基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊的微波天線測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用研究

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基于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通訊的微波天線測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用研究

盧彪，周瑋

(宿州學(xué)院 信息工程學(xué)院，安徽 宿州 234000)

摘要：與光纖通信相比，微波點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信有可移植性好、性?xún)r(jià)比高、不涉及土地產(chǎn)權(quán)等眾多優(yōu)點(diǎn).在盡量少的空間內(nèi)布置盡可能多的微波天線就需要對(duì)天線與天線之間的互擾提出非常嚴(yán)格的要求，同時(shí)對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的精度和動(dòng)態(tài)范圍提出了很高的要求.大體上說(shuō)，衡量這種互擾的主要天線參數(shù)有前后比，旁瓣和方向圖.本文重點(diǎn)研究了高精度微波天線遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，并以Class3和Class 4兩種天線為例子給出了測(cè)試結(jié)果。

關(guān)鍵詞：微波；基站；電場(chǎng)景；點(diǎn)對(duì)點(diǎn)

微波是指頻率為0.3GHz-300GHz的電磁波，是無(wú)線電波中一個(gè)有限頻帶的簡(jiǎn)稱(chēng)，即波長(zhǎng)在1毫米～1米之間的電磁波，是分米波、厘米波、毫米波的統(tǒng)稱(chēng)。微波頻率比一般的無(wú)線電波頻率高，通常也稱(chēng)為超高頻電磁波[1]。微波作為一種電磁波也具有波粒二象性。微波的基本性質(zhì)通常呈現(xiàn)為穿透、反射、吸收三個(gè)特性。對(duì)于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對(duì)于水和食物等就會(huì)吸收微波而使自身發(fā)熱。而對(duì)金屬類(lèi)東西，則會(huì)反射微波。

與光纖通信相比，微波點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信成為基站間光纖連接的替代技術(shù)，例如在美國(guó)、英國(guó)，日本等國(guó)家，運(yùn)營(yíng)商85%以上的基站回傳通信已經(jīng)采用微波通信.調(diào)查顯示全球微波天線年需求量以每年大概10%的速度增長(zhǎng)[2].此外，商場(chǎng)、公園、車(chē)站等公共場(chǎng)所的無(wú)線寬頻接入的需求也越來(lái)越普遍，小基站已經(jīng)成為流行的解決方案，該類(lèi)型通信系統(tǒng)的后端點(diǎn)對(duì)點(diǎn)回傳方案也可以采用微波天線，這些都給微波天線及外圍器件提供了很好的市場(chǎng)前景.本文談及的微波天線主要是指工作在4～86 GHz頻段的無(wú)源天線.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(dòng)態(tài)范圍和實(shí)現(xiàn)寬帶模擬信道傳輸，屬于現(xiàn)代點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線通信系統(tǒng)中核心天饋部件.

1微波天線分類(lèi)

在微波通信系統(tǒng)中，它的通信方式是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的接力通信。信號(hào)從一點(diǎn)的發(fā)信機(jī)能夠傳到另一點(diǎn)的收信機(jī)，這兩點(diǎn)之間傳輸?shù)碾姶挪ㄊ请x不開(kāi)天線的。天線性能的好壞，將直接影響到通信質(zhì)量。如果天線出現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)行檢修與處理時(shí)常常都要中斷業(yè)務(wù)，在日常維護(hù)中天線也是微波傳輸部門(mén)維護(hù)重點(diǎn)。它的基本功能是沿饋線傳播的電磁波變?yōu)樽杂煽臻g傳播的電磁波或?qū)⒆杂煽臻g傳播的電磁波變?yōu)槭茄仞伨€傳播的電磁波。所以說(shuō)，天線是電磁波的出口和入口。對(duì)天線的基本要求是天線效率高，旁瓣電平低，交叉極化鑒別率高，電壓駐波比低，工作頻帶寬。

微波天線可以從多個(gè)角度分類(lèi)，一般業(yè)界有幾種分類(lèi)方式.

