淺談面向點(diǎn)對點(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、日本，眾多運(yùn)營商85％以上的基站回程通信已經(jīng)采用微波傳輸，在英國有的比例高達(dá)90％。從有線到無線的點(diǎn)對點(diǎn)解決方案日前在發(fā)展中國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。不僅如此，商場、超市、公園等大眾場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前景。

本文談及的微波毫米波（下簡稱微波）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，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。

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。對于點(diǎn)對點(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)語以及它們與點(diǎn)對點(diǎn)無線通信系統(tǒng)的關(guān)系。

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

表1列出了天線常規(guī)術(shù)語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)語及系統(tǒng)的關(guān)系

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

表2列出了器件常規(guī)術(shù)語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)語及系統(tǒng)的關(guān)系

2.3產(chǎn)品可靠性常規(guī)術(shù)語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列出了針對點(diǎn)對點(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，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

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，另外頻率越高波束寬度越窄，太高頻率的大口徑天線也會使得鏈路對調(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(diǎn)對點(diǎn)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(diǎn)對點(diǎn)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。可以看出天線要滿足這些國際標(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。