CN105227249A - 一种短波发射天线辐射效率自动监测方法及监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种短波发射天线辐射效率自动监测方法。通过远场区场强测量单元得到远场区场点电场强度幅值，实现对天线辐射场点功率面密度的抽样，由该样本值依据天线辐射场仿真得到的方向系数估计天线的辐射功率，通过近场区功率测量单元测量前向功率得到天线的输入功率，天线的辐射效率由辐射功率与输入功率的比值计算得到。本发明为短波发射天线辐射效率的评估提供了量化指标，能够在不影响短波发射天线实时性和有效性的前提下，实现辐射效率的在线自动监测，具有设备简单、操作方便的特点。本发明还提供了相应的短波发射天线辐射效率自动监测系统。

Description

一种短波发射天线辐射效率自动监测方法及监测系统

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及一种应用于短波发射天线辐射效率自动监测的技术，具体的是涉及一种短波发射天线辐射效率自动监测方法及监测系统。

背景技术

短波发信台站的通信任务非常繁重，发射天线系统应时刻具有良好的状态，因此，经常需要对发射天线系统的健康状态进行巡检。很多短波发信台站处在山区、郊区，交通不便，发信台站的天线系统主要采用人工巡检、维护的方式，而且人工巡检、维护的周期比较长，短波通信台站一般是几个月巡检一次，由于天线场区地形复杂，人工巡检、维护的难度很大，如果遇到恶劣天气，根本就无法执行人工巡检任务。目前对天线的测试主要还是局限于检测绝缘阻抗、输入阻抗和驻波比等几个基础参数，而对表征天线将高频电流能转化为空间辐射电磁波有效程度，衡量天线辐射性能与工作状态的重要指标如天线辐射效率，尚没有方便可行的实时、自动监测手段。

对短波发射天线的电气参数检测设备目前国内已有不少研究成果，但对短波发射天线辐射效率的在线自动监测和记录设备在国内目前还属于空白。国外在天线辐射效率测量方面已取得了较多的研究成果，较为成熟的定向性/增益法、维勒帽法、随机场法和辐射计法等基本上是在电波暗室或混响室内进行操作，目前还没有一种有效的方法能实现在不影响短波天线正常工作的条件下对其辐射效率的变化进行野外复杂地形条件下实时自动监测。

发明内容

本发明所要解决的问题是针对上述现有技术而提出一种适合在野外复杂地形条件下对短波发射天线工作运行时的辐射效率自动监测的系统及实现方法。通过研究基于复杂地形条件下外场场强测量的短波天线辐射效率监测技术，实现短波天线辐射效率变化的自动监测，为短波天线辐射性能和工作状态的评估提供量化指标，为短波通信台站天线辐射效率的自动化监测提供方法，解决人工巡检难度大以及测量周期长的问题。本发明方法通过在外场场强测量得到天线场远场区的电场强度幅值，实现对天线辐射场点功率面密度的抽样，由该样本值依据天线辐射场仿真计算得到的方向系数估计天线的辐射功率，测量前向功率得到天线的输入功率，天线的辐射效率由辐射功率与输入功率的比值计算得到。

为了实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种短波发射天线辐射效率监测方法，通过远场区场强测量单元得到远场区场点电场强度幅值，实现对天线辐射场点功率面密度的抽样，由该样本值依据天线辐射场仿真得到的方向系数估计天线的辐射功率，通过近场区功率测量单元测量前向功率得到天线的输入功率，再计算辐射功率与输入功率的比值得到的辐射效率。

本发明的一个实施例中，所述天线辐射场仿真包括平面分层介质结构域变换法和RWG矩量法的近地架设短波天线辐射场的仿真，通过短波天线辐射场的仿真，得到其辐射功率的空间相对分布。

本发明的一个实施例中，所述通过远场区场强测量单元得到远场区场点电场强度幅值具体为，利用环天线场强测量系统进行短波天线辐射场的室外远场场强测量，实现场点功率面密度的抽样。

