基站天線風振響應數據采集系統研制

韓明超 李皓琰 孫國良 汲書強 韓月鵬 臧戰勝

摘要：風振會造成基站天線安裝位置產生相對位移，影響無線信號傳播的多徑相位，進而導致信號的傳輸損耗波動，出現網絡覆蓋盲區，針對基站天線風振響應數據采集需求，設計一種風振數據采集系統。系統使用ARM作為核心控制器，采用傳感器模塊獲得天線所受的風振，通過采集板卡數據采集和無線數據傳輸模塊以及云端服務器第1次實現基站天線風振數據的采集、傳輸與儲存。經實際安裝測試與數據分析，得到不同風速下基站天線的風振譜，為實驗室環境下模擬天線受風振影響輻射性能指標動態變化打下基礎，同時為掛塔天線安裝可靠性風險控制、未來5G陣列天線（MIMO massive）結構設計、5G網絡覆蓋與優化提供重要原始風振數據。

關鍵詞：基站天線;風振;數據采集

中圖分類號：TP391 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）07-0102-06

收稿日期：2018-07-20;收到修改稿日期：2018-08-15

作者簡介：韓明超（1989-），男，河北保定市人，碩士，從事通信設備可靠性檢測、監測系統研發，通信設備抗震標準制定。

0 引言

風振是基站天線最大載荷之一，露天工作的天線受風振后其實際反射面與理論反射面間會存在偏差，嚴重影響其分辨率和靈敏度，致使工作性能降低[1]，目前國內外對天線風振的研究主要針對大口徑天線，多采用理論計算、仿真和風洞試驗等方法得到天線結構的風激響應、風壓分布和電性能響應[2-6]，而基站雙極化天線是我國應用數量最多，安裝范圍最為廣泛的天線，其物理尺寸目前已達2.10m×0.4m，根據電磁波傳播的多徑效應和波疊加理論，基站天線受風振產生的相對位移會影響天線電磁波傳播的多徑相位，出現信號傳輸強度損耗波動，造成網絡覆蓋下降，直接導致通話接通率和網絡無線數據傳輸速率降低。

目前基站天線受風振影響造成的的網絡覆蓋下降并未引起重視，相關研究還處于空白狀態，隨著無線網絡業務的迅速增長，據預測到2020年5G通信網絡將實現規模商用，數據業務將增長500～10005G通信商用頻段會達到毫米波量級，依據天線理論應用于5G通信的大規模天線陣列系統181的物理尺寸會相應增大，其工作頻段和精度對風振動位移更加敏感，天線受風振動影響導致網絡邊緣覆蓋的惡化已不可忽略。因此開展基站天線風振數據采集與研究，對無線網絡的優化覆蓋以及天線結構可靠性設計與風險控制，提高通信網絡穩定性具有重要現實意義和指導意義，對2020年5G大規模天線陣列結構設計與組網網絡覆蓋優化極具前瞻性。本文設計了一種基站天線風振數據采集板卡，包括傳感器系統、數據處理系統、信息傳輸和數據存儲系統，實現了風振數據的采集和實測譜分析。

1 系統架構

采集系統由傳感器系統、數據采集板卡、信息傳輸與數據存儲系統構成，其中傳感器系統包括振動傳感器和超聲波風速風向傳感器，傳感器安裝于鐵塔天線抱桿，用于采集風荷和天線振動加速度數據。前端數據采集板卡通過ARM核心芯片控制AI]模塊實現數據的多通道采集。信息傳輸系統分為CDMA2000移動通信網絡和數據云平臺，負責風振數據和命令幀的傳輸以及數據的存儲。終端設備（UE）可通過公用網絡訪問數據云平臺服務器，實現對采集板卡的參數設置和數據的實時查看下載，系統整體架構組成框圖如圖1所示。

