點對點無線通信系統(tǒng)的微波毫米波無源天線及器件

3.2 按照極化分類 According to Polarization

極化是電磁場的一大特性，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。目前點對點微波系統(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，不同國家制定了不同的標(biāo)準(zhǔn)用以描述微波天線級別和差異。其中最常見的是歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會ETSI標(biāo)準(zhǔn)，美國聯(lián)邦通訊委員會FCC標(biāo)準(zhǔn)，巴西國家電信局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)，它針對點對點天線輻射包絡(luò)圖的高低制定了Class1－Class4級別。目前市場上暢銷的點對點微波天線屬于Class 2－3級別，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 （簡稱C3）和Class4（簡稱C4）天線方向輻射圖測試結(jié)果?？梢钥闯鎏炀€要滿足這些國際標(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。

當(dāng)然不同的標(biāo)準(zhǔn)也會有不同的級別劃分方式，例如FCC，IC或ACMA分別有A和B兩個等級。天線廠家針對不同的市場，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和FCC級別的天線采用了超高性能天線代碼‘U’，滿足ETSI Class 4級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。

3.4 按照應(yīng)用場景分類 According to Application Scenarios

微波天線的應(yīng)用場景分為電場景和環(huán)境場景兩種。其中電場景是指微波天線在搭建無線電鏈路的場合，其分為點對點（p2p）微波天線和點對多點(p2mp)微波天線兩種。由于其使用場合不同，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對單點傳輸?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1所示的效果。而用于多點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)實現(xiàn)信號播報，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6和圖7所示的效果。

按照環(huán)境場景來講，微波天線主要分為普通天線，高抗腐天線和高抗風(fēng)天線三種。后兩種主要是針對特殊的應(yīng)用場所例如高煙霧腐蝕的海邊或颶風(fēng)高發(fā)區(qū)域，需要做特殊的高抗腐表面處理或結(jié)構(gòu)加強件設(shè)計。

3.5 按照Radio接口分類 According to Radio Interface Types

在一個完整的微波鏈路通信系統(tǒng)，比天線更為重要的是室外有源無線發(fā)射接受機(jī)，也被稱為Radio。天線廠家為了能夠讓自己的產(chǎn)品匹配不同廠家的Radio，往往為它們配備了特殊的結(jié)構(gòu)連接件或天線匹配過渡單元。用戶在采購天線的時候，也往往針對不同的Radio種類對天線進(jìn)行分類。圖8－圖10是三款不同廠家的天線接口示意圖。值得注意的是，對于天線性能來說，由于大多數(shù)部件是共用件，天線的性能一般被認(rèn)為不以接口方式的改變而改變。

微波器件分類及選型 Microwave Component Classifications

微波器件也可以從多個角度分類，本文旨在從業(yè)界常規(guī)的如下四種分類方式展開討論。

4.1 極化分離類According to Polarization

極化分離類器件本身也是極化耦合器件，常見的這類器件有微波正交極化耦合器（OMT）和極化器（Polarizer）。前者已經(jīng)在商用微波通信中廣泛應(yīng)用，其主要有分離式和直扣式兩種，其中分離式主要是通過標(biāo)準(zhǔn)法蘭與軟波導(dǎo)相連，器件成本較低但是系統(tǒng)整體附件成本較高；直扣式主要是允許室外單元（ODU）或Radio直接連接到器件上，從而節(jié)省了高額的軟波導(dǎo)。圖11是該器件在接受雙極化信號狀態(tài)下的極化分離場分布示意圖，利用類似原理，通宇公司已經(jīng)成功開發(fā)全頻段的分離和直扣OMT產(chǎn)品（見圖12）。

4.2 功分類 According to Power Division

功率分配類的常見微波器件是功分器（Power divider）和定向耦合器（Directional coupler），它們都有分配或組合功率的特性，但有著本質(zhì)的區(qū)別。前者把一路信號按照特定幅度或相位分為多路，常見于激勵陣列天線單元；而后者一般指一種4端口器件，其輸出兩個端口一般并不會同時工作，給鏈路一種備份的功能。后一種產(chǎn)品常見與點對點微波通信系統(tǒng)中，用于微波天線后端提高鏈路的可靠性。圖13－14是通宇公司開發(fā)的高性能微波定向耦合器及其天線連接效果圖。

4.3 頻分類 According to Frequency Division

頻分類微波器件主要是指微波濾波器，微波雙工器，多工器和室外分枝單元等產(chǎn)品。這些器件主要集成于天線室外單元的內(nèi)部， 用于實現(xiàn)濾波和信道整合等功能。微波濾波器多見于單路信道的濾波，雙工器使鏈路收發(fā)可以共用一個天線，而多工器和室外分枝單元則可以完成多信道融合從而使單一點對點鏈路實現(xiàn)超寬帶傳輸。圖15－16演示一款定制雙工器及其性能。

4.4 功能類 According to Functionalities

針對若干小型化的微波通信系統(tǒng)，多功能集合的微波器件已經(jīng)變的越來越普遍。例如將正交極化耦合器和雙工器集合在一體的器件已經(jīng)被很多Radio廠家所采用；為了實現(xiàn)多工功能，多個濾波器與環(huán)形器級連也是一種較普遍的解決方案。在這里介紹一款由通宇公司獨立開發(fā)的四端口耦合器件，如圖17所示，該款產(chǎn)品有四個端口用于連接4個室外單元，另外一個端口連接雙極化微波天線。該器件集成了一個正交極化耦合器和兩個定向耦合器，使得XPIC系統(tǒng)每一個極化具備備份功能。圖18是采用該器件搭建的天饋系統(tǒng)。

微波毫米波天線和器件發(fā)展趨勢 Development Trend of Microwave/Milimeter-wave Antennas and Components

微波毫米波天線和器件有如下的未來發(fā)展趨勢：高性能化，低成本化，多極化，寬頻化，高效率化，小型化，定制集成化，和高頻化。值得提的是，隨著LTE系統(tǒng)和未來5G的發(fā)展，小基站的系統(tǒng)將變的越來越普遍，單位空間內(nèi)微波鏈路的數(shù)量將變的更多，這就要求微波天線及器件的性能更高，價格要更低；另外多極化，寬頻化，高頻化主要是為了滿足日益增長的系統(tǒng)帶寬的需求；越來越多的新型室外單元，為了減小整個系統(tǒng)體積，Radio廠家已經(jīng)在和天線制造商合作開發(fā)小型化和定制集成化的天線系統(tǒng)，這使得未來的微波室外天饋系統(tǒng)趨于個性化和定制化。

總結(jié) Conclusion

綜上所述，本文介紹了點對點無線通信中的無源微波毫米波天線和器件，圍繞這些產(chǎn)品的性能和特征對現(xiàn)有產(chǎn)品架構(gòu)進(jìn)行了討論，并簡述了本行業(yè)的發(fā)展趨勢。

東君偉，博士，2009年畢業(yè)于美國弗吉尼亞理工大學(xué)電子工程系。2009－2011年受聘美國微波工程公司，任職研究科學(xué)家。2011年9月海歸，現(xiàn)任通宇通訊股份有限公司首席技術(shù)副總監(jiān)，同時承擔(dān)微波部門的管理和運營工作。

吳中林，廣東通宇通訊股份有限公司董事長。1989年畢業(yè)于西安電子科技大學(xué)；1994年，成功研制國內(nèi)第一面移動通信基站天線，打破了中國基站天線市場由國外產(chǎn)品壟斷的局面；1996年，注冊成立通宇通訊公司。