微波电路设计基础

1、页眉内容基础1、数字微波应用微波是无线电波的一种。在我国无线电广播按波长分为：长波 (LW) 波长在介于10002000米，中波(MW)波长在介于200-600米、短波(SW)波长在介于10100米。CDMA800 工作波长( 35.9336.36、 34.0934.48)米。在我国分配微波频率为：微波通信的特点：视距传输；电波在传播过程中遇到尺寸和工作波长相近的障碍物时， 会绕过障碍物向前传播，这种现象叫做电波的绕射。微波通信建设快、投资小、应用灵活；传输质量可靠，抗干扰能力强。在中等新建了大至今与光缆通信和卫星通信并列为现代通信传输的三大支柱， 容量的网络中，微波传输是一种最灵活、适应性最

2、强的通信手段。在移动网络中的应用：在移动接入网络中， 随着网络不断扩容和无缝覆盖的需求， 量移动基站，如城区的“楼宇室内覆盖”，边远地区的“边际网覆盖”， 沿海地区“海岛移动覆盖”。 但由于市政建设限制(如架空线难、开挖 路面铺管道难)，在自然环境很恶劣的山区和海洋，光缆建设非常困难、 造价太高，造成大量光纤死角，部分基站的接入必须采用无线方式解决， 产生了大量无线传输需求。如沿海城市大连， 拥有诸多的岛屿， 岛屿上的移动通信成为大连移动提高移动网络覆盖率的重要任务。大连采用SDH微波作为各海岛移动基站 的中继链路，并通过与光传输系统的连接，组成完整的传输网络。SDH微波链路干线全长 162.

3、28公里，支线全长 66.68公里，最长站通常是所距 34.80 公里，最短站距 6.89 公里，平均站距 19.08 公里，且全部为跨 海电路（跨海微波链路的设计，由于海面环境和气候情况复杂，有微波应用中难度最大）。使用微波设备不仅可以缓解传输网络资源不足的压力。而且提高了整个网络工程进度，降低了整个网络投资。在移动核心网络中， 微波设备可提供高达 2.5Gbps的传输容量， 用来与光纤混合组网 , 作为城域光环和重要链路的备份。在 3G 网络中， Node-B 对传输容量要求已经远远的大于2G网络中BTS对传输容量的要求，Node-B上已经不再只有 E1接口，而是可以提供STM-1接口和

4、IP 接口的基站。因此，带来移动基站传输接入网络的升级和扩容需求。当今，数字微波设备在统一平台上同时可以传输TMD和IP业务,容量可以从E1STM-1,同时满足2G 3G以及2G/3G共站传输的需求。在移动应急通信或临时通信中，如移动应急通信车等。2、自由空间的电波传播2.1、自由空间传播损耗在自由空间传播的电磁波不产生反射、 折射、吸收和散射等现象，也就是说，总能量并没有被损耗掉。LT-R=20lg(4 n LKm/ 入)=32.45+20lgfMHz+20lgLkm =92.45+20lgfGHz+20lgLkm上式中：单位为 dB）。LjR-T和R间的直接视通的自由空间衰减LkmT和R间

5、的距离。（单位为Km）入 传播电波的波长（单位为米）。fMHz， fGHZ传播电波的频率，单位分别为MHz、和 GHz设发信功率Pt=1W，工作频率f=3.8GHz，两站相距45km,收发天线增益Gt = Gr= 39dB,收发两端馈线系统损耗Lft = Lfr=2 dB,收发两端分路系统损耗 Lbt= Lbr= 1 dB。求：在自由空间传播条件下接收机的输入电平和输入功率。解：Pt=10lg1000mW= 30 dBm在自由空间传播条件下,自由空间传播损耗：Ls(dB) = 45 +20lg 3.8 137 dB137.1099Pr(dBm)= Pt (dBm) + (Gt+Gr)-( Lf

6、t + Lfr) ( LbtLbr)Ls=30+(39+39)-(2+2)-(1+1)-137 =-35 dBmPr(mW)=10-35/10=0.00032 mW=0.32 卩 W0.000322.2、费涅耳区半径惠更斯原理：光和电磁波都是一种振动,振动源周围的媒质是有弹性的,一点的振动可通过媒质传递给邻近的质点,并依次向外扩展,而 成为在媒质中传播的波。根据惠更斯 -费涅耳原理,在电波的传输过程中,波阵面上的每一点都是一个进行二次辐射的球面波的波源， 这种波源称为 二次波源。 而空间任一点的辐射场都是由包围波面的任意封闭曲 面上各点的二次波源发出的波在该点相互干涉,叠加的结果。显 然,封闭

