短波天线性能无人机测试系统研制与应用

摘要：短波天线的尺寸大，天线方向图和增益测量困难。短波天线性能无人机测试系统，利用无人机搭载三轴全向选频式场强仪，在天线远场区，无人机按照规划航线水平或垂直环绕被测天线飞行，自动采集频率、场强，并与经纬度、高程聚合为数据记录，经计算和校准修正后得到天线的方向图和增益等关键性能，无人机测试系统具有较高的测试精度。本文对短波天线进行了简要概述，探讨了短波天线性能无人机测试系统的研制。

关键词：短波天线；性能；无人机测试系统

引言：

对于短波天线来说，短波天线系统的加强可以使得整个系统的维护成本降低，对于电台发射系统服务功能，也可以起到明显的优化作用。无人机具有准确定位、规划路径巡航等功能，研制的短波天线性能无人机测试系统，在无人机上搭载三轴全向选频式场强仪（含频谱仪和天线），在发射天线远场区，以天线为中心水平圆环绕飞行或垂直半圆环绕飞行，测量天线发射的频率和场强并结合所采集的经度、纬度、高程信息绘制天线方向图和增益。

一、短波天线概述

（一）短波天线的结构

短波天线的中频段和低频段的辐射能力很强，能够使周边地区或城区得到有效的覆盖和干扰。为了尽可能防止高压效减少地波传输产生的电能损耗。通常情况下，天线的优点有以下几方面：（1）传输效率明显较高，全频段都能高功率传输；（2）单极天线在损耗方面相对较小，工作频段相对较宽，全天全频段单极的天线频段和半径1.75m的圆柱振子天线是相同的，且对频率方面的调整不需重复进行。（3）在安全性方面有很高的稳定性，短波天线底部的电压相对较低，所以不易出现高压打火情况；（4）短波天线的阻抗变换器中有防雷装置，可使天线的安全性能得到良好保障。

（二）短波天线的传输

1.地波

通常所说的无线电波，都是沿着地球表面进行传播的一部分地波或是地表波。短波地波在地面的衰竭程度受距离影响，相比于长波和中波，短波地波受到地面的吸收衰减情况会更大，而且受地面在电气特性方面所产生的影响也相对严重，所以，短波地波一般在近距离通信方面的使用频率相对更高；地波的传播对天气的要求相对较低，故比较稳定；在信道参数方面不会随着时间变化而变化，所以地波的传播信道，一般都可以看作是恒参信道。

2.天波

通常所说的天波，指的是将无线电波射向天空之后，又通过折射的方式返回地面的部分。倾斜投射的电波一般经过电离层反射后可以传播很远的距离，可以达到几千公里以外。天波的传播速度在损耗方面要比地波小很多。由于在电离层反射回来的电波在传播过程中要比其他的更远一些，特别是在地面和电离层之间进行多次反射之后，就可以达到相当远的地方，所以，通过天波的使用可以进行环球通信。

（三）短波传输的损耗方式

对于地波和天波来说，在电波的发射途径以及接受方式方面，特点和形式都不同，而且对能量的需求也有所不同。短波信号是通过天线的辐射进行传播，一般是产生地波、天波和直射波几种不同的传播形式。（1）直射波一般是通过视距进行传输，有效距离会受到天线高度和地形的影响，在通信中应尽可能避免使用直射波。（2）地波信号是通过地面进行传输，具有信号衰减较快的特点，在传输距离方面会受到地表介质以及地形的影响，所以，一般在十几公里的范围内可以应用这种传播方式。但应注意的是：只可以将这种传播方式应用在接收距离较近或是发射端条件较好的情况，而且存在传输效果和经济性都较差的缺点。（3）天波通过电离层反射来进行传播，适合远距离的通信、接力以及散射等通信手段，相比较而言，其对于环境和地形的要求相对较低，具有更好的传播效果。

