面向点对点无线通信系统的微波毫米波无源天线及器件

　　背景

　　随着近代无线电技术发展，无线通信系统在点对点信息传输中变的越来越为普遍。与电缆和光纤通信相比，微波通信有可移植性好、性价比高、投资回报快等众多优点。在很多国家，它们已经成为电讯基站间光纤连接的替代产品，例如在美国、日本，众多运营商85％以上的基站回程通信已经采用微波传输，在英国有的比例高达90％。从有线到无线的点对点解决方案日前在发展中国家例如印度也变的越来越为普遍。调查显示全球微波天线年需求量以每年大概5％速度增长。不仅如此，商场、超市、公园等大众场合的无线宽频接入的需求也越来越普遍，小基站已经成为流行的解决方案，该类型通信系统的后端点对点解决方案有望采用毫米波频段天线，这些给毫米波频段的天线及外围器件提供了市场前景。

　　本文谈及的微波毫米波（下简称微波）产品主要是指工作在4～86GHz频段的无源天线和器件。它们使通信系统在不需要电源模块的情况下具备较高的动态范围和实现宽带模拟信道传输，属于现代点对点无线通信系统中核心天馈部件。文章首先介绍微波天线和器件的相关术语，旨在交代核心指标与系统性能的关系；微波产品频带跨度大种类繁多，本文主要从不同角度阐术当前市场上微波天线和器件的类别以及在产品设计和选型时的一些技术关注点和特性。考虑到微波技术商用化时间短，在国内可以说是新兴产业，很多公司都是在近10年内才配备较全面的微波毫米波测试设备，因此产品和技术依然不是很完善，本文将抽出一个章节浅谈微波技术的未来产业发展之趋势。

　　微波天线及器件基础Fundamentals on Microwave Antennas and Components

　　了解任何产品首先需要了解这些产品的特性，不同的指标以及指标好坏如何影响产品的使用。对于点对点无线通信系统，产品的好坏影响系统的增益，效率，链路干扰以及使用寿命。本章节分别从天线和器件角度解析部分常规术语以及它们与点对点无线通信系统的关系。

　　2.1天线常规术语General Terminologies for Antennas

　　表1列出了天线常规术语以及它们潜在影响的系统性能。天线作为把能量转变为自由空间无线电磁能量的核心器件，其辐射特性是最关键的指标，图1列出了用于描述

　　天线辐射特性的若干核心指标，除增益外，其中前后比和辐射包络图是点对点通信天线选型中最为关注的两个指标。

　　

　　表1微波天线常规术语及系统的关系

　　2.2器件常规术语General Terminologies for Components

　　表2列出了器件常规术语以及它们潜在影响的系统性能。其中差损和隔离往往是点对点微波器件选型中最为关注的两个指标，当器件和天线级连之后，它们直接影响天馈系统的增益以及方向图交叉极化等特性。

　　

　　表2微波器件常规术语及系统的关系

　　2.3产品可靠性常规术语General Terminologies for Stabilities

　　我们将产品可靠性作为产品必不可少的一部分指标，表3列出了针对点对点通信中天线和器件相关的可靠性和环境适应性实验术语，它们的好坏直接关系到通信系统的使用寿命或部件维护周期。

　　

　　表3微波天线及器件产品可靠性常见术语

　　微波天线分类及选型Microwave Antennas Classifications

　　微波天线可以从多个角度分类，本文旨在从业界常规的如下五种分类方式展开分析。

　　3.1按照频率及尺寸分类According to Frequency and Size

　　微波天线最常见也是普遍被业界认可的分类方式是频段和天线大小，天线生产厂家也基本以此来定义各自的产品编码（Product Number）。表4是通宇通讯股份有限公司产品频段和尺寸对应表格（其中绿色，浅绿和红色分别代表2011－2013不同年度发布的产品），表5是各个频率的频带定义。值得提的是，虽然微波天线覆盖4－86GHz，大口径天线并非全频段覆盖，这主要是因为大口径天线一般用于远距离的微波传输，随着频率增高空间损耗变的难以体现大口径高增益的优势，另外频率越高波束宽度越窄，太高频率的大口径天线也会使得链路对调成为问题。另外，传统微波天线大概有10％左右的带宽，近期通宇开始推出20％的宽频天线，这是为何表5部分频点含有窄频和宽频两种规格。

