?

基于點對點通訊的微波天線測試系統(tǒng)應用研究

盧彪，周瑋

(宿州學院 信息工程學院，安徽 宿州 234000)

摘要：與光纖通信相比，微波點對點通信有可移植性好、性價比高、不涉及土地產(chǎn)權等眾多優(yōu)點.在盡量少的空間內(nèi)布置盡可能多的微波天線就需要對天線與天線之間的互擾提出非常嚴格的要求，同時對測試系統(tǒng)的精度和動態(tài)范圍提出了很高的要求.大體上說，衡量這種互擾的主要天線參數(shù)有前后比，旁瓣和方向圖.本文重點研究了高精度微波天線遠場測試系統(tǒng)，并以Class3和Class 4兩種天線為例子給出了測試結果。

關鍵詞：微波；基站；電場景；點對點

微波是指頻率為0.3GHz-300GHz的電磁波，是無線電波中一個有限頻帶的簡稱，即波長在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。微波頻率比一般的無線電波頻率高，通常也稱為超高頻電磁波[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、吸收三個特性。對于玻璃、塑料和瓷器，微波幾乎是穿越而不被吸收。對于水和食物等就會吸收微波而使自身發(fā)熱。而對金屬類東西，則會反射微波。

與光纖通信相比，微波點對點通信成為基站間光纖連接的替代技術，例如在美國、英國，日本等國家，運營商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[2].此外，商場、公園、車站等公共場所的無線寬頻接入的需求也越來越普遍，小基站已經(jīng)成為流行的解決方案，該類型通信系統(tǒng)的后端點對點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態(tài)范圍和實現(xiàn)寬帶模擬信道傳輸，屬于現(xiàn)代點對點無線通信系統(tǒng)中核心天饋部件.

1微波天線分類

在微波通信系統(tǒng)中，它的通信方式是點對點的接力通信。信號從一點的發(fā)信機能夠傳到另一點的收信機，這兩點之間傳輸?shù)碾姶挪ㄊ请x不開天線的。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)問題，進行檢修與處理時常常都要中斷業(yè)務，在日常維護中天線也是微波傳輸部門維護重點。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，天線是電磁波的出口和入口。對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角度分類，一般業(yè)界有幾種分類方式.

1.1　按照頻率和口徑分類

微波天線最常見也是普遍被業(yè)界認可的分類方式是頻段和天線直徑，天線生產(chǎn)廠家也基本以此來定義各自的產(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(xiàn)大口徑高增益的優(yōu)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(diào)成為問題.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

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[4].目前點對點微波通信系統(tǒng)按照極化分為單極化，雙極化2種，其中前兩種相對成熟.

1.3　按照性能級別分類

根據(jù)天線方向圖特性，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.業(yè)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Class 1～Class 4級別.目前市場上暢銷的點對點微波天線屬于Class 3級別，而Class 4天線具備更高的前后比及方向圖包絡要求.

圖1：Class 3 天線方向

圖2：Class 4 天線方向

1.4　按照應用場景分類

微波天線的應用場景主要是指電場景[4]，是指微波天線在搭建無線電鏈路的場合，其分為點對點微波天線和點對多點微波天線兩種.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?shù)奈⒉ㄌ炀€，它們的三維方向圖要具備類似鉛筆光束的特性，其二維切面方向圖需具備圖3和圖4所示的效果.而用于多點覆蓋的微波天線其特性類似常規(guī)的基站天線，目的是在大角度范圍內(nèi)實現(xiàn)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3和圖4所示的效果.

2高精度遠場測試系統(tǒng)

在測試天線時，通常需測量許多參數(shù)，如輻射方向圖、增益、阻抗或極化特性。用于測試天線的技術之一是遠場測試，使用這種技術時待測天線(AUT)安裝在發(fā)射天線的遠場范圍內(nèi)。

圖3:點對多點微波天線二維切面方向圖

圖4:點對多點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場測試系統(tǒng)，測試天線為Class 3和Class 4兩種天線.

2.1　系統(tǒng)需求

該測試系統(tǒng)傳輸信號使用頻段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，設計要求收信電平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)的微波暗室測試系統(tǒng)來測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)的測試系統(tǒng)，他們對系統(tǒng)的動態(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天線為例做詳細說明：

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　高精度遠場測試系統(tǒng)設計

2.2.1高精度遠場測試系統(tǒng)介紹

本文的高精度遠場測試系統(tǒng)采用的是最典型的遠場測試系統(tǒng)的構架(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)和地面形成一個夾角，這對于測試高前后比的天線十分有利.

