2013-11-21 09:07:38
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1、背景
隨著近代無線電技術發展，無線通信系統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點。在很多國家，它們已經成為電訊基站間光纖連接的替代產品，例如在美國、日本，眾多運營商85％以上的基站回程通信已經采用微波傳輸，在英國有的比例高達90％。從有線到無線的點對點解決方案日前在發展中國家例如印度也變的越來越為普遍。調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，小基站已經成為流行的解決方案，該類型通信系統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。
2、微波天線及器件基礎
了解任何產品首先需要了解這些產品的特性，不同的指標以及指標好壞如何影響產品的使用。對于點對點無線通信系統，產品的好壞影響系統的增益，效率，鏈路干擾以及使用壽命。本章節分別從天線和器件角度解析部分常規術語以及它們與點對點無線通信系統的關系。
2.1天線常規術語
表1列出了天線常規術語以及它們潛在影響的系統性能。天線作為把能量轉變為自由空間無線電磁能量的核心器件，其輻射特性是最關鍵的指標，圖1列出了用于描述
天線輻射特性的若干核心指標，除增益外，其中前后比和輻射包絡圖是點對點通信天線選型中最為關注的兩個指標。
表1微波天線常規術語及系統的關系
2.2器件常規術語
表2列出了器件常規術語以及它們潛在影響的系統性能。其中差損和隔離往往是點對點微波器件選型中最為關注的兩個指標，當器件和天線級連之后，它們直接影響天饋系統的增益以及方向圖交叉極化等特性。
表2微波器件常規術語及系統的關系
2.3產品可靠性常規術語
我們將產品可靠性作為產品必不可少的一部分指標，表3列出了針對點對點通信中天線和器件相關的可靠性和環境適應性實驗術語，它們的好壞直接關系到通信系統的使用壽命或部件維護周期。
表3微波天線及器件產品可靠性常見術語
3、微波天線分類及選型
微波天線可以從多個角度分類，本文旨在從業界常規的如下五種分類方式展開分析。
3.1按照頻率及尺寸分類
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大小，天線生產廠家也基本以此來定義各自的產品編碼（Product Number）。表4是通宇通訊股份有限公司產品頻段和尺寸對應表格（其中綠色，淺綠和紅色分別代表2011－2013不同年度發布的產品），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，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格。
3.2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。目前點對點微波系統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微波通信系統中。圖2－圖3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。值得注意的是，雙極化產品可以認為是單極化產品和正交極化耦合器的組合產品。
3.3按照性能級別分類
根據天線方向圖保羅特性及2.1中描述的天線性能參數不同，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。其中最常見的是歐洲電信標準協會ETSI標準，美國聯邦通訊委員會FCC標準，巴西國家電信局ANATEL標準，澳大利亞通訊與媒體管理局ACMA標準，和加拿大工業部IC標準。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 2－3級別，而Class 4天線具備更高的前后比及RPE要求，已經成為各大廠家積極開發的下一代產品。圖4－圖5是通宇通訊股份有限公司開發的Class3（簡稱C3）和Class4（簡稱C4）天線方向輻射圖測試結果。可以看出天線要滿足這些國際標準，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，用戶可以部署更多數量的微波天線。
當然不同的標準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按照應用場景分類
微波天線的應用場景分為電場景和環境場景兩種。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6和圖7所示的效果。
按照環境場景來講，微波天線主要分為普通天線，高抗腐天線和高抗風天線三種。后兩種主要是針對特殊的應用場所例如高煙霧腐蝕的海邊或颶風高發區域，需要做特殊的高抗腐表面處理或結構加強件設計。
3.5按照Radio接口分類
在一個完整的微波鏈路通信系統，比天線更為重要的是室外有源無線發射接受機，也被稱為Radio.天線廠家為了能夠讓自己的產品匹配不同廠家的Radio，往往為它們配備了特殊的結構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，由于大多數部件是共用件，天線的性能一般被認為不以接口方式的改變而改變。
4、微波器件分類及選型
微波器件也可以從多個角度分類，本文旨在從業界常規的如下四種分類方式展開討論。
4.1極化分離類
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）。前者已經在商用微波通信中廣泛應用，其主要有分離式和直扣式兩種，其中分離式主要是通過標準法蘭與軟波導相連，器件成本較低但是系統整體附件成本較高；直扣式主要是允許室外單元（ODU）或Radio直接連接到器件上，從而節省了高額的軟波導。圖11是該器件在接受雙極化信號狀態下的極化分離場分布示意圖，利用類似原理，通宇公司已經成功開發全頻段的分離和直扣OMT產品（見圖12）。
4.2功分類
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，但有著本質的區別。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。后一種產品常見與點對點微波通信系統中，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
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品。這些器件主要集成于天線室外單元的內部，用于實現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
針對若干小型化的微波通信系統，多功能集合的微波器件已經變的越來越普遍。例如將正交極化耦合器和雙工器集合在一體的器件已經被很多Radio廠家所采用；為了實現多工功能，多個濾波器與環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的四端口耦合器件，如圖17所示，該款產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。
微波毫米波天線和器件發展趨勢
微波毫米波天線和器件有如下的未來發展趨勢：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系統和未來5G的發展，小基站的系統將變的越來越普遍，單位空間內微波鏈路的數量將變的更多，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帶寬的需求；越來越多的新型室外單元，為了減小整個系統體積，Radio廠家已經在和天線制造商合作開發小型化和定制集成化的天線系統，這使得未來的微波室外天饋系統趨于個性化和定制化。
總結
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，圍繞這些產品的性能和特征對現有產品架構進行了討論，并簡述了本行業的發展趨勢。
