基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊的微波天線及其高精度遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)

1、簡(jiǎn)介

與光纖通信相比，微波點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信有可移植性好、性價(jià)比高、不涉及土地產(chǎn)權(quán)等眾多優(yōu)點(diǎn)。在很多國家，它們已經(jīng)成為基站間光纖連接的替代技術(shù)，例如在美國、英國，日本等國家，運(yùn)營商85%以上的基站回傳通信已經(jīng)采用微波通信。調(diào)查顯示全球微波天線年 需求量以每年大概10%的速度增長。此外，商場(chǎng)、公園、車站等公共場(chǎng)所的無線寬頻接入的需求也越來越普遍，小基站已經(jīng)成為流行的解決方案，該類型通信系統(tǒng) 的后端點(diǎn)對(duì)點(diǎn)回傳方案也可以采用微波天線，這些都給微波天線及外圍器件提供了很好的市場(chǎng)前景。本文談及的微波天線主要是指工作在4～86GHz頻段的無源 天線。它們使通信系統(tǒng)在不需要電源模塊的情況下具備較高的動(dòng)態(tài)范圍和實(shí)現(xiàn)寬帶模擬信道傳輸，屬于現(xiàn)代點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線通信系統(tǒng)中核心天饋部件。

在盡量少的空間內(nèi)布置盡可能多的微波天線就需要對(duì)天線與天線之間的互擾提出非常嚴(yán)格的要求，同時(shí)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的精度和動(dòng)態(tài)范圍提出了很高的要求。大體上說，衡量這種互擾的主要天線參數(shù)有前后比，旁瓣和方向圖。本文重點(diǎn)介紹了廣東通宇通訊股份有限公司的高精度微波天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，并以Eband ETSI Class4 天線為列給出了一些測(cè)試結(jié)果。

2、微波天線分類

微波天線可以從多個(gè)角度分類，一般業(yè)界有以下幾種分類方式。

2.1 按照頻率和口徑分類

微波天線最常見也是普遍被業(yè)界認(rèn)可的分類方式是頻段和天線直徑，天線生產(chǎn)廠家也基本以此來定義各自的產(chǎn)品編碼。表1是各個(gè)頻率的頻帶定義，表2是通 宇通訊股份有限公司已經(jīng)研發(fā)成功并可以大批量供貨的產(chǎn)品頻段和尺寸對(duì)應(yīng)表格，值得提的是，雖然微波天線覆蓋4－86GHz，大口徑天線并非全頻段覆蓋，這 主要是因?yàn)榇罂趶教炀€一般用于遠(yuǎn)距離的微波傳輸，隨著頻率增高空間損耗變的難以體現(xiàn)大口徑高增益的優(yōu)勢(shì)，另外頻率越高波束寬度越窄，太高頻率的大口徑天線 也會(huì)使得鏈路對(duì)調(diào)成為問題。另外，傳統(tǒng)微波天線大概有10％左右的帶寬，通宇通訊已陸續(xù)推出的20％的寬頻天線，包括5W, 6W, 7W, 10W, 23W 和27W。

表1 微波天線頻率

表2 天線按頻段和口徑分類列表

2.2 按照極化分類

極化是電磁場(chǎng)的一大特性，在通信信道中采用正交的極化信號(hào)使得在頻帶不變的情況下信道容量增倍。目前點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波通信系統(tǒng)按照極化分為單極化，雙極化2種，其中前兩種相對(duì)成熟，圖1和圖2分別是通宇公司生產(chǎn)的兩款單極化和雙極化微波天線產(chǎn)品。

圖1 單極化微波天線 圖2 雙極化微波天線

2.3 按照性能級(jí)別分類

根據(jù)天線方向圖特性，不同國家制定了不同的標(biāo)準(zhǔn)用以描述微波天線級(jí)別和差異。業(yè)界中最為常用的是ETSI標(biāo)準(zhǔn)，它針對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)天線輻射包絡(luò)圖的高低制 定了Class1－Class4級(jí)別。目前市場(chǎng)上暢銷的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波天線屬于Class 3級(jí)別，而Class 4天線具備更高的前后比及方向圖包絡(luò)要求，已經(jīng)成為各大廠家積極開發(fā)的下一代產(chǎn)品。圖3和圖4是通宇通訊股份有限公司開發(fā)的Class3和Class4天 線方向輻射圖測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯鎏炀€要滿ETSI的標(biāo)準(zhǔn)，其方向圖曲線低于ETSI指定的Class3和Class4包絡(luò)之上限。Class4天線對(duì)比 Class3天線，它要求天線方向圖壓得更低，前后比更高，這使得在有限空間范圍內(nèi)可以部署更多數(shù)量的微波天線。

圖3 ETSI Class 3 天線方向圖 圖4 ETSI Class 4

天線方向圖

天線廠家針對(duì)不同的市場(chǎng)，充分論證自己天線的性能用于滿足世界各地客戶的需求。例如TYA06U38S和TYA06E38S是通宇公司兩款微波天線 產(chǎn)品，滿足ETSI Class 3級(jí)別的天線采用了超高性能天線代碼‘U’，滿足ETSI Class 4級(jí)別的天線則采用異高性能天線代碼‘E’來表示，它們分別代表了0.6m口徑工作在38GHz的C3 和C4單極化天線。