7、曲面上各点的二次波源到达接收点的远近不同,这就使 得接收点的信号场强的大小发生变化, 分析这种变化引入费涅耳 区的概念。由图可见r1+r2-d就是反射波和直射波的行程差 r=n入/2显然当!是半波长的奇数倍时，反射波和直射波在 R点的作用是相同的且是最强的，此时的场强得到加强；而为半波长的偶数倍长时，反射波在 R 点的作用是相互抵消的，此时 R 点的场 强最弱。我们就把这些 n 相同的点组成的面称为费涅耳区 , 费涅 耳区就是以收发点为焦点的一系列椭球面所包围的空间。费涅耳区上一点 P 到收发点连线的垂直距离称为费涅耳区半径，用 Fn 表示。2.2.1、第一费涅耳区半径当n=1时，F1称为第一

8、费涅耳区半径。式中：F1第一费涅耳区半径， m；入工作波长，m；d收发天线之间的距离为， Km;d1、d2分别为障碍点与收发天线之间的距离， Km；2.2.2、最小费涅耳区半径理论证明，在相当于第 1 费涅尔区面积 1 /3的圆孔就能获得自由空间传播。 F0 代表该圆孔的半径，称为最小费涅尔区半径。式中：Fo称为最小费涅尔区半径， m；入工作波长，m；f 工作频率， GHz；d1、d2d收发天线之间的距离为， Km;分别为障碍点与收发天线之间的距离， Km；第一费涅尔半径 F1 和最小费涅尔半径 F 0是微波通路勘测中两个重要的物理参量 , F0 被称为障碍物禁区。显然，当波长入和距离d 一定

9、时，F0与d1、d2的位置有关, 且中点（d1 = d2）处的F0最大。3、余隙3.1、余隙传播余隙是指在微波传播路径的剖面图上，收发两点的连线 与最高障碍物顶点之间的距离。如下图所示，hc即为余隙。从图中几何关系可知，收发两点的连线在障碍点的高度h为:di(h2 H2) d2(hi Hi)考虑地球凸起he后，余隙hc等于:式中:a-为地球半径，单位为米。H3为微波中继剖面中，障碍点顶端的海拔标高;4、大气折射4.1、大气折射从地面算起，垂直向上，可把大气分为 6层，依次称作对流层、同温层、中间层、电离层、超离导以及逸散层。对流层是指自地面向上大约10km范围的低空大气层。对流层集中了整个大气

10、质量的四分之三。对流层的大气压力、温度及湿度都随离开地面的高度而变 化、是不均匀的，会使电波产生折射。由于对流层的折射率随高度而变，因此电波在对流层中传输时会发生不断的折射，从而导 致轨迹弯曲，这种现象称为大气折射。折射率梯度dn折射率梯度表示折射率随高度的变化率。折射率梯度不同, 对流层中电波传播路径有如下三种类型:1、零折射:折射率dn = 0,对流层大气为均匀大气，电波射线为直线, dh射线的曲率半径为X;2、负折射:折射率dn 0,折射率随高度增加而增加，上层空间的电波dh射线速度小，下层空间电波射线速度大，电波传播的轨迹向上弯 曲与地面的弯曲反向，称为负折射;以上两种情况很少发生。3

11、、正折射:折射率dn 0、K 1等效地球半径ae减小;正折射，折射率dh 1等效地球半径ae增大;4.3、等效地球凸起高度did 2不考虑地球折射时，地球凸起高度he=，考虑大气的折2a射作用后，等效地球凸起高度 he：式中:d1记录点到起始点的距离，(Km);d2记录点到终点距离，(Km);he 等效地面突起的高度 由于大气折射而产生的等效地 面突起的高度（ m）。K为等效地球半径系数； 正常传输剖面图 K =4/3，最坏气象传输剖面图 KMIN =2/3；a为地球半径；一般取 a=6370 km。4.4、余隙计算前面没有考虑大气折射时电波传播余隙 hc 等于：考虑大气的折射作用后，等效地球

12、凸起高度he有了变化,所以余隙he也发生了变化:式中：he为中继剖面中，发收两点间射线中心线在障碍点上方的 传播余隙；单位为米。H1-为中继剖面中，发端天线地面的海拔高度；单位为米。hi- 发端天线中心对地面的挂高；单位为米。H2-为中继剖面中，收端天线地面的海拔高度；单位为米。h2- 收端天线中心对地面的挂高；单位为米。di为中继剖面中，发端天线至障碍点的水平距离；单位为米。d2-为中继剖面中，收端天线 R至障碍点的水平距离；单位 为米。d收发天线之间的距离d=di+d2.a为地球等效半径，单位为米。k为地球等效半径系数，正常传输剖面图 K =4/3，最坏气象传输剖面图 KMIN =2/3H

