基于點(diǎn)對點(diǎn)通訊的微波天線(xiàn)及其高精度遠場(chǎng)測試系統

1、簡(jiǎn)介

與光纖通信相比，微波點(diǎn)對點(diǎn)通信有可移植性好、性?xún)r(jià)比高、不涉及土地產(chǎn)權等眾多優(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，運營(yíng)商85%以上的基站回傳通信已經(jīng)采用微波通信。調查顯示全球微波天線(xiàn)年 需求量以每年大概10%的速度增長(cháng)。此外，商場(chǎng)、公園、車(chē)站等公共場(chǎng)所的無(wú)線(xiàn)寬頻接入的需求也越來(lái)越普遍，小基站已經(jīng)成為流行的解決方案，該類(lèi)型通信系統 的后端點(diǎn)對點(diǎn)回傳方案也可以采用微波天線(xiàn)，這些都給微波天線(xiàn)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(xiàn)主要是指工作在4～86GHz頻段的無(wú)源 天線(xiàn)。它們使通信系統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)現寬帶模擬信道傳輸，屬于現代點(diǎn)對點(diǎn)無(wú)線(xiàn)通信系統中核心天饋部件。

在盡量少的空間內布置盡可能多的微波天線(xiàn)就需要對天線(xiàn)與天線(xiàn)之間的互擾提出非常嚴格的要求，同時(shí)對測試系統的精度和動(dòng)態(tài)范圍提出了很高的要求。大體上說(shuō)，衡量這種互擾的主要天線(xiàn)參數有前后比，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(xiàn)遠場(chǎng)測試系統，并以Eband ETSI Class4 天線(xiàn)為列給出了一些測試結果。

2、微波天線(xiàn)分類(lèi)

微波天線(xiàn)可以從多個(gè)角度分類(lèi)，一般業(yè)界有以下幾種分類(lèi)方式。

2.1 按照頻率和口徑分類(lèi)

微波天線(xiàn)最常見(jiàn)也是普遍被業(yè)界認可的分類(lèi)方式是頻段和天線(xiàn)直徑，天線(xiàn)生產(chǎn)廠(chǎng)家也基本以此來(lái)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)品頻段和尺寸對應表格，值得提的是，雖然微波天線(xiàn)覆蓋4－86GHz，大口徑天線(xiàn)并非全頻段覆蓋，這 主要是因為大口徑天線(xiàn)一般用于遠距離的微波傳輸，隨著(zhù)頻率增高空間損耗變的難以體現大口徑高增益的優(yōu)勢，另外頻率越高波束寬度越窄，太高頻率的大口徑天線(xiàn) 也會(huì )使得鏈路對調成為問(wèn)題。另外，傳統微波天線(xiàn)大概有10％左右的帶寬，通宇通訊已陸續推出的20％的寬頻天線(xiàn)，包括5W, 6W, 7W, 10W, 23W 和27W。

表1 微波天線(xiàn)頻率

表2 天線(xiàn)按頻段和口徑分類(lèi)列表

2.2 按照極化分類(lèi)

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使得在頻帶不變的情況下信道容量增倍。目前點(diǎn)對點(diǎn)微波通信系統按照極化分為單極化，雙極化2種，其中前兩種相對成熟，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(xiàn)產(chǎn)品。

圖1 單極化微波天線(xiàn) 圖2 雙極化微波天線(xiàn)

2.3 按照性能級別分類(lèi)

根據天線(xiàn)方向圖特性，不同國家制定了不同的標準用以描述微波天線(xiàn)級別和差異。業(yè)界中最為常用的是ETSI標準，它針對點(diǎn)對點(diǎn)天線(xiàn)輻射包絡(luò )圖的高低制 定了Class1－Class4級別。目前市場(chǎng)上暢銷(xiāo)的點(diǎn)對點(diǎn)微波天線(xiàn)屬于Class 3級別，而Class 4天線(xiàn)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(chǎng)家積極開(kāi)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(kāi)發(fā)的Class3和Class4天 線(xiàn)方向輻射圖測試結果?？梢钥闯鎏炀€(xiàn)要滿(mǎn)ETSI的標準，其方向圖曲線(xiàn)低于ETSI指定的Class3和Class4包絡(luò )之上限。Class4天線(xiàn)對比 Class3天線(xiàn)，它要求天線(xiàn)方向圖壓得更低，前后比更高，這使得在有限空間范圍內可以部署更多數量的微波天線(xiàn)。