2 系統設計與實現

2.1 傳感器系統分析

2.1.1 加速度振動傳感器

針對基站天線風振數據特點，為滿足天線振動信號的采集，振動傳感器采用壓電式三軸高精度振動傳感器SENTHER860-10（頻率范圍0～400Hz，X向靈敏度100Hz時為213.38mV/g），壓電式傳感器原理是一種機電換能器，選取的壓電元件為人造陶瓷、天然石英石等，當負荷產生一定方向的形變或受應力時，極化面會出現同應力相對應的電荷[9]，通過測量對應的電壓值實現振動數據的采集。加速度振動傳感器采用U型卡安裝在天線機械臂與抱桿連接處。

2.1.2 超聲波風速風向傳感器

風速風向傳感器使用數字型超聲波傳感器FRTFWS600（風向測量范圍0°～360°，準確度±3°，風速測量范圍0～60m/s，準確度±0.3m/s），該傳感器可精確采集風速、風向值，并可通過RS485接口進行風速數據采集設置，滿足野外艱苦環境安裝與采集精度要求，風速風向傳感器使用抱箍安裝在天線抱桿頂部。

2.2 數據采集板卡設計

2.2.1 板卡功能布局

根據數據采集需求，設計的數據采集板卡硬件功能組成如圖2所示。

數據采集板卡首先通過調理電路對振動傳感器模擬電壓輸入信號進行輸入電壓限制保護和低通濾波，濾除信號中的高頻噪聲干擾成分，模數轉換芯片根據ARM處理器的寄存器配置以設定的采樣頻率對信號進行采樣，超聲波風速風向傳感器使用RS485收發芯片實現數字信號的采集，然后ARM處理器將采集到的模擬電壓信號和數字信號進行打包存儲，最后通過3G模塊CDMA2000網絡將數據傳輸到云平臺上，完成風振數據的采集。采集板卡現場使用基站機房開關電源，設計電源轉換模塊將直流48V電源轉換為板卜各類型芯片正常工作電壓。

2.2.2 板卡硬件電路設計

根據板卡功能布局和數據采集要求，板卡的主要器件選型如表1所示。

采集板卡的信號調理電路與AD采集模塊設計如圖3所示，ADS131E08可支持8路模擬通道輸人，系統采集板卡設計使用6路通道，分別采集振動傳感器1的X向/Y向/Z向數據和振動傳感器2的X向/Y向/Z向數據，剩余2路冗余，支持通道擴展。信號調理電路由鉗位電路和RC低通濾波器組成，鉗位電路原理為兩個二極管反向并聯，設計的鉗位電路上端二極管連接5V直流電壓，下端二極管接地，振動傳感器正常輸出電壓為0～5V，通過鉗位電路實現了對后置AD轉換芯片輸入端的過壓保護，滿足AD轉換芯片的電壓采樣范圍。RC低通濾波器濾除電壓數據中的高頻成分，防止高頻信號對采集的電壓信號干擾。AD轉換芯片ADS131E08通過OMAPL138處理器進行控制與寄存器配置，AD轉換芯片設置8路通道并行采樣，采集數據由DOUT引腳串行輸出。

由于數據采集板卡需要安裝在鐵塔上，長時間處于高溫高濕高鹽多雨的環境中，設計使用鑄造鋁殼外殼對板卡進行防護，外殼和數據采集板卡構成掛塔采集儀，采集儀內部PCB電路和模塊功能布局如圖4所示。

采集儀通過4個接口與外部連接，接口分別為電源輸入接口、風速風向傳感器輸入接口、振動傳感器輸入接口和采集儀天線接口，接口通過不同插針數量實現防插反、防差錯設計。

2.3 信息傳輸與數據存儲系統設計

采集儀通過3G模塊MC509并使用SIM卡進行CDMA2000網絡認證與連接，實現了采集儀與云端服務器的數據交互，采集數據通過無線網絡傳輸并存儲在云端服務器中。終端設備通過有線或無線公共服務網絡連接到云端服務器，可實現采集儀實時控制和云端服務器采集數據查看與下載，信息傳輸與控制實現設計如圖5所示。

