淺談面向點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線通信系統(tǒng)的微波毫米波無源天線及器件

背景Background

隨著近代無線電技術(shù)發(fā)展，無線通信系統(tǒng)在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)信息傳輸中變的越來越為普遍。與電纜和光纖通信相比，微波通信有可移植性好、性價(jià)比高、投資回報(bào)快等眾多優(yōu)點(diǎn)。在很多國(guó)家，它們已經(jīng)成為電訊基站間光纖連接的替代產(chǎn)品，例如在美國(guó)、日本，眾多運(yùn)營(yíng)商85％以上的基站回程通信已經(jīng)采用微波傳輸，在英國(guó)有的比例高達(dá)90％。從有線到無線的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)解決方案日前在發(fā)展中國(guó)家例如印度也變的越來越為普遍。調(diào)查顯示全球微波天線年需求量以每年大概5％速度增長(zhǎng)。不僅如此，商場(chǎng)、超市、公園等大眾場(chǎng)合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)解決方案有望采用毫米波頻段天線，這些給毫米波頻段的天線及外圍器件提供了市場(chǎng)前景。

本文談及的微波毫米波（下簡(jiǎn)稱微波）產(chǎn)品主要是指工作在4～86GHz頻段的無源天線和器件。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。文章首先介紹微波天線和器件的相關(guān)術(shù)語(yǔ)，旨在交代核心指標(biāo)與系統(tǒng)性能的關(guān)系；微波產(chǎn)品頻帶跨度大種類繁多，本文主要從不同角度闡術(shù)當(dāng)前市場(chǎng)上微波天線和器件的類別以及在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和選型時(shí)的一些技術(shù)關(guān)注點(diǎn)和特性?？紤]到微波技術(shù)商用化時(shí)間短，在國(guó)內(nèi)可以說是新興產(chǎn)業(yè)，很多公司都是在近10年內(nèi)才配備較全面的微波毫米波測(cè)試設(shè)備，因此產(chǎn)品和技術(shù)依然不是很完善，本文將抽出一個(gè)章節(jié)淺談微波技術(shù)的未來產(chǎn)業(yè)發(fā)展之趨勢(shì)。

微波天線及器件基礎(chǔ)Fundamentals on Microwave Antennas and Components

了解任何產(chǎn)品首先需要了解這些產(chǎn)品的特性，不同的指標(biāo)以及指標(biāo)好壞如何影響產(chǎn)品的使用。對(duì)于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線通信系統(tǒng)，產(chǎn)品的好壞影響系統(tǒng)的增益，效率，鏈路干擾以及使用壽命。本章節(jié)分別從天線和器件角度解析部分常規(guī)術(shù)語(yǔ)以及它們與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無線通信系統(tǒng)的關(guān)系。

2.1天線常規(guī)術(shù)語(yǔ)General Terminologies for Antennas

表1列出了天線常規(guī)術(shù)語(yǔ)以及它們潛在影響的系統(tǒng)性能。天線作為把能量轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂煽臻g無線電磁能量的核心器件，其輻射特性是最關(guān)鍵的指標(biāo)，圖1列出了用于描述

天線輻射特性的若干核心指標(biāo)，除增益外，其中前后比和輻射包絡(luò)圖是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信天線選型中最為關(guān)注的兩個(gè)指標(biāo)。

表1微波天線常規(guī)術(shù)語(yǔ)及系統(tǒng)的關(guān)系

2.2器件常規(guī)術(shù)語(yǔ)General Terminologies for Components

表2列出了器件常規(guī)術(shù)語(yǔ)以及它們潛在影響的系統(tǒng)性能。其中差損和隔離往往是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波器件選型中最為關(guān)注的兩個(gè)指標(biāo)，當(dāng)器件和天線級(jí)連之后，它們直接影響天饋系統(tǒng)的增益以及方向圖交叉極化等特性。

表2微波器件常規(guī)術(shù)語(yǔ)及系統(tǒng)的關(guān)系

2.3產(chǎn)品可靠性常規(guī)術(shù)語(yǔ)General Terminologies for Stabilities

我們將產(chǎn)品可靠性作為產(chǎn)品必不可少的一部分指標(biāo)，表3列出了針對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信中天線和器件相關(guān)的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)術(shù)語(yǔ)，它們的好壞直接關(guān)系到通信系統(tǒng)的使用壽命或部件維護(hù)周期。

表3微波天線及器件產(chǎn)品可靠性常見術(shù)語(yǔ)

微波天線分類及選型Microwave Antennas Classifications

微波天線可以從多個(gè)角度分類，本文旨在從業(yè)界常規(guī)的如下五種分類方式展開分析。

3.1按照頻率及尺寸分類According to Frequency and Size

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大小，天線生產(chǎn)廠家也基本以此來定義各自的產(chǎn)品編碼（Product Number）。表4是通宇通訊股份有限公司產(chǎn)品頻段和尺寸對(duì)應(yīng)表格（其中綠色，淺綠和紅色分別代表2011－2013不同年度發(fā)布的產(chǎn)品），表5是各個(gè)頻率的頻帶定義。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，近期通宇開始推出20％的寬頻天線，這是為何表5部分頻點(diǎn)含有窄頻和寬頻兩種規(guī)格。

表5微波天線頻率列表

3.2按照極化分類According to Polarization

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)微波系統(tǒng)按照極化分為單極化，雙極化和圓周極化三種，其中前兩種相對(duì)成熟，雙極化微波天線廣泛用于XPIC微波通信系統(tǒng)中。圖2－圖3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。值得注意的是，雙極化產(chǎn)品可以認(rèn)為是單極化產(chǎn)品和正交極化耦合器的組合產(chǎn)品。

3.3按照性能級(jí)別分類According to Level of Performance

根據(jù)天線方向圖保羅特性及2.1中描述的天線性能參數(shù)不同，不同國(guó)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。其中最常見的是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)ETSI標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)FCC標(biāo)準(zhǔn)，巴西國(guó)家電信局ANATEL標(biāo)準(zhǔn)，澳大利亞通訊與媒體管理局ACMA標(biāo)準(zhǔn)，和加拿大工業(yè)部IC標(biāo)準(zhǔn)。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 2－3級(jí)別，而Class 4天線具備更高的前后比及RPE要求，已經(jīng)成為各大廠家積極開發(fā)的下一代產(chǎn)品。圖4－圖5是通宇通訊股份有限公司開發(fā)的Class3（簡(jiǎn)稱C3）和Class4（簡(jiǎn)稱C4）天線方向輻射圖測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯鎏炀€要滿足這些國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，首先要使得其方向圖曲線低于ETSI指定的C3和C4保羅線之上限。C4天線對(duì)比C3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)，用戶可以部署更多數(shù)量的微波天線。