1.1　按照頻率和口徑分類(lèi)

微波天線最常見(jiàn)也是普遍被業(yè)界認(rèn)可的分類(lèi)方式是頻段和天線直徑，天線生產(chǎn)廠家也基本以此來(lái)定義各自的產(chǎn)品編碼[3].值得提的是，雖然微波天線覆蓋4-86 GHz，大口徑天線并非全頻段覆蓋，這主要是因?yàn)榇罂趶教炀€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(shì)，另外頻率越高波束寬度越窄，太高頻率的大口徑天線也會(huì)使得鏈路對(duì)調(diào)成為問(wèn)題.另外，傳統(tǒng)微波天線大概有10%左右的帶寬，目前已陸續(xù)推出的20%的寬頻天線，包括5 W， 6 W， 7 W， 10 W， 23 W 和27 W.

1.2　按照極化分類(lèi)

極化是電磁場(chǎng)的一大特性，在通信信道中采用正交的極化信號(hào)使得在頻帶不變的情況下信道容量增倍[4].目前點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波通信系統(tǒng)按照極化分為單極化，雙極化2種，其中前兩種相對(duì)成熟.

1.3　按照性能級(jí)別分類(lèi)

根據(jù)天線方向圖特性，不同國(guó)家制定了不同的標(biāo)準(zhǔn)用以描述微波天線級(jí)別和差異.業(yè)界中最為常用的是ETSI標(biāo)準(zhǔn)，它針對(duì)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)天線輻射包絡(luò)圖的高低制定了Class 1～Class 4級(jí)別.目前市場(chǎng)上暢銷(xiāo)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波天線屬于Class 3級(jí)別，而Class 4天線具備更高的前后比及方向圖包絡(luò)要求.

圖1：Class 3 天線方向

圖2：Class 4 天線方向

1.4　按照應(yīng)用場(chǎng)景分類(lèi)

微波天線的應(yīng)用場(chǎng)景主要是指電場(chǎng)景[4]，是指微波天線在搭建無(wú)線電鏈路的場(chǎng)合，其分為點(diǎn)對(duì)點(diǎn)微波天線和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)微波天線兩種.由于其使用場(chǎng)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(diǎn)對(duì)單點(diǎn)傳輸?shù)奈⒉ㄌ炀€，它們的三維方向圖要具備類(lèi)似鉛筆光束的特性，其二維切面方向圖需具備圖3和圖4所示的效果.而用于多點(diǎn)覆蓋的微波天線其特性類(lèi)似常規(guī)的基站天線，目的是在大角度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)信號(hào)播報(bào)，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3和圖4所示的效果.

2高精度遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)

在測(cè)試天線時(shí)，通常需測(cè)量許多參數(shù)，如輻射方向圖、增益、阻抗或極化特性。用于測(cè)試天線的技術(shù)之一是遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試，使用這種技術(shù)時(shí)待測(cè)天線(AUT)安裝在發(fā)射天線的遠(yuǎn)場(chǎng)范圍內(nèi)。

圖3:點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)微波天線二維切面方向圖

圖4:點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)微波天線二維切面方向圖

本文主要研究的是一套高精度遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)試天線為Class 3和Class 4兩種天線.

2.1　系統(tǒng)需求

該測(cè)試系統(tǒng)傳輸信號(hào)使用頻段6GHz，兩站間的距離7.39Km。該段自由空間損耗Lp = 92.4 + 20lgf + 20lgd = 92.4 + 20lg6 + 20lg7.39 = 125 dBm，設(shè)計(jì)要求收信電平Pr = -34 dBm，饋線損耗Lf = 2 dBm，分路系統(tǒng)損耗Lb = 3.7 dBm.