本发明的一个实施例中，上述方法具体包括如下步骤：

首先，获取测试参数，所述测试参数包括天线架设地面的电参数包括介电常数和电导率、测量天线所在场点相对于被测天线的方位，以及被测天线的物理参数包括天线形式、振子尺寸和架高；建立近地架设短波天线辐射场仿真模型和天线的带状结构模型，计算待测天线归一化场强方向图和在测试点处的方向系数；

其次，校准环天线场强测量系统，进行单场点分时场强幅值测量，同时通过近场区功率测量单元测量天线前向功率，并将场强幅值和前向功率测量结果送至上位机；

然后，通过实测场强幅值计算场点电磁功率面密度，依据仿真得到的方向系数估计天线辐射功率，天线辐射效率由辐射功率与输入功率的比值计算，即可完成短波发射天线辐射效率的监测和评估。

本发明的一个实施例中，所述天线辐射效率为：

其中，为方向系数，为远场区场点场强，方向系数由天线辐射场的仿真得到，场强由环天线场强测量系统进行测量，输入功率P_in由定向耦合器或功率计测量前向功率得到。

按照本发明的另一方面，还提供了一种实现上述短波发射天线辐射效率监测方法的监测系统，所述监测系统由近场区功率测量单元与远场区场强测量单元两部分组成，近场区功率测量单元包括：功率测量模块、ARM控制模块与近场区网络接口模块；远场区场强测量单元包括：接收环天线、场强测量模块、数据处理模块、主控模块、LCD显示屏、键盘接口以及远场区网络接口模块，其中：

所述近场区功率测量单元安装在待测天线与短波发射机之间，短波发射机工作时，将射频信号通过射频线缆传送到待测天线，由待测天线辐射出去，ARM控制模块控制功率测量模块通过射频耦合传感器对传输到待测天线上的射频输入功率进行实时监测，并将采集到的功率数据通过近场区网络接口模块传送给远场区场强测量单元中的数据处理模块；

所述远场区场强测量单元的接收环天线接收到射频信号后通过射频线缆传送至场强测量模块，在主控单元的自动控制下场强测量模块对短波天线场内的场强进行测量，实现对天线辐射场点功率面密度的抽样并将监测数据通过数据线缆送至数据处理模块上；主控单元还通过远场区网络接口实现对功率测量模块的实时自动控制，并完成键盘接口的操作响应和LCD监视屏的图像显示；数据处理模块对送来的数据进行辨别、归纳、分类、转换和计算相关分析处理，并依据方向系数估算出天线的辐射功率。

与现有的天线辐射效率测量方法相比，本发明具有如下优点：

1)给出了评估短波天线辐射效率的量化指标，为短波天线辐射效率的自动化监测提供了方法；

2)监测系统结构简单，造价低廉，便于操作，使用时完全不影响短波发射天线的正常工作，可实现短波发射天线辐射效率自动监测，真实详细的反映了天线的工作状态和辐射性能；

3)监测结果直观、快速，提高了对天线辐射状态变化的反应速度。

附图说明

图1为本发明的短波发射天线辐射效率监测系统结构示意图。

图2为本发明短波发射天线辐射效率监测方法的流程图。

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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

基于外场场强测量的短波天线辐射效率监测方法的原理为，根据天线辐射机理和时谐电磁场的波动理论可知，天线辐射功率与远场区场点场强和方向系数的关系为：

那么天线辐射效率由下式计算：

其中方向系数由天线辐射场的仿真得到，场强由环天线场强测量系统进行测量，输入功率P_in由定向耦合器或功率计测量前向功率得到。

本发明提供了通过远场区场强测量单元得到远场区场点电场强度幅值，实现对天线辐射场点功率面密度的抽样，由该样本值依据天线辐射场仿真得到的方向系数估计天线的辐射功率，通过近场区功率测量单元测量前向功率得到天线的输入功率，天线的辐射效率由辐射功率与输入功率的比值计算得到。

