超高輸電塔變形監(jiān)測技術(shù)中智能天線的應(yīng)用研究

代奇跡 林呈輝 徐長寶 龍秋風(fēng) 趙超 呂乾勇 王冕

摘要：目前，在超高輸電塔變形檢測技術(shù)應(yīng)用中，使用智能天線能有效提高信標(biāo)方位信息的準(zhǔn)確度、進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保超高輸電塔穩(wěn)定運(yùn)行。文章通過對智能天線的發(fā)展進(jìn)行闡述，詳細(xì)分析了超高輸電塔變形檢測技術(shù)中智能天線的設(shè)計(jì)，最后提出了超高輸電塔變形監(jiān)測技術(shù)中智能天線的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：超高輸電塔;變形監(jiān)測技術(shù);智能天線;應(yīng)用研究

中圖分類號：TM726.1;TM754文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）11-0185-05

近年來，隨著我國信息技術(shù)不斷發(fā)展，輸電線在建設(shè)過程中朝著高電壓、大容量方向不斷發(fā)展。超高輸電塔是一種柔性較高的結(jié)構(gòu)。由于自身在風(fēng)致振動、負(fù)載牽引等方面具有較高的優(yōu)勢，能有效應(yīng)對自然災(zāi)害環(huán)境，提高輸電塔運(yùn)行的安全性?，F(xiàn)階段，北斗天線在使用過程中，雖然它有定位通訊系統(tǒng)，但是仍然解決不了定位出現(xiàn)的問題，在進(jìn)行信號接收過程中有容量限制。對于GPS天線來說，它在使用過程中，通過單向通訊進(jìn)行信號定位，是一種轉(zhuǎn)播信號。在網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)發(fā)展過程中，智能天線為了更好的解決上述問題、滿足復(fù)雜多變的市場需求，需要在超高輸電塔變形曲線測量過程中，對點(diǎn)到微位移密集分布情況進(jìn)行分析，才能在自然災(zāi)害環(huán)境下，提高超高輸電塔的應(yīng)變能力，提供有效的應(yīng)對方案。

1智能天線的發(fā)展

近年來，在無線通信領(lǐng)域發(fā)展過程中，多人多出天線MIMO是重點(diǎn)探究內(nèi)容。它能使多路信號在統(tǒng)一的時(shí)間內(nèi)發(fā)送頻段，降低單一天線頻譜利用率低的問題。多人多出天線技術(shù)MIMO，它能有效的進(jìn)行無線信道的優(yōu)化、提高通信質(zhì)量。近年來，隨著超高輸電塔變形監(jiān)測技術(shù)不斷發(fā)展。Massive MIMO應(yīng)運(yùn)而生，通常情況下，它是由幾十個、或者是上百個相同的電線單元組成的。一方面，Massive MIMO天線能有效地提高波束在空間范圍內(nèi)的掃描能力，另一方面，它會在實(shí)際使用過程中，降低風(fēng)阻。值得注意的是，Mas-sive MIMO天線在使用過程中，會產(chǎn)生一定的耦合、噪音較大、輻射能量降低。進(jìn)而，使天線陣效益下降。

目前，隨著我國天線陣技術(shù)不斷發(fā)展。使用超材料，能有效提高系統(tǒng)的電磁特性和電磁修改能力，實(shí)現(xiàn)良好的去耦效果。智能天線朝著多人多出天線技術(shù)方向不斷發(fā)展，進(jìn)一步提升通信系統(tǒng)的信道容量。

2超高輸電塔變形監(jiān)測技術(shù)中智能天線的設(shè)計(jì)

2.1天線部分

2.1.1在輻射單元中加載金屬枝節(jié)現(xiàn)階段，在超高輸電塔變形監(jiān)測技術(shù)使用智能天線，必須考慮到天線單元在設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵參數(shù)和使用成本，才能有效的改善電線的使用性能。在進(jìn)行天線輻射單元設(shè)計(jì)過程中，需要考慮到多仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)進(jìn)行天線單元的確定。例如：在設(shè)計(jì)探究過程中，應(yīng)該考慮到天線振子臂加載金屬之間數(shù)目的影響。在振子臂閉環(huán)中間加載不同的金屬枝節(jié)，可以觀察到不同的電流分布。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)過程中，發(fā)現(xiàn)金屬枝節(jié)加載數(shù)量和振子臂之間的電流分布存在一定變化規(guī)律：加載數(shù)量越多，振子臂電流分布逐漸遞減、振子臂中間的電流卻在遞增。

在上述電流分布過程中，考慮基礎(chǔ)輻射源電流分布、電線電路參數(shù)、輻射性能等，需要對不同數(shù)量金屬枝節(jié)，對電壓駐波比隔離的影響進(jìn)行全面探究。對于不同評點(diǎn)單元仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)電線在相同水平面上正負(fù)度在60°之內(nèi)，交叉極化比大于14dB，也就是說，不同頻點(diǎn)波束寬具有收斂性如圖3所示。

