高效便攜、精確度高的實際性能評測平臺，為短波天線的設計、檢修提供可行有效的數(shù)據(jù)支持。

圖1 傳統(tǒng)短波天線測試方案

2 技術難點

隨著國防通信技術快速發(fā)展，大尺寸短波發(fā)射天線的應用更加廣泛，由于裝尺寸較大、地理位置較為特殊等原因，普通現(xiàn)場測試方案無法適用[4]。現(xiàn)今，運載飛行器的普及為大尺寸短波發(fā)射天線現(xiàn)場測試技術帶了重要的突破，也存在諸多問題：

1）操作困難。傳統(tǒng)短波發(fā)射天線現(xiàn)場測試方法操作起來十分復雜，主要集中在測量天線和待測天線的實時對準、運載飛行器的自動控制、場強參數(shù)與導航信號的實時傳輸；

2）輔助條件多。傳統(tǒng)短波發(fā)射天線現(xiàn)場測試方法是非便攜的。需在地面配備跟蹤裝置，同時架設參考天線，除此之外，所采集的信號參數(shù)還需通過人工計算的方式繪制方向圖以及計算相關參數(shù)；

3）測試費用高。傳統(tǒng)短波發(fā)射天線現(xiàn)場測試方法的測試費用過高，其主要成本集中在運載無人機、測量天線、參考天線、地面跟蹤裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與運載設施，除此之外，還需核算人工計算與繪制的工作量，導致測試費用居高不下；

4）運載飛行器要求較高。普通無人機的載荷只有1～2 kg，在放置測量設備、測量天線與存儲設備的同時，還需預留10 %的冗余空間，用于添加防護措施。因此，傳統(tǒng)大尺寸短波發(fā)射天線現(xiàn)場測試方法對于運載飛行器的要求非常高。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

通過分析傳統(tǒng)短波發(fā)射天線現(xiàn)場測試方法的不足，結(jié)合現(xiàn)有的技術儲備能力，項目組提出了一套基于無人機的大尺寸短波發(fā)射天線現(xiàn)場測試系統(tǒng)包括兩大部分：運載飛行器測試平臺和地面控制與處理系統(tǒng)。該方法采用便攜式設計理念，設計方案如圖2所示：

1）運載飛行器測試平臺

運載飛行器測試平臺由嵌入式可編程系統(tǒng)、采樣單元、SD卡存儲單元、上位機通訊單元、電源穩(wěn)壓濾波單元以及測試天線及控制/存儲模塊。

①嵌入式可編程系統(tǒng)

運載飛行器測試平臺核心采用面向用戶的嵌入式可編程系統(tǒng)，該系統(tǒng)與應用緊密結(jié)合，具有極強的專用性，滿足應用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求，并根據(jù)實際使用情況進行功能裁減或擴展。此外，由于嵌入式可編程系統(tǒng)具有較高的實時性，且具備固態(tài)存儲功能，有利于提高系統(tǒng)的實時數(shù)據(jù)采集精度。與此同時，該系統(tǒng)它的片內(nèi)資源很豐富、抗干擾能力強、安裝便捷，很好地滿足了運載飛行器測試平臺的技術要求。

②采樣單元

運載飛行器測試平臺采樣單元主要由光電轉(zhuǎn)換模塊與采樣電路構(gòu)成，其原理是由探頭采集場強參量，交由光電轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)換后輸出模擬信號，再由采樣電路完成高速數(shù)模轉(zhuǎn)換并將數(shù)字信號輸出至嵌入式可編程系統(tǒng)。采樣單元需要具備極強的抗干擾能力與較高的采樣速率。

③SD卡儲存單元

本系統(tǒng)中，嵌入式可編程系統(tǒng)采用SPI模式實現(xiàn)與SD卡存儲單元的接口通訊。由于嵌入式可編程系統(tǒng)具備功耗低、體積小、片內(nèi)功能高豐富等優(yōu)點，且工作電壓的典型值為3.3 V，與SD卡的工作電壓兼容，因而可以直接與SD卡連接，無需電平轉(zhuǎn)換電路。

圖2 基于無人機的大尺寸短波發(fā)射天線現(xiàn)場測試方案

④上位機通訊單元

運載飛行器測試平臺需要依靠無人機上搭載的對地通訊方式在實現(xiàn)信號的實時傳輸功能，因此，與上位機，即無人機之間的通信是非常必要的。目前，市面上多旋翼無人機主要應用于航拍領域，其接口大多采用USB接口、AV視頻接口、HDMI高清視頻接口、RS23串口等，而固定翼無人機通訊接口可定制，因此，本系統(tǒng)采用USB接口聯(lián)絡模式。

