基于点对点通讯的微波天线测试系统应用研究



基于点对点通讯的微波天线测试系统应用研究

卢彪，周玮

(宿州学院 信息工程学院，安徽 宿州 234000)

摘要：与光纤通信相比，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.本文重点研究了高精度微波天线远场测试系统，并以Class3和Class 4两种天线为例子给出了测试结果。

关键词：微波；基站；电场景；点对点

微波是指频率为0.3GHz-300GHz的电磁波，是无线电波中一个有限频带的简称，即波长在1毫米～1米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波的统称。微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为超高频电磁波[1]。微波作为一种电磁波也具有波粒二象性。微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。而对金属类东西，则会反射微波。

与光纤通信相比，微波点对点通信成为基站间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[2].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4～86 GHz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.

1微波天线分类

在微波通信系统中，它的通信方式是点对点的接力通信。信号从一点的发信机能够传到另一点的收信机，这两点之间传输的电磁波是离不开天线的。天线性能的好坏，将直接影响到通信质量。如果天线出现问题，进行检修与处理时常常都要中断业务，在日常维护中天线也是微波传输部门维护重点。它的基本功能是沿馈线传播的电磁波变为自由空间传播的电磁波或将自由空间传播的电磁波变为是沿馈线传播的电磁波。所以说，天线是电磁波的出口和入口。对天线的基本要求是天线效率高，旁瓣电平低，交叉极化鉴别率高，电压驻波比低，工作频带宽。

微波天线可以从多个角度分类，一般业界有几种分类方式.

1.1　按照频率和口径分类

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[3].值得提的是，虽然微波天线覆盖4-86 GHz，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，目前已陆续推出的20%的宽频天线，包括5 W， 6 W， 7 W， 10 W， 23 W 和27 W.

1.2　按照极化分类

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[4].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.

1.3　按照性能级别分类

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Class 1～Class 4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.

图1：Class 3 天线方向

图2：Class 4 天线方向

1.4　按照应用场景分类

微波天线的应用场景主要是指电场景[4]，是指微波天线在搭建无线电链路的场合，其分为点对点微波天线和点对多点微波天线两种.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的特性，其二维切面方向图需具备图3和图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3和图4所示的效果.

2高精度远场测试系统

在测试天线时，通常需测量许多参数，如辐射方向图、增益、阻抗或极化特性。用于测试天线的技术之一是远场测试，使用这种技术时待测天线(AUT)安装在发射天线的远场范围内。

图3:点对多点微波天线二维切面方向图

图4:点对多点微波天线二维切面方向图

本文主要研究的是一套高精度远场测试系统，测试天线为Class 3和Class 4两种天线.

2.1　系统需求

该测试系统传输信号使用频段6GHz，两站间的距离7.39Km。该段自由空间损耗Lp = 92.4 + 20lgf + 20lgd = 92.4 + 20lg6 + 20lg7.39 = 125 dBm，设计要求收信电平Pr = -34 dBm，馈线损耗Lf = 2 dBm，分路系统损耗Lb = 3.7 dBm.

如果没有天线增益，要求发信功率为：

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

如果有天线增益，要求发信功率为(设天线口径为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

采用传统的微波暗室测试系统来测试之前提到的普通天线和Class 4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和精确度提出了更高的要求.为了得出系统需求的一般要求，现在我们用Class 4天线为例做详细说明：

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

2.2　高精度远场测试系统设计

2.2.1高精度远场测试系统介绍

本文的高精度远场测试系统采用的是最典型的远场测试系统的构架(图5)。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十分有利.

图5:远场测试系统构架

2.2.2系统的硬件

天线测量系统被分成两个独立的部分，即发射站和接收站。发射站由微波发射源、可选放大器、发射天线和连接接收站的通信链路组成。接收站由AUT、参考天线、接收机、本振(LO)信号源、射频下变频器、定位器、系统软件和计算机组成[5]。

本文的高精度远场测试系统需要发射端支架和信号源，图7(a)所示主要是用来支撑发射设备以及信号源的放射，其次系统需要信号源接收转台，图7(b)所示用于微波接收转台。最后，系统的接收端还需要的一些设备，主要包括电源设备、数据采集系统等硬件系统[6].

2.2.3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[7]；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6所示。

2.2.4天线系统的调试

调测天线工作要由两站配合起来进行，因为涉及到电磁波传播的问题，所以应在电波传播比较稳定的时间(天气比较好)内进行。一般在上午10点至下午4点这段时间为宜[8]。

首先，天线方向调整前应根据电路设计将天线作粗略定位。设计要求收信电平为 -34dBm，这时一般情况下仪表读数为 -50 dBm — -70 dBm之间的电平。这时我们就可以在两站之间进行配合调整，两站可以先通过天线的伸缩方位拉杆(塔上天线)或丝杆(楼上平台天线)进行水平调整，从而调出最大的收信电平后锁紧，然后再通过俯螺杆(丝杆)进行两站的俯仰调整，使之调出最大的收信电平。

通过多次的水平、俯仰的调整就可以调整到天线的主瓣电平，然后进行细调从而达到设计要求。调好的天线主副瓣明显对称，极化去耦最好。方位调整好后指标达到要求，最后锁紧所有的连接件及加紧固件.

2.3　测试举例

本系统有效的测试了Class 3 和Class 4两种天线的数据参数.在测试结果中可以看到，天线精度可以达到前后比大于75 dB和半功率角小于0.5度.如图6(a)所示为一个在86 GHz的0.3 m的Class 4天线的方向图测试结果，如图6(b)所示为86GHz的0.3m的Class 3天线的方向图测试结果.

(a) Class 4天线的方向图测试结果　　　　　　　(b) Class 3天线的方向图测试结果

3结语

随着天线技术的发展，关于天线测试的应用研究越来越受到人们的重视．微波天线具有精密度高、保密性强等特点。天线测试系统对于距离、支撑旋转结构、环境条件限制等因素，远场方法测试可以得到准确的天线特性．而现场安装和现场测试的天线要满足远场条件则更为困难．远场方法测试对于研究微波天线的增益、极化等参数的测量提供了一种有效的方法．同时远场测试还具有很强的诊断功能，可确切地指出故障发生的原因。

(a)发射端支架和信号源　　　　　(b)系统接收端转台

本文介绍了微波天线的性能和分类方法，建立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，详细介绍了高进度远程测试系统的架构和软硬件构成并详细给出了本系统针对的Class3和Class4两种天线的测试结果.

〔参考文献〕

[1]张福顺，张进民.天线测量[M].西安：西安电子科技大学出版社，1995.177-182.

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

[3]阮馨远.天线测量技术[R].南京：电子工业部第14研究所，1995.152-165.

[4]魏文元，宫德明.天线原理[M].西安：西北电讯工程学院出版社，1984.245-256.

[5]布赖姆 E O.快速傅里叶变换[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]电子工业部标准化研究所.IEEE标准天线测试方法[S].1984.52-60.

[8]尚军平，毛乃宏，李勇.雷达天线近场测试系统中取样架的稳定性分析[J].西安电子科技大学学报，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

中图分类号：TN915

文献标识码：A

文章编号：1004-1869(2015)02-0011-04

作者简介：卢彪(1985-)，安徽省亳州市人，硕士，助教，研究方向：物联网工程。

收稿日期：2014-11-04