一种短波天线方向图测量系统的制作方法

本发明属于无线通信信道测量领域，涉及一种天线方向图测试装置，特别是一种大型短波波段宽带非调谐天线的方向图自动测量系统。

背景技术：

短波通信系统自发明至今已有一百多年的历史，在航海、航空、抢险救灾、应急通信以及常规生产活动等中有着广泛的应用。短波通信系统依靠短波信道传输的电磁波实现通信，通常利用电离层反射低仰角天波信号实现远距离通信，利用直射波或地波实现较近距离通信。电磁波的传播方向、路径受短波通信系统的发射和接收天线影响较大，影响有效通信距离的因素除了发射机的发射功率、接收机的接收灵敏度外，还包括短波收发系统的天线辐射效率。可见，短波通信系统的天线辐射特性，特别是方向图特性，是短波通信系统的重要参数，也是提高短波通信系统性能的重要依据。

然而准确掌握大型短波通信系统中短波天线的方向图并不容易。一般有仿真和实测两种方法：一是采用仿真的方法是通过对天线系统进行建模，并利用某种数学算法，例如有限元法，对天线的辐射场进行计算，从而得出短波天线的方向特性，这种方法的主要缺点是仿真结果和实际特性可能误差较大。另一种方法是实测法，通过短波天线测试系统，在满足各种约束条件的情况下对短波天线进行实际测试，通过场强仪、功率计等仪器测量天线的辐射信号参数，从而计算得到天线的方向图。对于超短波、微波等高频段的天线，一般体积重量比较小，容易将其安放在测试系统的转台上，在满足其远场测试条件下进行远场测试。但是短波天线由于波长长、体积大、发射功率高，天线尺寸一般也比较大，相应的满足远场条件的距离也比较远，因此开展远场测试需要耗费大量的人力物力，并且由于测试系统一般在地面或低高度移动，受环境影响大，测量精度较低。

近年来，出现了基于升空平台的短波通信系统天线方向图测量系统。现有的利用无人升空平台(无人机)实现大型短波通信系统辐射特性(方向图、增益等)的测试方法，主要是利用了无人机的可控飞行特性，与相应测试仪器共同构成测试系统，通过无人机装载测试设备实现不同方位的场强或功率测量，从而实现精确测量的目的。

现有的测试方法主要存在两个方面的问题，一是在测试时需要根据测试频率的不同，逐个频点开展测试，即每次完整的飞行测试完成一个频点的方向图测量，效率较低；二是无人机飞行路径要求严格，在测试时若因天气或操作等原因造成飞行路径与规划路径不同，容易出现此次测试失效或精度不足的问题，进一步降低测试效率和测试精度。

针对上述不足，本发明提供了一种利用无人机平台的短波天线方向图测量系统，利用该系统，可以提高短波天线方向图测试的效率和精度，缩短测试流程，节约测试成本。

技术实现要素：

本发明提供一种利用无人机和信号处理技术实现短波天线远场方向图测量系统，目的是实现便捷准确的短波天线远场方向图的测量，节约测试成本和人力。采用本发明提供的测量系统可以提供准确的二维、三维方向图以及方向图数据。

本发明提供的短波天线远场方向图测量系统，其特征在于，包括空中信号产生与发射子系统、地面信号接收与处理子系统、地面控制与数据处理子系统，空中信号产生与发射子系统通过无线链路与地面信号接收与处理子系统以及地面控制与数据处理子系统交换数据和指令，地面信号接收与处理子系统与地面控制与数据处理子系统通过有线或无线链路交换测试数据，天线远场方向图测试系统的整体构成示意图如附图1所示，

所述的空中信号发射子系统包括无人机、信号产生与发射模块、无线数据传输与飞行控制模块构成，信号产生与发射模块、无线数据传输与飞行控制模块安装在无人机上，

所述的无人机可在有负载情况下按预设轨迹飞行与起降，一般可选用大型多旋翼无人机，由锂电池组供电，并能为机上其它模块供电；

所述的信号产生与发射模块包含信号发生器、功放和发射天线，用于产生并发射被测宽带短波天线带宽覆盖范围内任意频点的一个或多个连续正余弦载波信号，产生的信号功率可调，以保证在整个飞行路径上都被地面信号接收与处理子系统接收到，发射天线可以选用经出厂标定的标准全向天线；所述的信号产生与发射模块产生的信号功率可调，能够保证在整个飞行路径上都被地面信号接收与处理子系统接收到；