本发明提供了一种短波发射天线辐射效率监测方法，该方法基于外场场强测量的短波天线辐射效率监测方法，包括近地架设短波天线辐射场的仿真和基于外场场强测量的短波天线辐射效率的计算与监测，其中，所述近地架设短波天线辐射场的仿真，由matlab仿真平台编程实现，通过域变换法解析介质半空间谱域位型并矢格林函数，采用RWG矩量法离散平面分层介质C类混合位电场积分方程，实现短波天线辐射场的数值仿真计算，通过对归一化场强方向图的积分计算方向系数，得到天线辐射功率的空间相对分布。

其中，所述介质半空间谱域位型并矢格林函数由谱域导抗法推导，根据天线架设地面电参数，确定介质层电参数，在谱域中通过传输线方程由传输线格林函数计算谱域C类位型并矢格林函数。

将介质半空间谱域位型并矢格林函数展开成为有限项复指数函数的的和，通过二级离散复镜像法计算空域格林函数。

在空域利用RWG矩量法实现短波天线辐射场的数值计算，通过对方向系数的计算得到天线辐射功率的空间相对分布。

本发明方法利用远场区场强测量单元进行短波天线远场场强的测量，实现对天线辐射场点功率面密度的抽样，由该样本值依据方向系数估计天线的辐射功率，近场区功率测量单元测量前向功率得到天线的输入功率，天线的辐射效率由辐射功率与输入功率的比值计算得到，在天线架设场地未发生剧烈变化的条件下，该效率仅与天线自身工作状态和辐射性能有关，通过长期的监测，该效率随时间的变化曲线可反映出天线辐射状态与通信能力的变化，从而实现了天线辐射效率的监测。

如图1所示，本发明所述监测系统主要由近场区功率测量单元与远场区场强测量单元两部分组成，近场区功率测量单元包括：功率测量模块、ARM控制模块与网络接口模块等部分；远场区场强测量单元包括：接收环天线、场强测量模块、数据处理模块、主控模块、LCD显示屏、键盘接口以及网络接口模块等部分。待测对象为短波发射机与待测天线。

近场区功率测量单元安装在待测天线与短波发射机之间，短波发射机工作时，将射频信号通过射频线缆传送到待测天线，由待测天线辐射出去，ARM控制模块控制功率测量模块通过射频耦合传感器对传输到待测天线上的射频输入功率进行实时监测，并将采集到的功率数据通过近场区网络接口模块传送给远场区场强测量单元中的数据处理模块。

远场区场强测量单元的接收环天线接收到射频信号后通过射频线缆传送至场强测量模块，在主控单元的自动控制下场强测量模块对短波天线场内的场强进行测量，实现对天线辐射场点功率面密度的抽样并将监测数据通过数据线缆送至数据处理模块上。主控单元还通过网络接口实现对功率测量模块的实时自动控制，并完成键盘接口的操作响应和LCD监视屏的图像显示。数据处理模块对送来的数据进行辨别、归纳、分类、转换和计算等相关分析处理，并依据方向系数估算出天线的辐射功率，通过长期的监测，该效率随时间的变化曲线可反映出天线辐射状态与通信能力的变化，从而实现天线辐射效率的监测。

如图2所示为本发明监测系统程序流程图，对本发明在短波发射天线辐射效率监测问题中的应用做进一步详细描述，具体步骤如下：

第一步，获取测试参数，所述测试参数包括天线架设地面的电参数包括介电常数和电导率，以及测量天线所在场点相对于被测天线的方位，包括球坐标系下的以及被测天线的物理参数包括天线形式、振子尺寸和架高。

第二步，计算待测天线归一化场强方向图和在测试点处的方向系数。

(1)建立近地架设短波天线辐射场仿真模型，引入介质半空间位型并矢格林函数结合混合位积分方程分析近地架设短波天线辐射场，采用平面分层介质结构谱域导抗法推导介质半空间谱域位型格林函数。

(2)构建天线的带状结构模型，运用RWG边元离散天线辐射体，以空域位型并矢格林函数为积分内核构建混合位电场积分方程，并由矩量法对其进行离散，由边馈电模型法构建馈源模型，通过偶极子模型法计算天线总辐射场，进而求得天线的归一化场强方向图和所测场点的方向性系数。