⑤電源穩(wěn)壓濾波單元

運載飛行器測試平臺的供電是由無人機提供的，考慮到無人機提供的電源不一定滿足本系統(tǒng)的供電要求，因此需要添加電源穩(wěn)壓濾波單元。

⑥測試天線及控制/存儲模塊

運載飛行器測試平臺的探頭采用由項目組自研的全向高精度有源測試天線，有源測試天線置于機箱外[6]，通過光纖與機箱內(nèi)的控制和存儲系統(tǒng)連接，在機箱內(nèi)，將有源測試天線的光信號轉(zhuǎn)換為電信號提供給采樣電路，從而實現(xiàn)場強參量的實時采集與存儲。

2）地面控制與處理系統(tǒng)

地面控制系統(tǒng)直接根據(jù)無人機的控制器進行改裝，后臺處理系統(tǒng)是個人筆記本電腦上安裝自編的軟件[5]，從無人機測試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄卡（SD卡）上讀取數(shù)據(jù)，并處理數(shù)據(jù)，繪制方向圖，計算天線的其它性能參量。

具體功能如下：

①對同一航跡上的多次測量數(shù)據(jù)進行平均或擬合處理，得到航跡上相對準確的場強信息數(shù)據(jù)；

②根據(jù)數(shù)據(jù)得到幅度方向圖、相位方向圖和增益方向圖[3]；

③根據(jù)航測數(shù)據(jù)完成2D方向圖（水平方向圖和垂直方向圖）的分析，給出常用的評估參數(shù)的數(shù)據(jù)。可將仿真數(shù)據(jù)（或方向圖）與實測數(shù)據(jù)（或方向圖）進行疊加比較；

④具有數(shù)據(jù)顯示、打印功能；

⑤根據(jù)事先設定的參數(shù)要求自動生成測試報告。

4 系統(tǒng)運行流程

1）啟動地面控制與處理系統(tǒng)，根據(jù)待測空間區(qū)域的場強特征和測試需求，設定運載飛行器測試平臺的飛行軌跡與測量方式；

2）利用地面控制與處理系統(tǒng)對運載飛行器測試平臺進行系統(tǒng)自檢；

3）自檢合格后，啟動運載飛行器測試平臺，將該平臺送至指定空域，采集與存儲當前測試數(shù)據(jù)，航行結(jié)束后返回指定降落地點；

4）取出存儲介質(zhì)，分析測量數(shù)據(jù)，繪制方向圖并計算相關參數(shù)；

5）系統(tǒng)需具有較強的電磁兼容性與環(huán)境適應性。

5 結(jié)論

本文闡述了大尺寸發(fā)射天線現(xiàn)場測試技術的應用現(xiàn)狀，通過實測經(jīng)驗分析了現(xiàn)有檢測技術所存在的問題，提出了一套基于無人機的大尺寸短波發(fā)射天線現(xiàn)場測試系統(tǒng)，詳細介紹了該方法的原理與系統(tǒng)組成，為短波通信質(zhì)量提供了有效的保障。

[1]蔣宇中，張曙霞，韓郁. 強噪聲環(huán)境下測量甚低頻天線阻抗方法的研究[J].電波科學學報. 2004, 19(05): 543-546.

[2]李晨，宓超. 基于飛思卡爾單片機MC9S12XS128的智能車設計[J].上海海事大學學報. 2012, 33(1): 82-84.

[3]崔振剛，姜弢，楊欣. UWB技術在艦船電子系統(tǒng)中的應用展望[J].艦船電子工程. 2007(02): 28-30.

[4]張志文. 船舶常用中短波天線及其驗收、維護保養(yǎng)[J].天津航海. 2006(04): 38-40.

[5]王怡蘋,許愛強,汪定國.自動測試系統(tǒng)中測試數(shù)據(jù)管理[J].電子測量技術. 2010(3): 137-140.

[6] S Tachizaki. Insulation resistance detection system, insulation resistance detection apparatus and insulation resistance detection method.US, 2011.

江思杰，工學碩士，工程師，主要研究方向為儀器與測試技術、數(shù)據(jù)算法處理、機械自動化控制、低頻通信技術等。

Research on Site Testing Technology for Large-size Short-wave Transmitting Antenna

JIANG Si-jie, JIANG Chuan-hua, MAO Yong, ZHENG Song-feng, WANG Ji-hong
(NO.722 of CSIC, Wuhan 430079)

A large numbers of large-size antennas such as three lines and logarithmic cycles used in communication stations and ships, the performance of the antenna on the communication and command of the whole system has a great influence. However, such as this kind of antenna has a larger physical size, in the laboratory and the field test environment can directly measure the radiation pattern, emission efficiency, standing wave ratio, such as antenna performance indicators. Based on the large size of shortwave antenna field testing technology as the research object, this paper analyzes the necessity of large size shortwave transmitting antenna field measurement method and the existing shortcomings of the traditional, on the basis of field test method, it proposes a shortwave antenna field test method based on unmanned aerial vehicle (uav), the letter stations and ships on the large size of shortwave antenna design, construction, commissioning, maintenance, and the field system alignment guarantee effect.

large size shortwave transmitting antenna; radiation pattern; field test; unmanned aerial vehicle (uav)

TP23

A

1004-7204（2017）02-0028-04