2.1.2提高交叉極化比和波束寬度一致性

在智能天線超高輸電塔變形監(jiān)測技術(shù)使用過程中，對于陣列天線來說，它離不開兩個關(guān)鍵指標(biāo)：交叉極化比、波速寬度一致性。波束寬度和蜂窩扇區(qū)優(yōu)化覆蓋，兩者之間有著密切的關(guān)聯(lián)。在實(shí)際工作中要考慮到的頻點(diǎn)輻射方向圖，這樣才能在智能天線系統(tǒng)運(yùn)作過程中提高仿真效率，便于設(shè)計(jì)人員進(jìn)行調(diào)試。對于交叉極化比來說，它和受輻射邊界有著一定的關(guān)聯(lián)，為了提高系統(tǒng)的性能，需要使用較高的交叉極化比。

2.2功分器件

2.2.1威爾金森功分器

威爾金森功分器在使用過程中，需要考慮到設(shè)計(jì)過程的任意功分比。在進(jìn)行功分器設(shè)計(jì)過程中，要嚴(yán)格地遵循下述設(shè)計(jì)公式：

Z01=ZO[m（1+m²）]^1/2

Z02=Z0[（1+m²）/m³]^1/2

Ra=Z0（m+1/m）

功率分配比為m²、a是0.25波長，這時(shí)可以通過公式計(jì)算出功率m²。通過計(jì)算可以將a值等于1。做好線寬和隔離電阻的確認(rèn)工作，對整體天線系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，從而設(shè)計(jì)出科學(xué)的威爾金森功分器。

2.2.2一分六功分器

一分六功分器，在電路仿真模擬軟件使用過程中，主要是為了防真點(diǎn)電路模型MWO，提高數(shù)據(jù)的運(yùn)算效率、找到功分器的基本設(shè)計(jì)架構(gòu)。在天線系統(tǒng)饋網(wǎng)設(shè)計(jì)過程中，功分器設(shè)計(jì)扮演著重要的角色，它也是現(xiàn)階段微波網(wǎng)絡(luò)的重要組成內(nèi)容，為了提高關(guān)鍵指標(biāo)和仿真結(jié)果的吻合性，需要進(jìn)行實(shí)際加工，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2.3校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

L為平行微帶寬;w為寬度;C為兩者之間的間距;L cap為枝節(jié)長度;B為寬、C_p枝節(jié)間距。

校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)過程中，首先，考慮到的耦合高隔離定向耦合器。做好電路檢測工作，在最大范圍內(nèi)保證弱耦合和高方向性定向耦合器的正向功率。通常情況下，會使用奇偶模分析方式分析耦合器，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。對于不同的耦合介質(zhì)來說，奇模的偶模的電長度是不同的，考慮到定向性惡化，可在理論上設(shè)計(jì)過程中，使兩者電長度相等（詳細(xì)見上圖）。

通常情況下，定向耦合器的仿真參數(shù)如下表。

3超高輸電塔變形監(jiān)測技術(shù)中智能天線的應(yīng)用

3.1信標(biāo)方位信息估計(jì)

在信標(biāo)方位信息設(shè)計(jì)過程中，必須要確保超高輸電變形塔數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，做好各方面方位信息的計(jì)算工作。首先，可以使用現(xiàn)有的微波比相技術(shù)，實(shí)現(xiàn)測量距離的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行載波頻率使用過程中，可以設(shè)定HSM波段為5.8GHz。提高精準(zhǔn)度。其次在超高塔。其次，在超高輸電塔變形動態(tài)分析過程中，需要考慮到安裝位置，坐好信標(biāo)方位角動態(tài)變化分析工作，可以使用空間目標(biāo)方位信息估計(jì)技術(shù)。