2.4 按照應(yīng)用場(chǎng)景分類

圖5 p2mp 微波天線Azimuth切面方向圖 圖6 p2mp 微波天線Elevation

切面方向圖

圖7 點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)扇形天線

微波天線的應(yīng)用場(chǎng)景主要是指電場(chǎng)景，是指微波天線在搭建無線電鏈路的場(chǎng)合，其分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（p2p） 微波天線和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)(p2mp)微波天線兩種。由于其使用場(chǎng)合不同，微波天線的輻射特性要求也不同。例如用于替代光纖這種單點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)傳輸?shù)奈⒉ㄌ炀€，它們 的三維方向圖要具備類似鉛筆光束（Pencil beam）的特性，其二維切面方向圖需具備圖3或圖4所示的效果。而用于多點(diǎn)覆蓋的微波天線其特性類似常規(guī)的基站天線，目的是在大角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號(hào)播 報(bào)，因此p2mp的微波天線三維方向圖要具備扇形（Fan beam）的特征，其二維方向圖須具備圖5和圖6所示的效果。圖7是通宇通訊設(shè)計(jì)的可以用于點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通訊的扇形天線。

3、高精度遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)

3.1系統(tǒng)需求

采用傳統(tǒng)的微波暗室測(cè)試系統(tǒng)來測(cè)試之前提到C4天線和Eband（80GHz）天線是比較困難的，原因是相比于傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)，他們對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍，精確度提出了更高的要求。為了得出系統(tǒng)需求的一般要求，我們以以下的Eband Class-4天線為列做詳細(xì)說明：

天線直徑：φ=0.6m
工作頻率：71GHz-86GHz
半功率角：0.5度
增益：50dBi
前后比：70dB
定義幅度可容忍量σ為最大

3.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1)系統(tǒng)框圖

如圖8所示，是系統(tǒng)的框圖，該系統(tǒng)采用信號(hào)源，頻譜儀的最典型的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)架。發(fā)射端放置在地面，接收端和中央控制系統(tǒng)放置在7層樓樓頂，兩端的視距（LOS）和地面形成一個(gè)夾角，這對(duì)于測(cè)試高前后比的天線是十分有利的，因?yàn)樘炀€可以直接對(duì)向天空。

圖8 系統(tǒng)框圖

2)系統(tǒng)的硬件

如圖9(a)所示，分別是發(fā)射端支架和信號(hào)源，如圖9(b)所示為接收端轉(zhuǎn)臺(tái)，圖9(c)為接收端的一些設(shè)備。

(a)　　　　　　　　　　　　　　　　　 (b)

(c)圖9 系統(tǒng)硬件

3)系統(tǒng)的軟件

和其他測(cè)試系統(tǒng)一樣，軟件的設(shè)計(jì)要求對(duì)其電機(jī)，頻譜儀等設(shè)備能精確的控制， 要求測(cè)試數(shù)據(jù)的計(jì)算和最終的顯示快速有效。對(duì)于當(dāng)前的測(cè)試系統(tǒng)，有兩個(gè)亮點(diǎn)是值得一提的，第一是所有的四個(gè)軸都支持“絕對(duì)模式”，“相對(duì)模式“和“歸一化 模式”，并且可以自由和獨(dú)立的控制，如圖10所示；第二是為了測(cè)試具有極高前后比或者說是測(cè)試需要極高動(dòng)態(tài)范圍的天線，設(shè)計(jì)了一個(gè)遠(yuǎn)程頻譜儀控制系統(tǒng)，這 個(gè)設(shè)計(jì)使頻譜儀可以遠(yuǎn)程獲得射頻傳輸損耗和校正參數(shù)，如圖11所示。

圖10 測(cè)試系統(tǒng)顯示 圖11 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

3.3測(cè)試舉例

如上所述的測(cè)試系統(tǒng)在廣東通宇通訊股份有限公司已經(jīng)成功研制成功并投入使用，該系統(tǒng)可以有效的測(cè)試目前的ETSI Class3 天線和 未來的ETSI Class 4 天線。在測(cè)試中發(fā)現(xiàn)，精度可以達(dá)到前后比大于75dB和半功率角小于0.5度。 如圖12(a)所示為一個(gè)在86GHz的0.3m的Class 4天線的方向圖測(cè)試結(jié)果，如圖12(b)所示為86GHz的0.3m的Class 3天線的方向圖測(cè)試結(jié)果。

(a)　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)
圖12 測(cè)試結(jié)果

4、總結(jié) Conclusion

綜上所述，本文介紹了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線通信中的無源微波天線和高精度遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，介紹這些產(chǎn)品的性能和分類方法，介紹了高進(jìn)度遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)的架構(gòu)和軟硬件構(gòu)成，并簡(jiǎn)述了本行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。