CN104133121A - 一种短波规模天线阵方向图的自动测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短波规模天线阵方向图的自动测试方法，包括如下步骤：（1）取2作为最小测试距离,其中，R为待测天线与信号源之间的距离，D为天线阵最大孔径，λ为工作波长；测试轨迹为逐渐升高半径逐渐缩短的同心圆圈；（2）将测试场强数据与空间GPS方位数据结合起来，并对干扰和噪声信号进行剔除，最后通过算法反演推算出整体方向图。本发明所公开的自动测试方法，整个***采用无线电通讯手段对测试过程全程遥控、提高了测试效率，实现了以往人力测试无法达到的功能。同时，自动化设备的介入，降低了人力测试造成的误差，提高了准确性和精度。

Description

一种短波规模天线阵方向图的自动测试方法

技术领域

本发明涉及通信领域里的一种短波规模天线阵方向图的自动测试方法。

背景技术

天线的方向图参数是天线重要的指标参数之一，它给出了天线发射时离天线固定的距离上辐射随角度的变化，表示了一个天线的辐射功率密度的峰值比辐射功率围绕天线平均分布时的功率密度大多少。方向图体现了天线辐射场的特征，对天线方向图的测量，能够准确的把握实际天线的空间辐射特性。

短波天线阵跟我们常见的天线***阵列相比较而言，其尺寸和规模都较大。常见的3～30MHz的短波天线阵，阵地本身直径就有一百多到两百米，满足其远场测试条件的空间位置，距离其阵中心也有一两公里，其垂直面辐射最大仰角处则离地数百米至上千米，对于仰角高的天线，距离更高。这些固有条件造成了短波天线方向性测试的难度。

常用的测试方法分为系留悬浮物测试和自由飞行物测试两大类。这两类测试方法的原理相同，都是将测试设备提升到空间远场的某个位置，通过和地面测试设备的配合来完成天线方向性的测试。其区别在于：前者采用的升空装置自身没有动力装置，依靠气球、飞艇内部装载的密度较轻的气体如氢气和氦气所产生的浮力将测试设备提升到指定位置，测试过程中位置相对固定。如果需要改变其位置，地面人员和设备将其牵引移动到指定位置；而自由飞行物自身有动力装置，可以自主移动到空间所需位置。

系留悬浮物测试又分为系留气球和系留飞艇测试两种，系留气球和飞艇的区分主要在于其结构形式复杂程度不同，飞艇具有控制和推进飞行状态的装置，这些装置用于控制飞艇的航向、俯仰的空中稳定性；而气球本身不具备这些装置，同时，飞艇体积一般较气球大很多。由于氢气稳定性较差，遇热或者遇到明火容易***，十分危险，现在升空气球和飞艇内部都填充氦气。

由于体积差别较大，气球与飞艇升空高度和载重质量大小也差别较大，相比较而言，系留飞艇的升空高度和空中姿态的稳定性以及能装载设备的重量都要优于系留气球。但是，系留飞艇的升空高度也是有限的，对于较高仰角天线的测试也难以完成。在我们实际测试中，一个30立方的系留飞艇，在无风或微风情况下，海拔200米、载重10kg时，升空高度仅在两百米左右。

自由飞行物测试分为载人飞艇、飞机测试和无人机测试。载人飞艇、飞机是采用飞行员驾驶动力飞行物进行测试的方式，飞行路径可人为控制，但是此类测试方法最大的缺点是：在测试发射天线阵的时候，发射阵产生的电磁波很容易对载人飞艇、飞机的动力***产生干扰，影响飞艇姿态的稳定性以及起飞降落，甚至熄火，有一定的安全隐患。在实际测试中，也出现过这样的事故。

国内大型短波天线阵方向性的测试，所完成的测试，其技术水平还未达到全方位测试的需求，而且，技术手段单一，受各种条件制约较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种短波规模天线阵方向图的自动测试方法。

本发明采用如下技术方案：

一种短波规模天线阵方向图的自动测试方法，包括如下步骤：

(1)取2D²/λ作为最小测试距离,其中，R为待测天线与信号源之间的距离，D为天线阵最大孔径，λ为工作波长；测试轨迹为逐渐升高半径逐渐缩短的同心圆圈；

(2)将测试场强数据与空间GPS方位数据结合起来，并对干扰和噪声信号进行剔除，最后通过算法反演推算出整体方向图。

在上述的步骤(2)中，可以采取待测天线波束合成方式。

本发明的有益效果在于：

本发明所公开的自动测试方法，整个***采用无线电通讯手段对测试过程全程遥控、提高了测试效率，实现了以往人力测试无法达到的功能。同时，自动化设备的介入，降低了人力测试造成的误差。测试数据与方位信息同时通过数传电台传送到主控计算机上，便于实时数据处理。整个***自动化程度高，针对不同形式的天线阵列，选择不同的测试距离方位和方法，更准确的根据不同极化情况下对天线进行测试。采用精确的算法对所得数据进行处理，降低误差影响，提高测量精度。提出一种易于实现、相对简便的测试短波天线方向性的方法。实现了大规模短波天线阵测试的可行性和可操作性，而且实现了天线阵列测试的实时性。根据不同形式的天线，有不同的数据采集路径方法，对采集的数据通过相应的算法进行误差估计处理，降低测试误差率，提高测试精度。

