淺談面向點對點無線通信系統(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)在點對點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、性價比高、投資回報快等眾多優(yōu)點。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％。從有線到無線的點對點解決方案日前在發(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)的后端點對點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。

吳中林董事長

東君偉博士

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態(tài)范圍和實現(xiàn)寬帶模擬信道傳輸，屬于現(xiàn)代點對點無線通信系統(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)計和選型時的一些技術(shù)關(guān)注點和特性�？紤]到微波技術(shù)商用化時間短，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。對于點對點無線通信系統(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)語以及它們與點對點無線通信系統(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)圖是點對點通信天線選型中最為關(guān)注的兩個指標(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對點微波器件選型中最為關(guān)注的兩個指標(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列出了針對點對點通信中天線和器件相關(guān)的可靠性和環(huán)境適應(yīng)性實驗術(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，這主要是因為大口徑天線一般用于遠(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。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。

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，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。

作者：東君偉，吳中林 來源：廠商供稿