無人機(jī)技術(shù)支持下的短波天線方向圖測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

冷學(xué)健 陳恩平

摘要：短波天線方向圖由于天線本身尺寸巨大、受實(shí)際架設(shè)環(huán)境影響等因素一直以來存在測試難、只能理論仿真的問題。近年來無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展給短波天線方向圖測試帶來新的思路和方法。無人機(jī)搭載機(jī)載測試設(shè)備與地面測試設(shè)備通過無線數(shù)傳，對(duì)測試數(shù)據(jù)和位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)傳遞，可以準(zhǔn)確測量出三緯空間中天線的方向圖數(shù)據(jù)。

關(guān)鍵詞：無人機(jī);短波天線;方向圖測試

1引言

短波天線體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜并且與實(shí)際架設(shè)環(huán)境密不可分，天線性能的常規(guī)測試僅限于天線駐波系數(shù)、阻抗、端口電壓等，對(duì)于實(shí)際場地條件下的天線方向圖、增益等輻射性能，一般采用理論計(jì)算或縮比模型測試，其測試結(jié)果與天線的實(shí)際性能存在較大的差異[1]。因此，為準(zhǔn)確測量實(shí)地條件下短波天線輻射性能，評(píng)估短波固定臺(tái)站天線效能，優(yōu)化短波通信網(wǎng)絡(luò)布局，需要研制一套短波天線測試系統(tǒng)。

2系統(tǒng)組成

短波天線測試系統(tǒng)由兩部分組成，一部分為搭載于無人機(jī)平臺(tái)的機(jī)載測試控制設(shè)備，另一部分為地面測試控制設(shè)備，這兩部分通過無線數(shù)傳鏈路進(jìn)行通信和控制。

3測試原理

固定臺(tái)站短波天線由于其體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，架設(shè)后難以移動(dòng)，并且天線性能與實(shí)際天線場地及周圍環(huán)境緊密相關(guān)，因此對(duì)天線方向圖測量采用固定天線法。固定天線測量方法即位于實(shí)際地面的待測天線固定不動(dòng)，并在實(shí)際工作狀態(tài)下發(fā)射信號(hào)，搭載接收天線及接收設(shè)備的無人機(jī)繞待測天線在特定的角度內(nèi)以一定半徑作圓周運(yùn)動(dòng)，記錄無人機(jī)的飛行軌跡及相應(yīng)位置的場強(qiáng)值[2]。

根據(jù)電磁場理論，天線在某方向的輻射電場強(qiáng)度與天線增益的關(guān)系式為：

其中為半徑r的球面上在方向的電場強(qiáng)度的模值，為待測天線的輸入功率，G為天線增益。機(jī)載接收天線采用定標(biāo)三坐標(biāo)接收天線，可同時(shí)測量電場、、三個(gè)分量，從而可得出總電場的大小為：

距離r、仰角，方位角均可根據(jù)無人機(jī)與待測天線的相對(duì)位置得到，可由功率計(jì)測得。由此可得出天線在空間任一輻射方向的增益。

因此機(jī)載接收天線也可采用定標(biāo)三坐標(biāo)磁性天線，同時(shí)測量磁場、、三個(gè)分量，得出總磁場的大小：

同樣測出天線在空間任一輻射方向的增益。

由天線方向系數(shù)的一般公式：

通過對(duì)測得的場強(qiáng)進(jìn)行積分可得出在某一方向的方向系數(shù)，以最大值進(jìn)行歸一化即可得到天線的輻射方向圖。

該測量方法的天線增益及方向圖測量原理，僅為空間矢量場的三維正交分解和天線基本原理[4]。測量的關(guān)鍵是三坐標(biāo)接收天線的定標(biāo)、實(shí)際地面條件下測試系統(tǒng)的誤差控制以及工程化實(shí)現(xiàn)。

4無人機(jī)飛行軌跡

為了獲得待測天線整個(gè)空間的立體方向圖，總是希望機(jī)載接收天線在整個(gè)球面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng)，但由于地面的存在，往往只關(guān)心天線上半空間的方向圖，而且對(duì)于飛行器來說，這種理想的球面飛行軌跡難以實(shí)現(xiàn)。實(shí)際測量時(shí)，采用圓球螺旋線作為其測試軌跡[3]，示意圖如圖2所示：

根據(jù)短波天線上半空間輻射特點(diǎn)及遠(yuǎn)場測試條件，對(duì)測試距離即球半徑、測試仰角及方位角的整體范圍要求為：

5 軟件設(shè)計(jì)

短波天線測試系統(tǒng)軟件分為機(jī)載測試控制軟件和地面測試控制軟件兩部分。

機(jī)載測試控制軟件運(yùn)行在記載測試控制設(shè)備中，是記載測試控制設(shè)備的控制中心，主要功能是控制機(jī)載測試控制設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的測試，對(duì)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、協(xié)同機(jī)載測試控制設(shè)備中的各個(gè)模塊工作，還擔(dān)負(fù)著接收地面測試控制設(shè)備的指令和向地面測試控制設(shè)備發(fā)送測試數(shù)據(jù)。

地面測試控制軟件主要功能是通過無線數(shù)傳模塊接收無人機(jī)傳回的數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、分析、處理、生成數(shù)據(jù)文件，并根據(jù)文件繪制二維方向圖和三維方向圖。該軟件還承擔(dān)了對(duì)接收機(jī)、DGPS模塊、數(shù)傳模塊的控制、狀態(tài)采集、狀態(tài)顯示等功能。任務(wù)執(zhí)行過程包括人機(jī)交互、參數(shù)管理等。

地面軟件與地面數(shù)傳模塊、DGPS（地面）、發(fā)射機(jī)模塊通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，DGPS（地面）與地面數(shù)傳模塊通過串口通信[5]。地面數(shù)傳與機(jī)載數(shù)傳之間通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸。機(jī)載數(shù)傳模塊、機(jī)載軟件、DGPS（機(jī)載）之間通過串口進(jìn)行相互通信。

6 測試結(jié)果

利用天線測試系統(tǒng)測試鞭天線的天線方向圖。

為無人機(jī)規(guī)劃飛行軌跡，分別為以天線為圓心，半徑100m，30°仰角的水平圓和以天線為圓心，半徑100m，130°方位角的垂直半圓。

7 結(jié)語

本系統(tǒng)解決了短波天線方向圖測試?yán)щy的問題?？梢詫?duì)現(xiàn)有短波收發(fā)臺(tái)站的天線遠(yuǎn)場輻射性能進(jìn)行實(shí)地測量，準(zhǔn)確得出天線輻射方向圖、增益等性能參數(shù)，定量評(píng)估短波天饋系統(tǒng)的實(shí)際效能;為短波臺(tái)站的維護(hù)維修、更新整治等提供直接有效的技術(shù)判決依據(jù);也可對(duì)天線廠家提供的天線產(chǎn)品進(jìn)行輻射性能測試、對(duì)比，直接驗(yàn)證其性能參數(shù)與實(shí)際研制生產(chǎn)后的工程化產(chǎn)品是否相符，可作為產(chǎn)品檢驗(yàn)驗(yàn)收與優(yōu)選的重要依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

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