江思杰，江傳華，毛 勇，鄭松峰，王繼紅

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)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(chǎng)測(cè)試技術(shù)研究

江思杰，江傳華，毛 勇，鄭松峰，王繼紅

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二二研究所，武漢 430079）

三線、對(duì)數(shù)周期等大尺寸天線大量應(yīng)用于通信臺(tái)站與艦船上，然而，考慮到天線放置地點(diǎn)、工作頻段、通信覆蓋范圍等要求，這類(lèi)天線都具有較大的物理尺寸，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和外場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境下都無(wú)法直接測(cè)量輻射方向圖、發(fā)射效率、駐波比等天線性能指標(biāo)。以大尺寸短波發(fā)射天線現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)為研究對(duì)象，分析了大尺寸短波發(fā)射天線現(xiàn)場(chǎng)測(cè)手段的必要性與所存在的不足，在傳統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于無(wú)人機(jī)的短波發(fā)射天線現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法，對(duì)信臺(tái)站與艦艇上大尺寸短波發(fā)射天線的設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試、維修、以及現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)測(cè)試；無(wú)人機(jī)

引言

如今，隨著國(guó)防通信技術(shù)的不斷發(fā)展，短波天線在數(shù)據(jù)鏈通信、信息交互、情報(bào)傳遞等方面得到了非常廣泛的應(yīng)用。短波通信系統(tǒng)的效果好壞，主要取決于電臺(tái)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(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)。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(chǎng)矢量的方向[1]。在短波通信中，對(duì)地波和空間波，系統(tǒng)的收發(fā)天線極性應(yīng)一致，否則將導(dǎo)致通信質(zhì)量下降甚至無(wú)法通信。在天線參數(shù)中，天線增益是一項(xiàng)基本屬性，其大小直接影響了信號(hào)傳播的距離；駐波比與阻抗則表示了天線與發(fā)射機(jī)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(cè)試手段，在此基礎(chǔ)上提出了一種基于無(wú)人機(jī)的大尺寸短波發(fā)射天線現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法，并將該方法應(yīng)用于通信臺(tái)站，為大尺寸短波發(fā)射天線的設(shè)計(jì)、施工、調(diào)試、維修、以及現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)等環(huán)節(jié)起到保障作用。

1 傳統(tǒng)技術(shù)方案分析

隨著短波通信技術(shù)的快速發(fā)展，短波天線現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)也有了進(jìn)一步的提高。以短波天線的幅度方向圖現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試為例，傳統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示，由遠(yuǎn)處的一架運(yùn)載工具攜帶測(cè)量天線或源天線，按遠(yuǎn)處測(cè)試條件，按設(shè)定的航行軌跡圍繞待測(cè)天線飛行，并實(shí)時(shí)測(cè)量和記錄信號(hào)幅度，最終對(duì)這些信號(hào)數(shù)據(jù)加以處理，給出天線的幅度方向圖。這種測(cè)試方法能很好地評(píng)測(cè)天線的輻射/接收性能，但對(duì)運(yùn)載工具的要求高，所需的輔助條件多，且操作困難（主要是測(cè)量天線和待測(cè)天線的實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)比較困難），測(cè)試費(fèi)用也很高[2]。在沒(méi)有運(yùn)載飛行工具時(shí)，就需要按測(cè)量規(guī)劃的測(cè)試地點(diǎn)，逐一變化測(cè)試地點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，這種測(cè)試方法雖然在每個(gè)測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試比較容易操作，但因?yàn)樾枰獪y(cè)試的點(diǎn)較多，時(shí)間的地理?xiàng)l件復(fù)雜，需要移動(dòng)的測(cè)試設(shè)備也很多，從而需要花費(fèi)很長(zhǎng)的時(shí)間，測(cè)量效率很低[3]。

目前，對(duì)于不同類(lèi)型的大尺寸短波發(fā)射天線，受工作頻率、實(shí)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(cè)試方法難以適用，主要存在以下幾點(diǎn)不足：

1）模擬實(shí)際使用現(xiàn)場(chǎng)的條件不足，使外場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果不能真實(shí)或理想地反應(yīng)天線的實(shí)際使用性能；

2）現(xiàn)行的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)和測(cè)試方法，要么需要大量的物力和財(cái)力，要么需要大量的人力和時(shí)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(duì)大尺寸短波發(fā)射天線研究高效便攜、精確度高的實(shí)際性能評(píng)測(cè)平臺(tái)，為短波天線的設(shè)計(jì)、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(cè)試方案