所述的信号产生与发射模块可根据所需测试的频点需求，按时分方式发送不同频率的载波，具体的说，所述的时分发送为：若待测频点为f1，f2,…,fn，共n个频点，无人机载规划路径上每一个位置停留时间为t秒，则在t0秒内信号产生与发射模块在每个时间段内依次发送频率为f1，f2,…,fn的载波信号，信号产生与发射模块发射波形的时序图如图2所示；

所述的无线数据传输与飞行控制模块包含卫星定位装置、飞行路径与姿态控制装置、指令与数据传输装置，卫星定位装置为整个系统提供厘米级精度的实时三维位置信息，飞行路径与姿态控制装置按照地面控制与处理子系统预先加载或实时加载的规划路径控制无人机飞行路径和姿态，通常可采用差分卫星定位技术的定位装置，指令与数据传输装置一般为数传电台，能够与地面控制与数据处理子系统完成数据和指令传输与交换；

2所述的地面信号接收与处理子系统包括模数转换模块、信号处理模块、信号存储模块、无线数据传输模块，地面信号接收与处理子系统连接到被测天线的输出接口上，测试时，被测天线接收到的由空中信号发射子系统发射的电磁波，产生的模拟电信号经模数转换模块转换为数字信号，送入信号处理模块，经信号处理模块处理，得到当前位置、不同测试频点信号的幅度值，与由数据传输模块接收到的经空中信号发射子系统传输的实时位置信息共同存储于信号存储模块中，即存储的数据为与空中信号发射子系统当前位置坐标一一对应的、不同频点的电压或电流幅度值；信号存储模块存储的数据可通过数据传输模块实时或非实时的传输至所述的地面控制与数据处理子系统，

3所述的地面控制与数据处理子系统包括硬件部分和软件部分，其中硬件部分包括便携式计算机、数据传输模块，软件部分包括路径与频率规划软件、飞行监视与控制软件、方向图处理软件，所述的便携式计算机控制无线数传模块实现与空中信号产生与发射子系统、地面信号接收与处理子系统的数据传输，所述的路径规划软件具有飞行路径规划和发射信号频率规划功能，所述的飞行监视与控制软件能够实时监视空中信号产生与发射子系统飞行路径与地面信号接收与处理子系统接收信号情况，所述的方向图处理软件能够根据得到的测试数据，计算得到待测短波天线不同工作频点的三维方向图和e面、h面方向图，并以图形或数据表格的形式展示，所述的方向图处理软件还具有如下功能：当规划路径与实时路径点存在误差时，可根据待测天线接收信号的幅度值的平方与待测天线与空中信号产生与发射子系统两者中心距离成正比的关系进行换算，将实际位置测得的各频点的幅度值换算为规划路径点上的幅度值；具体的说，若规划路径上某一点为(x1,y1,z1)，实际无人机挂载发射天线电中心轨迹上该点为(x1′,y1′,z1′)，若以待测天线电中心在坐标系中的坐标为(x0,y0,z0)，实际在测得的信号幅度值为[v1，v2，v3,…,vn]，则换算后的信号幅度值为

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、利用通信中的信号处理和时分复用技术，在一次测试飞行中，将不同频点信号分时发送、分时接收，可通过一次飞行，测得所有待测频点的方向图，相比传统方式，测试效率大大提高，特别是对于大型低频短波地面天线测试时，满足远场条件需要的测试距离为几公里远，每个频点的测试飞行距离远、耗时长，本测试装置能够节约大量的飞行架次。

2、当由于天气或其它原因导致的实际测试飞行路径与规划路径误差较大时，由于本测试装置采用感应电压或电流幅值进行测试，可根据距离与幅度的关系进行换算，提高了测试精度。

附图说明

图1为天线远场方向图测试系统的整体构成示意图；

图2为信号产生与发射模块发射波形的时序图。