　　

　　

　　表5微波天线频率列表

　　3.2按照极化分类According to Polarization

　　极化是电磁场的一大特性，在通信信道中采用正交的极化信号使得在频带不变的情况下信道容量增倍。目前点对点微波系统按照极化分为单极化，双极化和圆周极化三种，其中前两种相对成熟，双极化微波天线广泛用于XPIC微波通信系统中。图2－图3分别是通宇公司生产的两款单极化和双极化微波天线产品。值得注意的是，双极化产品可以认为是单极化产品和正交极化耦合器的组合产品。

　　

　　3.3按照性能级别分类According to Level of Performance

　　根据天线方向图保罗特性及2.1中描述的天线性能参数不同，不同国家制定了不同的标准用以描述微波天线级别和差异。其中最常见的是欧洲电信标准协会 ETSI标准，美国联邦通讯委员会FCC标准，巴西国家电信局ANATEL标准，澳大利亚通讯与媒体管理局ACMA标准，和加拿大工业部IC标准。业界中最为常用的是ETSI标准，它针对点对点天线辐射包络图的高低制定了Class1－Class4级别。目前市场上畅销的点对点微波天线属于Class 2－3级别，而Class 4天线具备更高的前后比及RPE要求，已经成为各大厂家积极开发的下一代产品。图4－图5是通宇通讯股份有限公司开发的Class3（简称C3）和 Class4（简称C4）天线方向辐射图测试结果。可以看出天线要满足这些国际标准，首先要使得其方向图曲线低于ETSI指定的C3和C4保罗线之上限。 C4天线对比C3天线，它要求天线方向图压得更低，前后比更高，这使得在有限空间范围内，用户可以部署更多数量的微波天线。

　　

　　当然不同的标准也会有不同的级别划分方式，例如FCC，IC或ACMA分别有A和B两个等级。天线厂家针对不同的市场，充分论证自己天线的性能用于满足世界各地客户的需求。例如TYA06U38S和TYA06E38S是通宇公司两款微波天线产品，满足ETSI Class 3和FCC级别的天线采用了超高性能天线代码‘U’，满足ETSI Class 4级别的天线则采用异高性能天线代码‘E’来表示，它们分别代表了0.6m口径工作在38GHz的C3和C4单极化天线。

　　3.4按照应用场景分类According to Application Scenarios

　　微波天线的应用场景分为电场景和环境场景两种。其中电场景是指微波天线在搭建无线电链路的场合，其分为点对点（p2p）微波天线和点对多点（p2mp）微波天线两种。由于其使用场合不同，微波天线的辐射特性要求也不同。例如用于替代光纤这种单点对单点传输的微波天线，它们的三维方向图要具备类似铅笔光束（Pencil beam）的特性，其二维切面方向图需具备图1所示的效果。而用于多点覆盖的微波天线其特性类似常规的基站天线，目的是在大角度范围内实现信号播报，因此 p2mp的微波天线三维方向图要具备扇形（Fan beam）的特征，其二维方向图须具备图6和图7所示的效果。

　　

　　

　　按照环境场景来讲，微波天线主要分为普通天线，高抗腐天线和高抗风天线三种。后两种主要是针对特殊的应用场所例如高烟雾腐蚀的海边或飓风高发区域，需要做特殊的高抗腐表面处理或结构加强件设计。