所述归一化场强方向图由下式计算：

所述方向系数由下式计算：

第三步，校准环天线场强测量系统，由直接替代法进行校准，校准完成后开始监测。上位机以固定周期通过串口从场强仪主机读取实测场强值，同时定向耦合器将实测前向功率输送至上位机。

第四步，根据式(1)利用各时刻实测场强值估计天线辐射功率，由式(2)计算各时刻天线辐射效率，并绘制辐射效率变化曲线，保存辐射效率监测结果。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种短波发射天线辐射效率监测方法，其特征在于，通过远场区场强测量单元得到远场区场点电场强度幅值，实现对天线辐射场点功率面密度的抽样，由该样本值依据天线辐射场仿真得到的方向系数估计天线的辐射功率，通过近场区功率测量单元测量前向功率得到天线的输入功率，再计算辐射功率与输入功率的比值得到辐射效率。

2.根据权利要求1所述的短波发射天线辐射效率监测方法，其特征在于，所述天线辐射场仿真包括平面分层介质结构域变换法和RWG矩量法的近地架设短波天线辐射场的仿真，通过短波天线辐射场的仿真，得到其辐射功率的空间相对分布。

3.根据权利要求1所述的短波发射天线辐射效率监测方法，其特征在于，所述通过远场区场强测量单元得到远场区场点电场强度幅值具体为，利用环天线场强测量系统进行短波天线辐射场的室外远场场强测量，实现场点功率面密度的抽样。

4.根据权利要求1至3任一项所述的短波发射天线辐射效率监测方法，其特征在于，具体包括如下步骤：

首先，获取测试参数，所述测试参数包括天线架设地面的电参数包括介电常数和电导率、测量天线所在场点相对于被测天线的方位，以及被测天线的物理参数包括天线形式、振子尺寸和架高；建立近地架设短波天线辐射场仿真模型和天线的带状结构模型，计算待测天线归一化场强方向图和在测试点处的方向系数；

其次，校准环天线场强测量系统，进行单场点分时场强幅值测量，同时通过近场区功率测量单元测量天线前向功率，并将场强幅值和前向功率测量结果送至上位机；

然后，通过实测场强幅值计算场点电磁功率面密度，依据仿真得到的方向系数估计天线辐射功率，天线辐射效率由辐射功率与输入功率的比值计算，即可完成短波发射天线辐射效率的监测和评估。

5.如权利要求1或2所述的短波发射天线辐射效率监测方法，其特征在于，所述天线的辐射效率为：

其中， 为方向系数，为远场区场点场强，方向系数由天线辐射场的仿真得到，场强由环天线场强测量系统进行测量，输入功率P_in由定向耦合器或功率计测量前向功率得到。

6.一种实现如权利要求1至5任一项所述短波发射天线辐射效率监测方法的监测系统，其特征在于，所述监测系统由近场区功率测量单元与远场区场强测量单元两部分组成，近场区功率测量单元包括：功率测量模块、ARM控制模块与近场区网络接口模块；远场区场强测量单元包括：接收环天线、场强测量模块、数据处理模块、主控模块、LCD显示屏、键盘接口以及远场区网络接口模块，其中：

所述近场区功率测量单元安装在待测天线与短波发射机之间，短波发射机工作时，将射频信号通过射频线缆传送到待测天线，由待测天线辐射出去，ARM控制模块控制功率测量模块通过射频耦合传感器对传输到待测天线上的射频输入功率进行实时监测，并将采集到的功率数据通过近场区网络接口模块传送给远场区场强测量单元中的数据处理模块；

所述远场区场强测量单元的接收环天线接收到射频信号后通过射频线缆传送至场强测量模块，在主控单元的自动控制下场强测量模块对短波天线场内的场强进行测量，实现对天线辐射场点功率面密度的抽样并将监测数据通过数据线缆送至数据处理模块上；主控单元还通过远场区网络接口实现对功率测量模块的实时自动控制，并完成键盘接口的操作响应和LCD监视屏的图像显示；数据处理模块对送来的数据进行辨别、归纳、分类、转换和计算相关分析处理，并依据方向系数估算出天线的辐射功率。