浅谈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Background

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。