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基于点对点通讯的微波天线及其高精度远场测试系统[图]

http://www.c114.net ( 2014/9/29 08:50 )

1、简介 Introduction

光纤通信相比,微波点对点通信有可移植性好、性价比高、不涉及土地产权等众多优点。在很多国家,它们已经成为基站光纤连接的替代技术,例如在美国、英国,日本等国家,运营商85%以上的基站回传通信已经采用微波通信。调查显示全球微波天线年需求量以每年大概10%的速度增长。此外,商场、公园、车站等公共场所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回传方案也可以采用微波天线,这些都给微波天线及外围器件提供了很好的市场前景。本文谈及的微波天线主要是指工作在4~86GHz频段的无源天线。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。

在尽量少的空间内布置尽可能多的微波天线就需要对天线与天线之间的互扰提出非常严格的要求,同时对测试系统的精度和动态范围提出了很高的要求。大体上说,衡量这种互扰的主要天线参数有前后比,旁瓣和方向图。本文重点介绍了广东通宇通讯股份有限公司的高精度微波天线远场测试系统,并以Eband ETSI Class4 天线为列给出了一些测试结果。

2、微波天线分类 Microwave Antennas Classifications

微波天线可以从多个角度分类,一般业界有以下几种分类方式。

2.1 按照频率和口径分类 According to Frequency and dimension

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直径,天线生产厂家也基本以此来定义各自的产品编码。表1是各个频率的频带定义,表2是通宇通讯股份有限公司已经研发成功并可以大批量供货的产品频段和尺寸对应表格,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,通宇通讯已陆续推出的20%的宽频天线,包括5W, 6W, 7W, 10W, 23W 和27W。

基于点对点通讯的微波天线及其高精度远场测试系统
表1 微波天线频率

基于点对点通讯的微波天线及其高精度远场测试系统
表2 天线按频段和口径分类列表

2.2 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。目前点对点微波通信系统按照极化分为单极化,双极化2种,其中前两种相对成熟,图1和图2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。

基于点对点通讯的微波天线及其高精度远场测试系统
图1 单极化微波天线                                      图2 双极化微波天线

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

根据天线方向图特性,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。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 3级别,而Class 4天线具备更高的前后比及方向图包络要求,已经成为各大厂家积极开发的下一代产品。图3和图4是通宇通讯股份有限公司开发的Class3和Class4天线方向辐射图测试结果。可以看出天线要满ETSI的标准,其方向图曲线低于ETSI指定的Class3和Class4包络之上限。Class4天线对比Class3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可以部署更多数量的微波天线。

基于点对点通讯的微波天线及其高精度远场测试系统
图3 ETSI Class 3 天线方向图                                                    图4 ETSI Class 4 天线方向图

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。

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

基于点对点通讯的微波天线及其高精度远场测试系统
图5 p2mp 微波天线Azimuth切面方向图                                    图6 p2mp 微波天线Elevation切面方向图

基于点对点通讯的微波天线及其高精度远场测试系统
图7 点对多点扇形天线

微波天线的应用场景主要是指电场景,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3或图4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5和图6所示的效果。图7是通宇通讯设计的可以用于点对多点通讯的扇形天线。

3、高精度远场测试系统

3.1系统需求

采用传统的微波暗室测试系统来测试之前提到C4天线和Eband(80GHz)天线是比较困难的,原因是相比于传统的测试系统,他们对系统的动态范围,精确度提出了更高的要求。为了得出系统需求的一般要求,我们以以下的Eband Class-4天线为列做详细说明:

天线直径:φ=0.6m
  工作频率:71GHz-86GHz
  半功率角:0.5度
  增益:50dBi
  前后比:70dB
  定义幅度可容忍量σ为最大

3.2系统设计

1)系统框图

如图8所示,是系统的框图,该系统采用信号源,频谱仪的最典型的远场测试系统的构架。发射端放置在地面,接收端和中央控制系统放置在7层楼楼顶,两端的视距(LOS)和地面形成一个夹角,这对于测试高前后比的天线是十分有利的,因为天线可以直接对向天空。

基于点对点通讯的微波天线及其高精度远场测试系统
图8 系统框图

2)系统的硬件

如图9(a)所示,分别是发射端支架和信号源,如图9(b)所示为接收端转台,图9(c)为接收端的一些设备。

基于点对点通讯的微波天线及其高精度远场测试系统
(a)                        (b)

基于点对点通讯的微波天线及其高精度远场测试系统

(c)图9 系统硬件

3)系统的软件

和其他测试系统一样,软件的设计要求对其电机,频谱仪等设备能精确的控制, 要求测试数据的计算和最终的显示快速有效。对于当前的测试系统,有两个亮点是值得一提的,第一是所有的四个轴都支持“绝对模式”,“相对模式“和“归一化模式”,并且可以自由和独立的控制,如图10所示;第二是为了测试具有极高前后比或者说是测试需要极高动态范围的天线,设计了一个远程频谱仪控制系统,这个设计使频谱仪可以远程获得射频传输损耗和校正参数,如图11所示。

基于点对点通讯的微波天线及其高精度远场测试系统
图10 测试系统显示                     图11 远程控制系统

3.3测试举例

如上所述的测试系统在广东通宇通讯股份有限公司已经成功研制成功并投入使用,该系统可以有效的测试目前的ETSI Class3 天线和 未来的ETSI Class 4 天线。在测试中发现,精度可以达到前后比大于75dB和半功率角小于0.5度。 如图12(a)所示为一个在86GHz的0.3m的Class 4天线的方向图测试结果,如图12(b)所示为86GHz的0.3m的Class 3天线的方向图测试结果。

基于点对点通讯的微波天线及其高精度远场测试系统
(a)                       (b)
图12 测试结果

4、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天线和高精度远场测试系统,介绍这些产品的性能和分类方法,介绍了高进度远程测试系统的架构和软硬件构成,并简述了本行业的发展趋势。

张君,博士,2013年3月毕业于香港大学电机与电子工程系。现任广东通宇通讯股份有限公司微波天线部技术副总监。

吴中林,广东通宇通讯股份有限公司董事长。1989年毕业于西安电子科技大学;1994年,成功研制国内第一面移动通信基站天线,打破了中国基站天线市场由国外产品垄断的局面;1996年,注册成立广东通宇通讯股份有限公司。

作者:张君 刘木林 吴中林   来源:C114中国通信网

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