采集儀上電初始化后首先通過網絡與云端服務器進行連接，網絡連接成功后按照設定的采集參數配置，然后進行振動和風荷數據采集與傳輸。實際使用中，當采集儀遭遇狂風、暴雨等極端天氣條件造成網絡中斷系統掉線時，采集儀將按照掉線前最后一次成功設置進行數據采集，采集到的數據存儲到板卡上的存儲卡中，等網絡恢復后，系統重新上線，將掉線或網絡異常時存儲在存儲卡中數據重新發送到服務器，避免了系統掉線或異常時的數據丟失，保證了數據的完備性，提高了系統的抗惡劣天氣的能力，采集儀的工作流程圖如圖6所示。

3 采集實例與數據分析

3.1 系統校準驗證

采集儀使用電磁振動臺、校準傳感器、數據采集分析軟件進行校準驗證，將校準傳感器固定于電磁振動臺上，傳感器采集線與采集儀通道連接。控制電磁振動臺做幅值0.8g，頻率為8Hz的正弦振動，通過數據采集分析軟件讀取采集儀采集到的信號對系統進行校準，測試系統連接如圖7所示。

分別校準采集儀X向/Y向/Z向通道，校準后的結果如表2所示。通道幅值最大誤差為2.988%，頻率最大誤差為0.041%，滿足數據采集要求。

3.2 天線風振實測數據與分析

基站天線風振數據采集系統掛塔實物圖如圖8所示，為準確采集天線的風振數據，風速風向傳感器通過抱箍安裝在天線抱箍頂部，振動傳感器安裝在天線機械臂與抱桿連接處，采集儀使用鋼扎帶固定到鐵塔平臺上。

以高風壓（臺風、季風）多發地區廣東陽江某角鋼塔基站天線為例，該基站天線尺寸為1.4m×0.4m，掛塔高度為35m，通過1個月的數據采集與下載獲得了多組不同風速下的天線風振數據，采用GJB/Z 126-99《振動、沖擊環境測量數據歸納方法》[10]中容差上限法對振動數據進行處理，當置信度為50%、分位點為0.95時，分析處理風振數據，天線機械臂處的風振實測譜如圖9所示。

經過分析對比1～3m/s，4～6m/s和7～9m/s風速下功率譜密度圖可得出，隨著風速的增加，天線風振功率譜密度變大，即風能對基站天線造成的振動隨著風速的增加而增大，并且風能對基站天線造成的振動主要集中在60Hz以下。

4 結束語

本文設計了一種基站天線風振響應數據采集系統，首次實現了基站天線風振數據的采集，并針對目前廣泛應用的雙極化天線風振實測數據計算歸納出了天線風載隨機振動實測譜，為下一步實驗室環境下模擬天線受風振影響輻射性能指標動態變化提供了真實原始風振數據，同時為5G毫米波大規模天線陣列結構設計與安裝風險控制、5G通信組網與優化奠定了基礎。

參考文獻

[1]劉巖，錢宏亮，范峰.超大口徑天線的結構響應[J].振動測試與診斷，2016，36（3）：459-465.

[2]劉巖，錢宏亮，范峰.大型射電望遠鏡結構風荷載特性研究[J].紅外與激光工程，2015，44（1）：148-156.

[3]龐毅.深空大天線結構設計關鍵技術[J].電子機械工程，2011，27（3）：28-30.

[4]SOLARI G，PICCARDO G.Probabilistic 3-D turbulencemodeling for gust buffeting of structures[J].ProbabilisticEngineering Mechanics，2001，16（1）：73-86.

[5]劉彥，張慶明，黃風雷，等.反射面變形對天線輻射特性的影響[J].北京理工大學學報，2004，24（6）：541-545.

[6]張巨勇，施滸立，陳志平，等.大口徑天線電性能風振響應的時域分析[J].應用力學學報，2008，25（1）：84-88.

[7]許森，張光輝，曹磊.大規模多天線系統的技術展望[J].電信技術，2013（12）：25-28.

[8]劉寧，袁宏.5G大規模天線系統研究現狀及發展趨勢[J].電子科技，2015，28（4）：182-185.

[9]曹麗曼.壓電式加速度傳感器振動測量應用研究[J].自動化與儀器儀表，2015（7）：164-166.

[10]振動、沖擊環境測量數據歸納方法：GJB/Z 126-99[S].北京：中國標準出版社，1999.

（編輯：劉楊）