如果沒(méi)有天線增益，要求發(fā)信功率為：

Pt=Pr+Lf+Lb+Lp=-34+2+3.7+125=96.7 dBm

如果有天線增益，要求發(fā)信功率為(設(shè)天線口徑為2m，增益G = 39.2 dB)：

Pt = Pr+Lf+Lb+Lp-G*2 = -34+2+3.7+125 -39.6*2 = 18.3 dBm

采用傳統(tǒng)的微波暗室測(cè)試系統(tǒng)來(lái)測(cè)試之前提到的普通天線和Class 4天線是比較困難的，原因是相比于傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)，他們對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍和精確度提出了更高的要求.為了得出系統(tǒng)需求的一般要求，現(xiàn)在我們用Class 4天線為例做詳細(xì)說(shuō)明：

天線直徑：φ=0.6m

工作頻率：71GHz-86GHz

半功率角：0.5度

增益：50dBi

前后比：70dB

定義幅度可容忍量σ為最大

2.2　高精度遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.2.1高精度遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)介紹

本文的高精度遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)采用的是最典型的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)架(圖5)。發(fā)射端放置在地面，接收端和中央控制系統(tǒng)放置在7層樓樓頂，兩端的視距(LOS)和地面形成一個(gè)夾角，這對(duì)于測(cè)試高前后比的天線十分有利.

圖5:遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)架

2.2.2系統(tǒng)的硬件

天線測(cè)量系統(tǒng)被分成兩個(gè)獨(dú)立的部分，即發(fā)射站和接收站。發(fā)射站由微波發(fā)射源、可選放大器、發(fā)射天線和連接接收站的通信鏈路組成。接收站由AUT、參考天線、接收機(jī)、本振(LO)信號(hào)源、射頻下變頻器、定位器、系統(tǒng)軟件和計(jì)算機(jī)組成[5]。

本文的高精度遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)需要發(fā)射端支架和信號(hào)源，圖7(a)所示主要是用來(lái)支撐發(fā)射設(shè)備以及信號(hào)源的放射，其次系統(tǒng)需要信號(hào)源接收轉(zhuǎn)臺(tái)，圖7(b)所示用于微波接收轉(zhuǎn)臺(tái)。最后，系統(tǒng)的接收端還需要的一些設(shè)備，主要包括電源設(shè)備、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等硬件系統(tǒng)[6].

2.2.3系統(tǒng)的軟件

和其他測(cè)試系統(tǒng)一樣，軟件的設(shè)計(jì)要求對(duì)其電機(jī)，頻譜儀等設(shè)備能精確的控制， 要求測(cè)試數(shù)據(jù)的計(jì)算和最終的顯示快速有效.對(duì)于當(dāng)前的測(cè)試系統(tǒng)，有兩個(gè)亮點(diǎn)是值得一提的，第一是所有的四個(gè)軸都支持“絕對(duì)模式”、“相對(duì)模式“和“歸一化模式”，并且可以自由和獨(dú)立的控制[7]；第二是為了測(cè)試具有極高前后比或者說(shuō)是測(cè)試需要極高動(dòng)態(tài)范圍的天線，設(shè)計(jì)了一個(gè)遠(yuǎn)程頻譜儀控制系統(tǒng)，這個(gè)設(shè)計(jì)使頻譜儀可以遠(yuǎn)程獲得射頻傳輸損耗和校正參數(shù)，如圖6所示。

2.2.4天線系統(tǒng)的調(diào)試

調(diào)測(cè)天線工作要由兩站配合起來(lái)進(jìn)行，因?yàn)樯婕暗诫姶挪▊鞑サ膯?wèn)題，所以應(yīng)在電波傳播比較穩(wěn)定的時(shí)間(天氣比較好)內(nèi)進(jìn)行。一般在上午10點(diǎn)至下午4點(diǎn)這段時(shí)間為宜[8]。

首先，天線方向調(diào)整前應(yīng)根據(jù)電路設(shè)計(jì)將天線作粗略定位。設(shè)計(jì)要求收信電平為 -34dBm，這時(shí)一般情況下儀表讀數(shù)為 -50 dBm — -70 dBm之間的電平。這時(shí)我們就可以在兩站之間進(jìn)行配合調(diào)整，兩站可以先通過(guò)天線的伸縮方位拉桿(塔上天線)或絲桿(樓上平臺(tái)天線)進(jìn)行水平調(diào)整，從而調(diào)出最大的收信電平后鎖緊，然后再通過(guò)俯螺桿(絲桿)進(jìn)行兩站的俯仰調(diào)整，使之調(diào)出最大的收信電平。

