大尺寸短波发射天线现场测试技术研究

江思杰，江传华，毛 勇，郑松峰，王继红

（中国船舶重工集团公司第七二二研究所，武汉 430079）

大尺寸短波发射天线现场测试技术研究

江思杰，江传华，毛 勇，郑松峰，王继红

（中国船舶重工集团公司第七二二研究所，武汉 430079）

三线、对数周期等大尺寸天线大量应用于通信台站与舰船上，然而，考虑到天线放置地点、工作频段、通信覆盖范围等要求，这类天线都具有较大的物理尺寸，在实验室环境和外场试验环境下都无法直接测量辐射方向图、发射效率、驻波比等天线性能指标。以大尺寸短波发射天线现场测试技术为研究对象，分析了大尺寸短波发射天线现场测手段的必要性与所存在的不足，在传统现场测试方法的基础上，提出了一种基于无人机的短波发射天线现场测试方法，对信台站与舰艇上大尺寸短波发射天线的设计、施工、调试、维修、以及现场系统联调等环节起到保障作用。

大尺寸短波发射天线；辐射方向图；现场测试；无人机

引言

如今，随着国防通信技术的不断发展，短波天线在数据链通信、信息交互、情报传递等方面得到了非常广泛的应用。短波通信系统的效果好坏，主要取决于电台和天线性能的优劣。 天线的性能主要用辐射方向图、极化方向、增益以及阻抗等参量指标来评价。辐射方向图表示了天线的方向性；极化方向表示天线辐射的电场矢量的方向[1]。在短波通信中，对地波和空间波，系统的收发天线极性应一致，否则将导致通信质量下降甚至无法通信。在天线参数中，天线增益是一项基本属性，其大小直接影响了信号传播的距离；驻波比与阻抗则表示了天线与发射机之间的发射效率与匹配程度，天线驻波比越小，则代表天线所辐射出去的能量越大。另外，天线的辐射仰角反映天线在垂直面里辐射的最大方向。

本文分析了传统短波发射天线的测试手段，在此基础上提出了一种基于无人机的大尺寸短波发射天线现场测试方法，并将该方法应用于通信台站，为大尺寸短波发射天线的设计、施工、调试、维修、以及现场系统联调等环节起到保障作用。

1 传统技术方案分析

随着短波通信技术的快速发展，短波天线现场测试技术也有了进一步的提高。以短波天线的幅度方向图现场测试为例，传统测量系统如图1所示，由远处的一架运载工具携带测量天线或源天线，按远处测试条件，按设定的航行轨迹围绕待测天线飞行，并实时测量和记录信号幅度，最终对这些信号数据加以处理，给出天线的幅度方向图。这种测试方法能很好地评测天线的辐射/接收性能，但对运载工具的要求高，所需的辅助条件多，且操作困难（主要是测量天线和待测天线的实时对准比较困难），测试费用也很高[2]。在没有运载飞行工具时，就需要按测量规划的测试地点，逐一变化测试地点进行测试，这种测试方法虽然在每个测试点的测试比较容易操作，但因为需要测试的点较多，时间的地理条件复杂，需要移动的测试设备也很多，从而需要花费很长的时间，测量效率很低[3]。

目前，对于不同类型的大尺寸短波发射天线，受工作频率、实际尺寸、安装位置、物理结构等因素的影响，传统大尺寸短波发射天线测试方法难以适用，主要存在以下几点不足：

1）模拟实际使用现场的条件不足，使外场测试的结果不能真实或理想地反应天线的实际使用性能；

2）现行的现场测试系统和测试方法，要么需要大量的物力和财力，要么需要大量的人力和时间。

综上所述，为保障我军通信和指挥系统的质量和可靠性，有必要针对大尺寸短波发射天线研究高效便携、精确度高的实际性能评测平台，为短波天线的设计、检修提供可行有效的数据支持。

图1 传统短波天线测试方案

2 技术难点

随着国防通信技术快速发展，大尺寸短波发射天线的应用更加广泛，由于装尺寸较大、地理位置较为特殊等原因，普通现场测试方案无法适用[4]。现今，运载飞行器的普及为大尺寸短波发射天线现场测试技术带了重要的突破，也存在诸多问题：

1）操作困难。传统短波发射天线现场测试方法操作起来十分复杂，主要集中在测量天线和待测天线的实时对准、运载飞行器的自动控制、场强参数与导航信号的实时传输；

2）辅助条件多。传统短波发射天线现场测试方法是非便携的。需在地面配备跟踪装置，同时架设参考天线，除此之外，所采集的信号参数还需通过人工计算的方式绘制方向图以及计算相关参数；

3）测试费用高。传统短波发射天线现场测试方法的测试费用过高，其主要成本集中在运载无人机、测量天线、参考天线、地面跟踪装置、数据处理系统与运载设施，除此之外，还需核算人工计算与绘制的工作量，导致测试费用居高不下；

4）运载飞行器要求较高。普通无人机的载荷只有1～2 kg，在放置测量设备、测量天线与存储设备的同时，还需预留10 %的冗余空间，用于添加防护措施。因此，传统大尺寸短波发射天线现场测试方法对于运载飞行器的要求非常高。