　　3.5按照Radio接口分类According to Radio Interface Types

　　在一个完整的微波链路通信系统，比天线更为重要的是室外有源无线发射接受机，也被称为Radio.天线厂家为了能够让自己的产品匹配不同厂家的 Radio，往往为它们配备了特殊的结构连接件或天线匹配过渡单元。用户在采购天线的时候，也往往针对不同的Radio种类对天线进行分类。图8－图10 是三款不同厂家的天线接口示意图。值得注意的是，对于天线性能来说，由于大多数部件是共用件，天线的性能一般被认为不以接口方式的改变而改变。

　　

　　微波器件分类及选型Microwave Component Classifications

　　微波器件也可以从多个角度分类，本文旨在从业界常规的如下四种分类方式展开讨论。

　　4.1极化分离类According to Polarization

　　极化分离类器件本身也是极化耦合器件，常见的这类器件有微波正交极化耦合器（OMT）和极化器（Polarizer）。前者已经在商用微波通信中广泛应用，其主要有分离式和直扣式两种，其中分离式主要是通过标准法兰与软波导相连，器件成本较低但是系统整体附件成本较高；直扣式主要是允许室外单元（ODU）或Radio直接连接到器件上，从而节省了高额的软波导。图11是该器件在接受双极化信号状态下的极化分离场分布示意图，利用类似原理，通宇公司已经成功开发全频段的分离和直扣OMT产品（见图12）。

　　

　　4.2功分类According to Power Division

　　功率分配类的常见微波器件是功分器（Power divider）和定向耦合器（Directional coupler），它们都有分配或组合功率的特性，但有着本质的区别。前者把一路信号按照特定幅度或相位分为多路，常见于激励阵列天线单元；而后者一般指一种4端口器件，其输出两个端口一般并不会同时工作，给链路一种备份的功能。后一种产品常见与点对点微波通信系统中，用于微波天线后端提高链路的可靠性。图13－14是通宇公司开发的高性能微波定向耦合器及其天线连接效果图。

　　

　　4.3频分类According to Frequency Division

　　频分类微波器件主要是指微波滤波器，微波双工器，多工器和室外分枝单元等产品。这些器件主要集成于天线室外单元的内部，用于实现滤波和信道整合等功能。微波滤波器多见于单路信道的滤波，双工器使链路收发可以共用一个天线，而多工器和室外分枝单元则可以完成多信道融合从而使单一点对点链路实现超宽带传输。图 15－16演示一款定制双工器及其性能。

　　

　　4.4功能类According to Functionalities

　　针对若干小型化的微波通信系统，多功能集合的微波器件已经变的越来越普遍。例如将正交极化耦合器和双工器集合在一体的器件已经被很多Radio厂家所采用；为了实现多工功能，多个滤波器与环形器级连也是一种较普遍的解决方案。在这里介绍一款由通宇公司独立开发的四端口耦合器件，如图17所示，该款产品有四个端口用于连接4个室外单元，另外一个端口连接双极化微波天线。该器件集成了一个正交极化耦合器和两个定向耦合器，使得XPIC系统每一个极化具备备份功能。图18是采用该器件搭建的天馈系统。

　　

　　微波毫米波天线和器件发展趋势Development Trend of Microwave/Milimeter-wave Antennas and Components

　　微波毫米波天线和器件有如下的未来发展趋势：高性能化，低成本化，多极化，宽频化，高效率化，小型化，定制集成化，和高频化。值得提的是，随着LTE系统和未来5G的发展，小基站的系统将变的越来越普遍，单位空间内微波链路的数量将变的更多，这就要求微波天线及器件的性能更高，价格要更低；另外多极化，宽频化，高频化主要是为了满足日益增长的系统带宽的需求；越来越多的新型室外单元，为了减小整个系统体积，Radio厂家已经在和天线制造商合作开发小型化和定制集成化的天线系统，这使得未来的微波室外天馈系统趋于个性化和定制化。

　　总结Conclusion

　　综上所述，本文介绍了点对点无线通信中的无源微波毫米波天线和器件，围绕这些产品的性能和特征对现有产品架构进行了讨论，并简述了本行业的发展趋势。