由于该专利具有自动化、实时性、高精度的优点，可以应用于电磁测试测量等领域，对目前主流的各类较难测试的大型短波超短波阵列方向性均可完成测试，该测试方法简便迅速、高效智能，能够满足某些人员难以到达区域电磁监测的需求，如危险环境等。

附图说明

图1是本发明实施例1所公开的方法所使用的机载天线的结构示意图；

图2是本发明实施例1所公开的强方向性待测天线阵的示意图；

图3是本发明实施例1所公开方法中的飞行轨迹示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，本实施例公开了一种短波规模天线阵方向图的自动测试方法，包括以下步骤：

步骤A：天线测试***的构成；

步骤B：全自动实时测试***；

步骤C：数据处理拟合方法；

其中，所述步骤A具体包括：

步骤A1：辅助天线的设计；

步骤A2：接收天线及空间定位装置；

其中，所述步骤B具体包括：

步骤B1：天线测试自动记录***；

步骤B2：实时通讯***；

其中，所述步骤C具体包括：

步骤C1：阵列方向图拟合；

步骤C2：测试数据判断、误差处理方法。

具体的说，本实施例的技术方案为：无人机实时自动测试法。该方法涵盖以下几个方面：

机载天线和通讯***的设计；

测试方位及方位轨迹选定方法；

数据处理拟合方法。

其中，机载天线和通讯***设计：

由于无人机姿态的局限性，大多数情况下，一般采用弱方向性的天线作为机载天线，这样，机载天线接收或者发射信号的强度受飞机倾斜颠簸的影响较小。同时，机载天线需要满足重量轻尺寸小的特点，以满足升空的要求。本专利采用的机载天线形式为无源双环天线，天线形式如图1所示。机载天线和地面之间的通讯主要用于实时传输测试数据及对机载设备的遥控。传输的数据主要有：

天线空间方位信息

天线所接收/发射信号强度

机载发射/接收机状态信息。

控制指令主要有：

无人机姿态控制，包括速度轨迹等。

机载发射机/接收机频率调整及开关机控制。

整个***通讯采用加密数传电台完成。

其中，测试方位及方位轨迹选定方法：

A)最小测试距离选择

不同的测试内容，最小测试距离也有所不同。由于接收天线和发射天线方向图测试的互易性，我们通过接收天线的方向图测试方法得出发射天线测试的最小距离。当天线阵波束合成扫描时，其辐射场呈现强方向性态势，其他状态为弱方向性，针对这两种情况我们分别分析如下：

强方向性待测天线阵

如图2所示，电尺寸较小的弱方向性源天线S所辐射的电磁波可视为球面波，经距离r到达孔径最大尺寸为D的待测天线阵时，到达中心O点与边缘A点射线之行程差为Δr，由几何关系，有：

${(r+\mathrm{\Δr})}^2=r^2+{\left(\frac{D}{2}\right)}^2\·\·\·\left(1\right)$

$r^2+2\mathrm{r\Δr}+{\mathrm{\Δr}}^2=r^2+\frac{D^2}{4}\·\·\·\left(2\right)$

考虑到r＞＞Δr，D＞＞Δr，故Δr²可以忽略，于是得：

$r\≈\frac{D^2}{8\mathrm{\Δr}}\·\·\·\left(3\right)$

在实际测试中，我们根据测试精度的要求，规定一个允许的行程差Δr。

实践表明，一般选取Δr＝λ/16时，所测的天线方向图已有足够的精度，这是因为一方面它满足了远场条件，另一方面照射待测天线孔径的场强已经比较均匀。表1列出了不同Δr情况下，待测天线孔径面功率的变化情况。

表1 不同Δr情况下待测天线孔径面功率变化

表中P_A是接收天线孔径边缘A点的功率

表中P_o是接受天线孔径中心O点的功率

根据上述原理，当进行天线波束合成测试的时候，由于合成波束的强方向性，

我们选取2D²/λ作为最小测试距离。其中：R：待测天线与信号源之间的距离，D为天线阵最大孔径，λ为工作波长。

实际天线阵中，D＝150m,λ取最小工作波长20m,代入上述公式中可计算出R＝2250m。由于天线孔径不变，工作波长由20m到75m递减，故最小测试距离也从2250m到600m范围内浮动。实际测试中，根据不同的测试频率选择不同测试高度。