3 系统构成

通过分析传统短波发射天线现场测试方法的不足，结合现有的技术储备能力，项目组提出了一套基于无人机的大尺寸短波发射天线现场测试系统包括两大部分：运载飞行器测试平台和地面控制与处理系统。该方法采用便携式设计理念，设计方案如图2所示：

1）运载飞行器测试平台

运载飞行器测试平台由嵌入式可编程系统、采样单元、SD卡存储单元、上位机通讯单元、电源稳压滤波单元以及测试天线及控制/存储模块。

①嵌入式可编程系统

运载飞行器测试平台核心采用面向用户的嵌入式可编程系统，该系统与应用紧密结合，具有极强的专用性，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求，并根据实际使用情况进行功能裁减或扩展。此外，由于嵌入式可编程系统具有较高的实时性，且具备固态存储功能，有利于提高系统的实时数据采集精度。与此同时，该系统它的片内资源很丰富、抗干扰能力强、安装便捷，很好地满足了运载飞行器测试平台的技术要求。

②采样单元

运载飞行器测试平台采样单元主要由光电转换模块与采样电路构成，其原理是由探头采集场强参量，交由光电转模块转换后输出模拟信号，再由采样电路完成高速数模转换并将数字信号输出至嵌入式可编程系统。采样单元需要具备极强的抗干扰能力与较高的采样速率。

③SD卡储存单元

本系统中，嵌入式可编程系统采用SPI模式实现与SD卡存储单元的接口通讯。由于嵌入式可编程系统具备功耗低、体积小、片内功能高丰富等优点，且工作电压的典型值为3.3 V，与SD卡的工作电压兼容，因而可以直接与SD卡连接，无需电平转换电路。

图2 基于无人机的大尺寸短波发射天线现场测试方案

④上位机通讯单元

运载飞行器测试平台需要依靠无人机上搭载的对地通讯方式在实现信号的实时传输功能，因此，与上位机，即无人机之间的通信是非常必要的。目前，市面上多旋翼无人机主要应用于航拍领域，其接口大多采用USB接口、AV视频接口、HDMI高清视频接口、RS23串口等，而固定翼无人机通讯接口可定制，因此，本系统采用USB接口联络模式。

⑤电源稳压滤波单元

运载飞行器测试平台的供电是由无人机提供的，考虑到无人机提供的电源不一定满足本系统的供电要求，因此需要添加电源稳压滤波单元。

⑥测试天线及控制/存储模块

运载飞行器测试平台的探头采用由项目组自研的全向高精度有源测试天线，有源测试天线置于机箱外[6]，通过光纤与机箱内的控制和存储系统连接，在机箱内，将有源测试天线的光信号转换为电信号提供给采样电路，从而实现场强参量的实时采集与存储。

2）地面控制与处理系统

地面控制系统直接根据无人机的控制器进行改装，后台处理系统是个人笔记本电脑上安装自编的软件[5]，从无人机测试系统的数据记录卡（SD卡）上读取数据，并处理数据，绘制方向图，计算天线的其它性能参量。

具体功能如下：

①对同一航迹上的多次测量数据进行平均或拟合处理，得到航迹上相对准确的场强信息数据；

②根据数据得到幅度方向图、相位方向图和增益方向图[3]；

③根据航测数据完成2D方向图（水平方向图和垂直方向图）的分析，给出常用的评估参数的数据。可将仿真数据（或方向图）与实测数据（或方向图）进行叠加比较；

④具有数据显示、打印功能；

⑤根据事先设定的参数要求自动生成测试报告。

4 系统运行流程

1）启动地面控制与处理系统，根据待测空间区域的场强特征和测试需求，设定运载飞行器测试平台的飞行轨迹与测量方式；

2）利用地面控制与处理系统对运载飞行器测试平台进行系统自检；

3）自检合格后，启动运载飞行器测试平台，将该平台送至指定空域，采集与存储当前测试数据，航行结束后返回指定降落地点；

4）取出存储介质，分析测量数据，绘制方向图并计算相关参数；

5）系统需具有较强的电磁兼容性与环境适应性。

5 结论

本文阐述了大尺寸发射天线现场测试技术的应用现状，通过实测经验分析了现有检测技术所存在的问题，提出了一套基于无人机的大尺寸短波发射天线现场测试系统，详细介绍了该方法的原理与系统组成，为短波通信质量提供了有效的保障。

[1]蒋宇中，张曙霞，韩郁. 强噪声环境下测量甚低频天线阻抗方法的研究[J].电波科学学报. 2004, 19(05): 543-546.

[2]李晨，宓超. 基于飞思卡尔单片机MC9S12XS128的智能车设计[J].上海海事大学学报. 2012, 33(1): 82-84.

[3]崔振刚，姜弢，杨欣. UWB技术在舰船电子系统中的应用展望[J].舰船电子工程. 2007(02): 28-30.

[4]张志文. 船舶常用中短波天线及其验收、维护保养[J].天津航海. 2006(04): 38-40.

[5]王怡苹,许爱强,汪定国.自动测试系统中测试数据管理[J].电子测量技术. 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，工学硕士，工程师，主要研究方向为仪器与测试技术、数据算法处理、机械自动化控制、低频通信技术等。

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