基于點對點通訊的微波天線及其高精度遠場測試系統

1、簡介

與光纖通信相比，微波點對點通信有可移植性好、性價比高、不涉及土地產權等眾多優點。在很多國家，它們已經成為基站間光纖連接的替代技術，例如在美國、英國，日本等國家，運營商85%以上的基站回傳通信已經采用微波通信。調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、公園、車站等公共場所的無線寬頻接入的需求也越來越普遍，小基站已經成為流行的解決方案，該類型通信系統 的后端點對點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。它們使通信系統在不需要電源模塊的情況下具備較高的動態范圍和實現寬帶模擬信道傳輸，屬于現代點對點無線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就需要對天線與天線之間的互擾提出非常嚴格的要求，同時對測試系統的精度和動態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有前后比，旁瓣和方向圖。本文重點介紹了廣東通宇通訊股份有限公司的高精度微波天線遠場測試系統，并以Eband ETSI Class4 天線為列給出了一些測試結果。

2、微波天線分類

微波天線可以從多個角度分類，一般業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界認可的分類方式是頻段和天線直徑，天線生產廠家也基本以此來定義各自的產品編碼。表1是各個頻率的頻帶定義，表2是通 宇通訊股份有限公司已經研發成功并可以大批量供貨的產品頻段和尺寸對應表格，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 主要是因為大口徑天線一般用于遠距離的微波傳輸，隨著頻率增高空間損耗變的難以體現大口徑高增益的優勢，另外頻率越高波束寬度越窄，太高頻率的大口徑天線 也會使得鏈路對調成為問題。另外，傳統微波天線大概有10％左右的帶寬，通宇通訊已陸續推出的20％的寬頻天線，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的兩款單極化和雙極化微波天線產品。

圖1 單極化微波天線 圖2 雙極化微波天線

2.3 按照性能級別分類

根據天線方向圖特性，不同國家制定了不同的標準用以描述微波天線級別和差異。業界中最為常用的是ETSI標準，它針對點對點天線輻射包絡圖的高低制 定了Class1－Class4級別。目前市場上暢銷的點對點微波天線屬于Class 3級別，而Class 4天線具備更高的前后比及方向圖包絡要求，已經成為各大廠家積極開發的下一代產品。圖3和圖4是通宇通訊股份有限公司開發的Class3和Class4天 線方向輻射圖測試結果?？梢钥闯鎏炀€要滿ETSI的標準，其方向圖曲線低于ETSI指定的Class3和Class4包絡之上限。Class4天線對比 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可以部署更多數量的微波天線。

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 產品，滿足ETSI Class 3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。

2.4 按照應用場景分類

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 點對多點扇形天線

微波天線的應用場景主要是指電場景，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的微波天線，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。而用于多點覆蓋的微波天線其特性類似常規的基站天線，目的是在大角度范圍內實現信號播 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5和圖6所示的效果。圖7是通宇通訊設計的可以用于點對多點通訊的扇形天線。

3、高精度遠場測試系統

3.1系統需求

采用傳統的微波暗室測試系統來測試之前提到C4天線和Eband（80GHz）天線是比較困難的，原因是相比于傳統的測試系統，他們對系統的動態范圍，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天線為列做詳細說明：

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測試系統的構架。發射端放置在地面，接收端和中央控制系統放置在7層樓樓頂，兩端的視距（LOS）和地面形成一個夾角，這對于測試高前后比的天線是十分有利的，因為天線可以直接對向天空。

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，有兩個亮點是值得一提的，第一是所有的四個軸都支持“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是測試需要極高動態范圍的天線，設計了一個遠程頻譜儀控制系統，這 個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 天線和 未來的ETSI Class 4 天線。在測試中發現，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)所示為一個在86GHz的0.3m的Class 4天線的方向圖測試結果，如圖12(b)所示為86GHz的0.3m的Class 3天線的方向圖測試結果。

(a)　　　　　　　　　　　　　　　　　(b)
圖12 測試結果

4、總結 Conclusion

綜上所述，本文介紹了點對點無線通信中的無源微波天線和高精度遠場測試系統，介紹這些產品的性能和分類方法，介紹了高進度遠程測試系統的架構和軟硬件構成，并簡述了本行業的發展趨勢。