2 技術(shù)難點(diǎn)

隨著國(guó)防通信技術(shù)快速發(fā)展，大尺寸短波發(fā)射天線的應(yīng)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(chǎng)測(cè)試方案無(wú)法適用[4]?，F(xiàn)今，運(yùn)載飛行器的普及為大尺寸短波發(fā)射天線現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)帶了重要的突破，也存在諸多問(wèn)題：

1）操作困難。傳統(tǒng)短波發(fā)射天線現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法操作起來(lái)十分復(fù)雜，主要集中在測(cè)量天線和待測(cè)天線的實(shí)時(shí)對(duì)準(zhǔn)、運(yùn)載飛行器的自動(dòng)控制、場(chǎng)強(qiáng)參數(shù)與導(dǎo)航信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸；

2）輔助條件多。傳統(tǒng)短波發(fā)射天線現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法是非便攜的。需在地面配備跟蹤裝置，同時(shí)架設(shè)參考天線，除此之外，所采集的信號(hào)參數(shù)還需通過(guò)人工計(jì)算的方式繪制方向圖以及計(jì)算相關(guān)參數(shù)；

3）測(cè)試費(fèi)用高。傳統(tǒng)短波發(fā)射天線現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法的測(cè)試費(fèi)用過(guò)高，其主要成本集中在運(yùn)載無(wú)人機(jī)、測(cè)量天線、參考天線、地面跟蹤裝置、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)與運(yùn)載設(shè)施，除此之外，還需核算人工計(jì)算與繪制的工作量，導(dǎo)致測(cè)試費(fèi)用居高不下；

4）運(yùn)載飛行器要求較高。普通無(wú)人機(jī)的載荷只有1～2 kg，在放置測(cè)量設(shè)備、測(cè)量天線與存儲(chǔ)設(shè)備的同時(shí)，還需預(yù)留10 %的冗余空間，用于添加防護(hù)措施。因此，傳統(tǒng)大尺寸短波發(fā)射天線現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法對(duì)于運(yùn)載飛行器的要求非常高。

3 系統(tǒng)構(gòu)成

通過(guò)分析傳統(tǒng)短波發(fā)射天線現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法的不足，結(jié)合現(xiàn)有的技術(shù)儲(chǔ)備能力，項(xiàng)目組提出了一套基于無(wú)人機(jī)的大尺寸短波發(fā)射天線現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)包括兩大部分：運(yùn)載飛行器測(cè)試平臺(tái)和地面控制與處理系統(tǒng)。該方法采用便攜式設(shè)計(jì)理念，設(shè)計(jì)方案如圖2所示：

1）運(yùn)載飛行器測(cè)試平臺(tái)

運(yùn)載飛行器測(cè)試平臺(tái)由嵌入式可編程系統(tǒng)、采樣單元、SD卡存儲(chǔ)單元、上位機(jī)通訊單元、電源穩(wěn)壓濾波單元以及測(cè)試天線及控制/存儲(chǔ)模塊。

①嵌入式可編程系統(tǒng)

運(yùn)載飛行器測(cè)試平臺(tái)核心采用面向用戶(hù)的嵌入式可編程系統(tǒng)，該系統(tǒng)與應(yīng)用緊密結(jié)合，具有極強(qiáng)的專(zhuān)用性，滿足應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、體積等要求，并根據(jù)實(shí)際使用情況進(jìn)行功能裁減或擴(kuò)展。此外，由于嵌入式可編程系統(tǒng)具有較高的實(shí)時(shí)性，且具備固態(tài)存儲(chǔ)功能，有利于提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集精度。與此同時(shí)，該系統(tǒng)它的片內(nèi)資源很豐富、抗干擾能力強(qiáng)、安裝便捷，很好地滿足了運(yùn)載飛行器測(cè)試平臺(tái)的技術(shù)要求。

②采樣單元

運(yùn)載飛行器測(cè)試平臺(tái)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(chǎng)強(qiáng)參量，交由光電轉(zhuǎn)模塊轉(zhuǎn)換后輸出模擬信號(hào)，再由采樣電路完成高速數(shù)模轉(zhuǎn)換并將數(shù)字信號(hào)輸出至嵌入式可編程系統(tǒng)。采樣單元需要具備極強(qiáng)的抗干擾能力與較高的采樣速率。