圖3 ETSI Class 3 天線(xiàn)方向圖 圖4 ETSI Class 4

天線(xiàn)方向圖

天線(xiàn)廠(chǎng)家針對不同的市場(chǎng)，充分論證自己天線(xiàn)的性能用于滿(mǎn)足世界各地客戶(hù)的需求。例如TYA06U38S和TYA06E38S是通宇公司兩款微波天線(xiàn) 產(chǎn)品，滿(mǎn)足ETSI Class 3級別的天線(xiàn)采用了超高性能天線(xiàn)代碼‘U’，滿(mǎn)足ETSI Class 4級別的天線(xiàn)則采用異高性能天線(xiàn)代碼‘E’來(lái)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(xiàn)。

2.4 按照應用場(chǎng)景分類(lèi)

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

切面方向圖

圖7 點(diǎn)對多點(diǎn)扇形天線(xiàn)

微波天線(xiàn)的應用場(chǎng)景主要是指電場(chǎng)景，是指微波天線(xiàn)在搭建無(wú)線(xiàn)電鏈路的場(chǎng)合，其分為點(diǎn)對點(diǎn)（p2p） 微波天線(xiàn)和點(diǎn)對多點(diǎn)(p2mp)微波天線(xiàn)兩種。由于其使用場(chǎng)合不同，微波天線(xiàn)的輻射特性要求也不同。例如用于替代光纖這種單點(diǎn)對單點(diǎn)傳輸的微波天線(xiàn)，它們 的三維方向圖要具備類(lèi)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(xiàn)其特性類(lèi)似常規的基站天線(xiàn)，目的是在大角度范圍內實(shí)現信號播 報，因此p2mp的微波天線(xiàn)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是通宇通訊設計的可以用于點(diǎn)對多點(diǎn)通訊的扇形天線(xiàn)。

3、高精度遠場(chǎng)測試系統

3.1系統需求

采用傳統的微波暗室測試系統來(lái)測試之前提到C4天線(xiàn)和Eband（80GHz）天線(xiàn)是比較困難的，原因是相比于傳統的測試系統，他們對系統的動(dòng)態(tài)范圍，精確度提出了更高的要求。為了得出系統需求的一般要求，我們以以下的Eband Class-4天線(xiàn)為列做詳細說(shuō)明：

天線(xiàn)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系統設計

1)系統框圖

如圖8所示，是系統的框圖，該系統采用信號源，頻譜儀的最典型的遠場(chǎng)測試系統的構架。發(fā)射端放置在地面，接收端和中央控制系統放置在7層樓樓頂，兩端的視距（LOS）和地面形成一個(gè)夾角，這對于測試高前后比的天線(xiàn)是十分有利的，因為天線(xiàn)可以直接對向天空。

圖8 系統框圖

2)系統的硬件

如圖9(a)所示，分別是發(fā)射端支架和信號源，如圖9(b)所示為接收端轉臺，圖9(c)為接收端的一些設備。

(a)　　　　　　　　　　　　　　　　　 (b)

(c)圖9 系統硬件

3)系統的軟件

和其他測試系統一樣，軟件的設計要求對其電機，頻譜儀等設備能精確的控制， 要求測試數據的計算和最終的顯示快速有效。對于當前的測試系統，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“絕對模式”，“相對模式“和“歸一化 模式”，并且可以自由和獨立的控制，如圖10所示；第二是為了測試具有極高前后比或者說(shuō)是測試需要極高動(dòng)態(tài)范圍的天線(xiàn)，設計了一個(gè)遠程頻譜儀控制系統，這 個(gè)設計使頻譜儀可以遠程獲得射頻傳輸損耗和校正參數，如圖11所示。

圖10 測試系統顯示 圖11 遠程控制系統

3.3測試舉例

如上所述的測試系統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，該系統可以有效的測試目前的ETSI Class3 天線(xiàn)和 未來(lái)的ETSI Class 4 天線(xiàn)。在測試中發(fā)現，精度可以達到前后比大于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(xiàn)的方向圖測試結果，如圖12(b)所示為86GHz的0.3m的Class 3天線(xiàn)的方向圖測試結果。

(a)　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)
圖12 測試結果

4、總結 Conclusion

綜上所述，本文介紹了點(diǎn)對點(diǎn)無(wú)線(xiàn)通信中的無(wú)源微波天線(xiàn)和高精度遠場(chǎng)測試系統，介紹這些產(chǎn)品的性能和分類(lèi)方法，介紹了高進(jìn)度遠程測試系統的架構和軟硬件構成，并簡(jiǎn)述了本行業(yè)的發(fā)展趨勢。