圖5:遠場測試系統(tǒng)構架

2.2.2系統(tǒng)的硬件

天線測量系統(tǒng)被分成兩個獨立的部分，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、本振(LO)信號源、射頻下變頻器、定位器、系統(tǒng)軟件和計算機組成[5]。

本文的高精度遠場測試系統(tǒng)需要發(fā)射端支架和信號源，圖7(a)所示主要是用來支撐發(fā)射設備以及信號源的放射，其次系統(tǒng)需要信號源接收轉(zhuǎn)臺，圖7(b)所示用于微波接收轉(zhuǎn)臺。最后，系統(tǒng)的接收端還需要的一些設備，主要包括電源設備、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

和其他測試系統(tǒng)一樣，軟件的設計要求對其電機，頻譜儀等設備能精確的控制， 要求測試數(shù)據(jù)的計算和最終的顯示快速有效.對于當前的測試系統(tǒng)，有兩個亮點是值得一提的，第一是所有的四個軸都支持“絕對模式”、“相對模式“和“歸一化模式”，并且可以自由和獨立的控制[7]；第二是為了測試具有極高前后比或者說是測試需要極高動態(tài)范圍的天線，設計了一個遠程頻譜儀控制系統(tǒng)，這個設計使頻譜儀可以遠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)測天線工作要由兩站配合起來進行，因為涉及到電磁波傳播的問題，所以應在電波傳播比較穩(wěn)定的時間(天氣比較好)內(nèi)進行。一般在上午10點至下午4點這段時間為宜[8]。

首先，天線方向調(diào)整前應根據(jù)電路設計將天線作粗略定位。設計要求收信電平為 -34dBm，這時一般情況下儀表讀數(shù)為 -50 dBm — -70 dBm之間的電平。這時我們就可以在兩站之間進行配合調(diào)整，兩站可以先通過天線的伸縮方位拉桿(塔上天線)或絲桿(樓上平臺天線)進行水平調(diào)整，從而調(diào)出最大的收信電平后鎖緊，然后再通過俯螺桿(絲桿)進行兩站的俯仰調(diào)整，使之調(diào)出最大的收信電平。

通過多次的水平、俯仰的調(diào)整就可以調(diào)整到天線的主瓣電平，然后進行細調(diào)從而達到設計要求。調(diào)好的天線主副瓣明顯對稱，極化去耦最好。方位調(diào)整好后指標達到要求，最后鎖緊所有的連接件及加緊固件.

2.3　測試舉例

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

(a) Class 4天線的方向圖測試結果　　　　　　　(b) Class 3天線的方向圖測試結果

3結語

隨著天線技術的發(fā)展，關于天線測試的應用研究越來越受到人們的重視．微波天線具有精密度高、保密性強等特點。天線測試系統(tǒng)對于距離、支撐旋轉(zhuǎn)結構、環(huán)境條件限制等因素，遠場方法測試可以得到準確的天線特性．而現(xiàn)場安裝和現(xiàn)場測試的天線要滿足遠場條件則更為困難．遠場方法測試對于研究微波天線的增益、極化等參數(shù)的測量提供了一種有效的方法．同時遠場測試還具有很強的診斷功能，可確切地指出故障發(fā)生的原因。

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

本文介紹了微波天線的性能和分類方法，建立了點對點無線通信中的無源微波天線和高精度遠場測試系統(tǒng)，詳細介紹了高進度遠程測試系統(tǒng)的架構和軟硬件構成并詳細給出了本系統(tǒng)針對的Class3和Class4兩種天線的測試結果.

〔參考文獻〕

[1]張福順，張進民.天線測量[M].西安：西安電子科技大學出版社，1995.177-182.

[2]Slater D.Near-Field Antenna Measurements[M].London: Artech House, 1991.31-57.

[3]阮馨遠.天線測量技術[R].南京：電子工業(yè)部第14研究所，1995.152-165.

[4]魏文元，宮德明.天線原理[M].西安：西北電訊工程學院出版社，1984.245-256.

[5]布賴姆 E O.快速傅里葉變換[M].上海：上海出版社，1982.

[6]oy E B, Paris D T.Spatial Sampling Filtering in Near-Field Measurements[J].IEEE Trans on AP, 1992, 20(5): 253-261.

[7]電子工業(yè)部標準化研究所.IEEE標準天線測試方法[S].1984.52-60.

[8]尚軍平，毛乃宏，李勇.雷達天線近場測試系統(tǒng)中取樣架的穩(wěn)定性分析[J].西安電子科技大學學報，1999, 26(1): 63-66.

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

中圖分類號：TN915

文獻標識碼：A

文章編號：1004-1869(2015)02-0011-04

作者簡介：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