弱方向性待测天线阵

当对天线阵当中某一个阵元或者数个阵元无波束合成测试的时候，其方向性

体现为弱性。在这种情况下，只要在天线的远区辐射场中进行测试就已满足均匀平面波前照射待测天线孔径的要求了。由于小电流元天线的辐射场正比于λ/2πr，而感应场正比于(λ/2πr)²，因此，由r＝λ时，感应场已比辐射场低16dB，其影响已经可以忽略。故最小测试距离r与待测天线的最大线尺寸孔径的关系如下：

当时  r_min≥λ

当时  r_min≥2D

当D＞λ时  r_min≥2D²/λ

表2给出了不同测试距离时，感应场与辐射场比值的变化。

表2 不同测试距离时感应场与辐射场比值的变化

实际天线阵的线性孔径为150m，大于工作频率的最大波长75米，因此应2D²/λ来计算最小测试距离。与强方向性测试一样，最小测试距离依据工作频率从2250m到600m变化。

B)测试轨迹选择

飞行轨迹的选择，关系到后续数据处理的复杂程度。同时，飞行轨迹与无人机本身性能有关。好的飞行轨迹选择，能够保证测试数据的准确性，缩短测试周期，减少测试次数。

根据天线方向图测试要求，无人机的飞行轨迹必须覆盖整个天线阵上空，以球面为佳。这样，我们就可以完整的得到垂直面和水平方位面的方向图。

飞行轨迹设计为逐渐升高半径逐渐缩短的同心圆圈。当完成一个圆圈的飞行后，无人机爬升，进行下一圈的飞行，直到完成所有轨迹的测试。轨迹如图3所示。

其中，数据处理拟合方法：

1)数据处理方法

基于对大型短波阵列天线性能的了解和分析，结合理论仿真计算结果，对实测数据的有效处理是整个测试方法关键的一环。将测试场强数据与空间GPS方位数据结合起来，就可以得到天线阵空间辐射场特性。所得数据，根据电波传播理论和信道分析，对干扰和噪声信号进行剔除，同时在一定条件下，可以采取待测天线波束合成等方式，后期通过算法反演推算出整体方向图。例如，对阵中一个单元进行波束扫描，在无人机悬停的情况下，测试不同角度的波束强度，整合全部数据，就可以反推出整个单元方向图。

2)误差来源及分析

误差的来源主要有两方面：***误差和随机误差。***误差是指在测量中未发觉或未确认的因素所引起的误差，而这些因素影响结果永远朝一个方向偏移，其大小及符号在同一组测试数据中完全相同，当实验条件一经确定，***误差就获得一个客观上的恒定值，就能发现***误差的变换规律。

随机误差是由于测量的偶然误差或者被测量内容本身的随机性质所引起的测试结果的不确定性。在已经消除***误差的情况下，所测数据仍有数字上的差别，且其绝对值的变化，没有确定规律。在一定实验条件下反复测量某一个物理量，观测值服从某种统计分布。

在本测试***中，误差主要来源于外界的干扰和测试***仪器设备的精度。对于外界干扰而言，其特性符合随机误差的概念，对于这种误差的处理，我们常用的方法是多次测量取算术平均值。同时，我们采取事先选频、实时监控的方法，将随机信号干扰误差的影响降低到最小。

对于仪器设备精度误差，属于***误差，对于这种误差的处理方式是：改变产生***误差的实验条件，有可能减小或消除最终结果中的***误差，对已经判明的***误差，从测量结果中扣除。对于我们无人机天线测试***而言，产生误差的仪器设备主要有两个：GPS位置信息***和机载场强接收机***。我们对GPS***的误差，采用多次测量校正的方法减少其误差，具体做法是将某地GPS数值置零，然后水平、垂直分别移动一定距离，这段距离的数值用其他方式精确得到，与GPS显示数据做比较，多次校正，得到实际GPS偏差，从最终数据中扣除。场强接收机的精度一般较高，我们可以采用精度很高的进口场强仪通过标准天线发射一个标准信号对场强接收机进行校正，得到校正值，记录下来，对最终测试数据进行校正。

实验误差中还有一个重要因素就是操作人员的影响，对于这一问题，我们***设计过程中，已经将人员的影响减至最小，基本整个测试过程中除了飞控外，无人员直接影响测试记录数据的全过程。只要保证***操作的准确、正确性，就可以避免人员误差的影响。

Claims (2)

1.一种短波规模天线阵方向图的自动测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)取2D²/λ作为最小测试距离,其中，R为待测天线与信号源之间的距离，D为天线阵最大孔径，λ为工作波长；测试轨迹为逐渐升高半径逐渐缩短的同心圆圈；

(2)将测试场强数据与空间GPS方位数据结合起来，并对干扰和噪声信号进行剔除，最后通过算法反演推算出整体方向图。

2.根据权利要求1所述的短波规模天线阵方向图的自动测试方法，其特征在于：在上述的步骤(2)中，可以采取待测天线波束合成方式。