3.2信號模擬

測控站工作中可以使用平面天線陣列，一般情況下，使用傳統(tǒng)方式的陣列天線理論在探究過程中，需要考慮邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的影響，其中如果對反射板的值進(jìn)行假設(shè)，設(shè)定該值為無窮大，在陣列單元中它的方向是一致的。超高輸電塔變形監(jiān)測技術(shù)使用過程中常使用天線陣列都是小型陣列，考慮實(shí)際工作中自重和體積的影響，會將空間距離設(shè)定在0.5-1個波長之間，這樣才能突破陣列天線在實(shí)際應(yīng)用中存在的局限性。在實(shí)際應(yīng)用過程中，陣列可能產(chǎn)生來自于3個層面的和現(xiàn)象，①天線單元有自身的直接耦合;②來自于周圍反射板和隔離產(chǎn)生的間接耦合;③由于饋電網(wǎng)產(chǎn)生的路線耦合。這就意味著，在智能天線系統(tǒng)應(yīng)用過程中，要考慮到波形形態(tài)的指標(biāo)要求，做好場路一體化設(shè)計(jì)。這時(shí)需要根據(jù)實(shí)際測量數(shù)據(jù)設(shè)置參數(shù)S：天線振元。（a）圖表示極化方向在48個單元之內(nèi)，除此之外，需要使用TRL嵌入和端口平處理方式。（b）圖表示的是上列天線，饋電網(wǎng)絡(luò)主要有一分六功分器和饋線組成。（c）圖表示的是，下列天線饋電網(wǎng)絡(luò)。（d）圖表示的是，合成天線饋電網(wǎng)絡(luò)。在智能天線超高輸電塔變形監(jiān)測技術(shù)使用過程中，要考慮到基于平面陣二維多重信號做好仿真模擬。

3.3仿真分析

在仿真分析過程中，可以200m超高輸電塔作為案例，分別在塔底不同的位置，安裝信標(biāo)。以20m、60m、100m、120m、140m、160m、180m以及200m安裝。在安置過程中，使用BPSK的調(diào)節(jié)模式。在平面陣中二維擴(kuò)頻MUSIC算法，設(shè)置SNR等于10，做好有個角落信標(biāo)方位角的計(jì)算如表2所示。

在對數(shù)據(jù)信標(biāo)進(jìn)行全方位估算之后。這時(shí)，需要使用微波比相技術(shù)，對估計(jì)誤差進(jìn)行分析。

根據(jù)以上計(jì)算公式，abs在上述公式指的是絕對值。在信噪比和載波頻率確定的條件下，可以將誤差控制在mm級別。也就是說，超高輸電塔在使用過程中，如果發(fā)生形變，可以通過在底座不同位置安裝多個信標(biāo)，進(jìn)而提高計(jì)算的精準(zhǔn)度。通過計(jì)算，得到更加準(zhǔn)確的信息，能對超高輸電塔變形狀態(tài)，進(jìn)行全面把控。

3.4測試結(jié)果

在設(shè)計(jì)過程中，一定要進(jìn)行電路參數(shù)和試驗(yàn)，使駐波比小于1.4。在實(shí)際測試過程中，可以確保天線伋化，隔離度在25dB。對于圖（a）來說，它的駐波比小于1.35，圖（b）可以通過調(diào)整饋線影響陣列間的互耦，通過實(shí)際測量之后發(fā)現(xiàn)，相鄰陣列同極化耦合度和差異化的隔離度都能大于35dB。而圖（c）、圖（d），大于30dB。

通常情況下，在使用智能天線信號處理技術(shù)過程中，可以融入場路一體化的設(shè)計(jì)方式，可以有效去除陣列間的耦合。一般情況下，陣列天線相互耦合的情況是十分復(fù)雜的，不僅包括陣元之間的表面波震源、通過反射形成的間接耦合，而且可能還具有饋電網(wǎng)絡(luò)引起的電路之間的影響。在進(jìn)行實(shí)踐設(shè)計(jì)過程中，必須要做到仿真模擬，才能降低陣列中相互耦合的現(xiàn)象，提高陣列高度，在實(shí)際應(yīng)用過程中具有至關(guān)重要的現(xiàn)實(shí)意義。針對仿真和實(shí)測兩者之間存在的誤差?？梢栽趫雎芬惑w優(yōu)化模擬仿真過程中，保證天線傾角一致性，才能滿足垂直面控制需求。

4結(jié)語

根據(jù)以上文章內(nèi)容，現(xiàn)階段，在超高輸電塔變形檢測技術(shù)中融入智能天線能有效地實(shí)現(xiàn)無線測量技術(shù)的發(fā)展，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合智能天線信號處理技術(shù)、以及超高塔變形檢測方式。根據(jù)上述仿真以及計(jì)算結(jié)果顯示，在超高輸電塔信標(biāo)位置，安裝過程中，需要考慮到入射信號噪比監(jiān)測、載波頻率等一系列因素，實(shí)現(xiàn)超高輸電塔變形測量的準(zhǔn)確度。在此過程中，應(yīng)該以電磁波作為主要的測量方式，該方式憑借者自身較高的優(yōu)勢，被使用在地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)、環(huán)境惡劣的天氣條件下。能實(shí)現(xiàn)全方位、全天候的檢測工作，為輸電塔變形提供更加精準(zhǔn)、有效的測量方式。該方案不僅可以使用在超高輸電塔變形監(jiān)測技術(shù)中，也可以使用在橋梁、隧道等結(jié)構(gòu)變形檢測過程中，為智能天線發(fā)展注入新鮮活力。