无人机技术支持下的短波天线方向图测试系统设计

冷学健 陈恩平

摘要：短波天线方向图由于天线本身尺寸巨大、受实际架设环境影响等因素一直以来存在测试难、只能理论仿真的问题。近年来无人机技术的快速发展给短波天线方向图测试带来新的思路和方法。无人机搭载机载测试设备与地面测试设备通过无线数传，对测试数据和位置信息进行实时传递，可以准确测量出三纬空间中天线的方向图数据。

关键词：无人机;短波天线;方向图测试

1引言

短波天线体积庞大、结构复杂并且与实际架设环境密不可分，天线性能的常规测试仅限于天线驻波系数、阻抗、端口电压等，对于实际场地条件下的天线方向图、增益等辐射性能，一般采用理论计算或缩比模型测试，其测试结果与天线的实际性能存在较大的差异[1]。因此，为准确测量实地条件下短波天线辐射性能，评估短波固定台站天线效能，优化短波通信网络布局，需要研制一套短波天线测试系统。

2系统组成

短波天线测试系统由两部分组成，一部分为搭载于无人机平台的机载测试控制设备，另一部分为地面测试控制设备，这两部分通过无线数传链路进行通信和控制。

3测试原理

固定台站短波天线由于其体积庞大、结构复杂，架设后难以移动，并且天线性能与实际天线场地及周围环境紧密相关，因此对天线方向图测量采用固定天线法。固定天线测量方法即位于实际地面的待测天线固定不动，并在实际工作状态下发射信号，搭载接收天线及接收设备的无人机绕待测天線在特定的角度内以一定半径作圆周运动，记录无人机的飞行轨迹及相应位置的场强值[2]。

根据电磁场理论，天线在某方向的辐射电场强度与天线增益的关系式为：

其中为半径r的球面上在方向的电场强度的模值，为待测天线的输入功率，G为天线增益。机载接收天线采用定标三坐标接收天线，可同时测量电场、、三个分量，从而可得出总电场的大小为：

距离r、仰角，方位角均可根据无人机与待测天线的相对位置得到，可由功率计测得。由此可得出天线在空间任一辐射方向的增益。

因此机载接收天线也可采用定标三坐标磁性天线，同时测量磁场、、三个分量，得出总磁场的大小：

同样测出天线在空间任一辐射方向的增益。

由天线方向系数的一般公式：

通过对测得的场强进行积分可得出在某一方向的方向系数，以最大值进行归一化即可得到天线的辐射方向图。

该测量方法的天线增益及方向图测量原理，仅为空间矢量场的三维正交分解和天线基本原理[4]。测量的关键是三坐标接收天线的定标、实际地面条件下测试系统的误差控制以及工程化实现。

4无人机飞行轨迹

为了获得待测天线整个空间的立体方向图，总是希望机载接收天线在整个球面内做圆周运动，但由于地面的存在，往往只关心天线上半空间的方向图，而且对于飞行器来说，这种理想的球面飞行轨迹难以实现。实际测量时，采用圆球螺旋线作为其测试轨迹[3]，示意图如图2所示：

根据短波天线上半空间辐射特点及远场测试条件，对测试距离即球半径、测试仰角及方位角的整体范围要求为：

5 软件设计

短波天线测试系统软件分为机载测试控制软件和地面测试控制软件两部分。

机载测试控制软件运行在记载测试控制设备中，是记载测试控制设备的控制中心，主要功能是控制机载测试控制设备进行相应的测试，对测试数据进行采集、处理、协同机载测试控制设备中的各个模块工作，还担负着接收地面测试控制设备的指令和向地面测试控制设备发送测试数据。

地面测试控制软件主要功能是通过无线数传模块接收无人机传回的数据，对数据进行记录、分析、处理、生成数据文件，并根据文件绘制二维方向图和三维方向图。该软件还承担了对接收机、DGPS模块、数传模块的控制、状态采集、状态显示等功能。任务执行过程包括人机交互、参数管理等。

地面软件与地面数传模块、DGPS（地面）、发射机模块通过串口进行数据传输，DGPS（地面）与地面数传模块通过串口通信[5]。地面数传与机载数传之间通过无线网络传输。机载数传模块、机载软件、DGPS（机载）之间通过串口进行相互通信。

6 测试结果

利用天线测试系统测试鞭天线的天线方向图。

为无人机规划飞行轨迹，分别为以天线为圆心，半径100m，30°仰角的水平圆和以天线为圆心，半径100m，130°方位角的垂直半圆。

7 结语

本系统解决了短波天线方向图测试困难的问题。可以对现有短波收发台站的天线远场辐射性能进行实地测量，准确得出天线辐射方向图、增益等性能参数，定量评估短波天馈系统的实际效能;为短波台站的维护维修、更新整治等提供直接有效的技术判决依据;也可对天线厂家提供的天线产品进行辐射性能测试、对比，直接验证其性能参数与实际研制生产后的工程化产品是否相符，可作为产品检验验收与优选的重要依据。

参考文献：

[1]索炜，宋旸.天线阵方向图无人机测试系统研究[J].宇航计测技术，2018（01）：46-51.

[2]吴风雷，杨喆，羌胜莉.天线方向图自动测试系统[J].电子测量与仪器学报，2008（S2）：153-157.

[3]侯民胜，问建.天线方向图自动测量中的信号录取与数据处理[J].电子测量技术，2007（07）：47-50.

[4]朱洁，戴慧，王洪强.无人机无线通信传输系统的设计[J].电子世界，2020（03）：188-189.

[5]尹建峰，唐彩虹，孟超.悬停回转试飞方法在直升机超短波天线方向图测试中的应用[J].电讯技术，2012（06）：1047-1050.