通過(guò)多次的水平、俯仰的調(diào)整就可以調(diào)整到天線的主瓣電平，然后進(jìn)行細(xì)調(diào)從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。調(diào)好的天線主副瓣明顯對(duì)稱(chēng)，極化去耦最好。方位調(diào)整好后指標(biāo)達(dá)到要求，最后鎖緊所有的連接件及加緊固件.

2.3　測(cè)試舉例

本系統(tǒng)有效的測(cè)試了Class 3 和Class 4兩種天線的數(shù)據(jù)參數(shù).在測(cè)試結(jié)果中可以看到，天線精度可以達(dá)到前后比大于75 dB和半功率角小于0.5度.如圖6(a)所示為一個(gè)在86 GHz的0.3 m的Class 4天線的方向圖測(cè)試結(jié)果，如圖6(b)所示為86GHz的0.3m的Class 3天線的方向圖測(cè)試結(jié)果.

(a) Class 4天線的方向圖測(cè)試結(jié)果　　　　　　　(b) Class 3天線的方向圖測(cè)試結(jié)果

3結(jié)語(yǔ)

隨著天線技術(shù)的發(fā)展，關(guān)于天線測(cè)試的應(yīng)用研究越來(lái)越受到人們的重視．微波天線具有精密度高、保密性強(qiáng)等特點(diǎn)。天線測(cè)試系統(tǒng)對(duì)于距離、支撐旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)、環(huán)境條件限制等因素，遠(yuǎn)場(chǎng)方法測(cè)試可以得到準(zhǔn)確的天線特性．而現(xiàn)場(chǎng)安裝和現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的天線要滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件則更為困難．遠(yuǎn)場(chǎng)方法測(cè)試對(duì)于研究微波天線的增益、極化等參數(shù)的測(cè)量提供了一種有效的方法．同時(shí)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試還具有很強(qiáng)的診斷功能，可確切地指出故障發(fā)生的原因。

(a)發(fā)射端支架和信號(hào)源　　　　　(b)系統(tǒng)接收端轉(zhuǎn)臺(tái)

本文介紹了微波天線的性能和分類(lèi)方法，建立了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無(wú)線通信中的無(wú)源微波天線和高精度遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)，詳細(xì)介紹了高進(jìn)度遠(yuǎn)程測(cè)試系統(tǒng)的架構(gòu)和軟硬件構(gòu)成并詳細(xì)給出了本系統(tǒng)針對(duì)的Class3和Class4兩種天線的測(cè)試結(jié)果.

〔參考文獻(xiàn)〕

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The Research of Application of the Microwave Antenna Testing System Based on Point-to-Point Communications

LU Biao， ZHOU Wei

(Department of Information Engineering, Suzhou University, Suzhou 234000)

Abstract:Compared with the optical fiber communication, point-to-point communication of microwave has good portability, high cost performance, does not involve the use of land property rights, and many other advantages.In as little as possible space layout as much as possible of microwave antenna requires the antenna and the mutual interference between the request very strict, as well as the testing system of high accuracy and dynamic range is put forward.At the same time of the test system of precision and dynamic range high demands are put forward.Roughly speaking, to measure the mutual interference of main antenna parameters are compared before and after, side lobe and direction.This paper mainly studied the high precision microwave antenna far field test system, and giving some test results of Eband ETSI Class 4 antenna.

Key words:microwave；base station；electric scene；point to point

中圖分類(lèi)號(hào)：TN915

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1004-1869(2015)02-0011-04

作者簡(jiǎn)介：盧彪(1985-)，安徽省亳州市人，碩士，助教，研究方向：物聯(lián)網(wǎng)工程。

收稿日期：2014-11-04