二、短波天线性能无人机测试系统

（一）系统介绍

短波天线性能无人机测试系统由无人机平台系统、遥控器、地面站、监测设备和发射机等组成，通过无人机搭载场强探测设备，用于短波天线的增益、天线方向图的测量。测试时，无人机平台系统搭载选频式场强仪（含频谱模块和三轴全向环天线）。三轴全向环天线的天线系数在中国计量科学研究院TEM小室校准系统中测试得到，校准系统的不确定度0.8dB，发射机通过被测天线发射，采集前向功率和后向功率时，无人机采用RTK（实时差分）技术定位。

水平圆环绕和或垂直半圆环绕被测天线飞行，测量天线发射频率对应的电场强度并与无人机实时的经度、纬度、高程信息聚合成数据记录，实时回传到地面接收监测设备，结合被测天线的经度、纬度、高度可计算出各监测点相对于被测天线的距离、方位角、仰角。发射机的前向功率减去馈线插损得到天线端口的前向功率，后向功率加上馈线插损得到天线端口的后向功率；天线端口的前向功率减去天线端口的后向功率后得到天线净输入功率Pin。三轴全向环天线的设计应保证无人机飞行过程中以不同方位朝向被测天线时对场强的测量结果无影响，灵敏度1mV/m可满足短波天线10W发射功率时远场区场强的测量需求。无人机飞行的同时进行同步监测，无需悬停测量。

采用有源环天线与无人机测试系统对同一偶极子天线进行对比测试，测试点与偶极子天线的水平距离约50m，测量高度1.8m，有源环天线与无人机测试系统在相同的测试点和相同高度进行测量，有源环天线架高1.8m，无人机悬停1.8m，调整环天线方向直到频谱仪测量电平最大，环天线的天线系数，计算环天线测得的电场。

（二）天线实测

用无人机测试系统对标准偶极子天线和单极天线进行测试，选用高、中、低段不同频率，将实测结果与标准天线的方向图仿真结果进行比较。

（三）偶极子天线

仿真和测试的偶极子天线方向图形状、变化规律有很好的一致性。测试的天线方向图波动主要是受旁边地形和建筑的反射等影响。

三、关键难点及改进方向

（一）飞行姿态控制

系统采用机载场强测量设备对短波场强进行测量，通过地面站控制或者遥控器发出飞行控制指令，调整飞行状态，并随着无人机的飞行得到不同空间点位的电场强度。飞行中需调整无人机姿态以使机载场强监测设备天线朝向被测天线（或保持相同角度），无人机的自主起飞、自主降落、航向飞行、自主悬停等姿态控制精度直接影响测量点位和场强的测量精度，外场试验也证明，强湍流影响无人机飞行姿态时，测量结果及进度都会受到一定程度的影响，后续将进一步优化无人机飞行控制精度，并增强抗风能力，以进一步提升场强测量精度。

（二）数据处理

无人机搭载机载场强仪，在远场条件下环绕被测天线飞行，测试被测天线的空间电磁场分布，采集空间点位处的电磁场以及无人机的监测时间、经度、纬度、高度、航向以及地面发射机的发射功率等信息。结合测量点相对于被测天线的方位角、俯仰角和距离、发射功率等信息，解算被测天线的增益、方向图，涉及的数据量大，数据同步要求高，且无人机本身对于被测信号的阻挡、反射、绕射会引起一定的电磁场畸变。

结语：总而言之，搭建的短波天线性能无人机测试系统，利用无人机搭载三轴选频式场强仪测量短波天线的方向图及增益等。实测了偶极子天线、单极天线等短波天线，测试与仿真一致性较好。提出的基于无人机的短波天线性能测试方法，通过扩展搭载的三轴选频式场强仪的频率范围，可拓展到大型天线阵、舰船、飞机及雷达等天线的性能测试。

参考文献：

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作者简介：阿扎提古丽·艾合提，1993年10月25日，女，维吾尔族，新疆和田地区于田县人，大学本科。主要研究方向：短波发射与设备维护