③SD卡儲(chǔ)存單元

本系統(tǒng)中，嵌入式可編程系統(tǒng)采用SPI模式實(shí)現(xiàn)與SD卡存儲(chǔ)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(diǎn)，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(wú)需電平轉(zhuǎn)換電路。

圖2 基于無(wú)人機(jī)的大尺寸短波發(fā)射天線現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方案

④上位機(jī)通訊單元

運(yùn)載飛行器測(cè)試平臺(tái)需要依靠無(wú)人機(jī)上搭載的對(duì)地通訊方式在實(shí)現(xiàn)信號(hào)的實(shí)時(shí)傳輸功能，因此，與上位機(jī)，即無(wú)人機(jī)之間的通信是非常必要的。目前，市面上多旋翼無(wú)人機(jī)主要應(yīng)用于航拍領(lǐng)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(wú)人機(jī)通訊接口可定制，因此，本系統(tǒng)采用USB接口聯(lián)絡(luò)模式。

⑤電源穩(wěn)壓濾波單元

運(yùn)載飛行器測(cè)試平臺(tái)的供電是由無(wú)人機(jī)提供的，考慮到無(wú)人機(jī)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(cè)試天線及控制/存儲(chǔ)模塊

運(yùn)載飛行器測(cè)試平臺(tái)的探頭采用由項(xiàng)目組自研的全向高精度有源測(cè)試天線，有源測(cè)試天線置于機(jī)箱外[6]，通過(guò)光纖與機(jī)箱內(nèi)的控制和存儲(chǔ)系統(tǒng)連接，在機(jī)箱內(nèi)，將有源測(cè)試天線的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)提供給采樣電路，從而實(shí)現(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)參量的實(shí)時(shí)采集與存儲(chǔ)。

2）地面控制與處理系統(tǒng)

地面控制系統(tǒng)直接根據(jù)無(wú)人機(jī)的控制器進(jìn)行改裝，后臺(tái)處理系統(tǒng)是個(gè)人筆記本電腦上安裝自編的軟件[5]，從無(wú)人機(jī)測(cè)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(jì)算天線的其它性能參量。

具體功能如下：

①對(duì)同一航跡上的多次測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平均或擬合處理，得到航跡上相對(duì)準(zhǔn)確的場(chǎng)強(qiáng)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(cè)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(píng)估參數(shù)的數(shù)據(jù)?？蓪⒎抡鏀?shù)據(jù)（或方向圖）與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（或方向圖）進(jìn)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(shè)定的參數(shù)要求自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告。

4 系統(tǒng)運(yùn)行流程

1）啟動(dòng)地面控制與處理系統(tǒng)，根據(jù)待測(cè)空間區(qū)域的場(chǎng)強(qiáng)特征和測(cè)試需求，設(shè)定運(yùn)載飛行器測(cè)試平臺(tái)的飛行軌跡與測(cè)量方式；

2）利用地面控制與處理系統(tǒng)對(duì)運(yùn)載飛行器測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)自檢；

3）自檢合格后，啟動(dòng)運(yùn)載飛行器測(cè)試平臺(tái)，將該平臺(tái)送至指定空域，采集與存儲(chǔ)當(dāng)前測(cè)試數(shù)據(jù)，航行結(jié)束后返回指定降落地點(diǎn)；

4）取出存儲(chǔ)介質(zhì)，分析測(cè)量數(shù)據(jù)，繪制方向圖并計(jì)算相關(guān)參數(shù)；

5）系統(tǒng)需具有較強(qiáng)的電磁兼容性與環(huán)境適應(yīng)性。

5 結(jié)論

本文闡述了大尺寸發(fā)射天線現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，通過(guò)實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)分析了現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)所存在的問(wèn)題，提出了一套基于無(wú)人機(jī)的大尺寸短波發(fā)射天線現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，詳細(xì)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(qiáng)噪聲環(huán)境下測(cè)量甚低頻天線阻抗方法的研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào). 2004, 19(05): 543-546.

[2]李晨，宓超. 基于飛思卡爾單片機(jī)MC9S12XS128的智能車(chē)設(shè)計(jì)[J].上海海事大學(xué)學(xué)報(bào). 2012, 33(1): 82-84.

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

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

江思杰，工學(xué)碩士，工程師，主要研究方向?yàn)閮x器與測(cè)試技術(shù)、數(shù)據(jù)算法處理、機(jī)械自動(dòng)化控制、低頻通信技術(shù)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