13、3为微波中继剖面中，障碍点顶端的海拔标高；一般在图 中无树木的地方要考虑另加 3 米灌木杂草高度的余量； 有树时也 要根据出图日期，考虑一定的生长余量；单位为米。从上式可见:等效地球半径系数K 1正折射，等效地球半径变大,效地面突起高度he减小，等效的余隙增大;heK 3ddr。则视障碍物为理想刃型。视距微波通信常常根据刃型障碍物的路径余隙he的大小将线路分为三类:(1) he Fo称为开路线路;(2) 0V he Fo称为半开路线路;(3) he 0称为闭路线路。开线路附加衰落因子几乎为0,微波链路的传播损耗可以按 照自由空间传播损耗计算。微波链路设计追求的就是开线路;半开路线路和闭路线路，

14、因为刃形障碍物没有遮挡住所有的 费涅耳区，有一定数量的费涅耳区空间不被遮挡，电波能绕过刃形障碍物，使收信电平达到一定的数值。半开路线路和闭路线路，附加损耗可由上图左半部所示的曲线查出。也可按照绕射公式计算。VdB(9hc(63 hR）M=d2/（4ak）（hT+hR）式中：C和m为中间参数hT,hR为收发天线的海拔高度（单位为米）C和m,查“求反射点参数的图表”得b利用下式得 d1 或 d2d1=d（ 1b） 2d2=dd1其他，就必须考虑采用空间分集来克服由于地面的反射给中 继电路带来的不稳定性。在具体的电路中站距仅有仅有几公里时， 根据经验可以不作此计算，可以仅仅考虑有足够的余隙即可满足设

15、计要求。6.1.5、余隙标准对刃型障碍物余隙满足上述要求即可；7、抗衰落技术7.1.1、空间分集技术目前在微波通信和卫星通信系统中，抗衰落的主要手段是采 用分集技术。分集就是指通过两条或两条以上途径（例如空间途 径）传输同一信息，以减轻衰落影响的一种技术措施。微波通信常用的空间分集方式分为，空间分集发送和空间分 集接收。空间分集接收是指在空间不同的垂直高度上设置几副天线, 同时接收一个微波信号，然后合成或选择其中一个强信号。实践表明，分集接收对多径衰落是非常有效的，常常应用在 大通路的微波干线上。7.1.2、其他分集技术频率分集。用两个以上的频率同时传送一个信号，在接收端 对不同频率的信号进行

16、合成，利用电磁波在不同频率下的不同行 程来减少或消除影响。这种方法效率较好，且只需一副天线，但 在频率十分紧张的无线频段，频率的使用效率就显得不太高了。极化分集。通过发射端的天线发射两个极化垂直的信号，接 收端分集接收，这样可以在一定程度上减少多径的影响。不过, 极化会产生3db的衰减。因为发射端必须将能量分到两个不同的 极化天线。隐分集就是利用信号处理技术实现分集，如交织编码技术、FRC前向纠错技术，跳频技术等。隐分集一般用在数字通信系统中。另外还有一种就是信道均衡技术。7.1.3、扩频通信目前通信理论界和工程界都普遍认为， 扩频通信是在信道技 术上解决多径衰落的非常有效的手段。 伪随机码尖

17、锐的自相关特 性使各个多径信号完全独立。理论上可以证明：当多径时延超过 一个码元码元宽度Tc时，多径信号与直接接收信号的相关系数 为零，则完全可以作为噪声处理，对通信不造成影响。另外，当 码元Tc相当窄，且伪码码元很长时，系统的频谱很宽，反射回 来的多径频率分量不可能同相到达接收点，所形成的多径干扰信 号在相关检测中被减弱。因此在一般常规通信中认为极难对付的 多径干扰，在扩展频谱通信中得到了解决。8、微波频率和极化选择系统工作频率的选择受传输路径对电波的传输损耗及电波 的衰落特性的制约。大气中的电子、离子、氧分子、水蒸气、盐 雾等对通信的影响较大，随着通信频率的增高以上各种因素对通 信的影响会

18、有所增加，同时多径衰落也相应增加。因此系统的通 信频率不宜太高。另一方面，系统工作频率的提高，不仅使得通信设备及天 线的尺寸可以小一些，电波的菲涅尔半径也要小一些，有利于实 现微波开线路传输。实际系统的工作频率需要综合系统的通信距离及系统的链路电平余量等要求作出选择，并结合已建通信线路的现状和当 地条件综合考虑。ITU-RS和我国有关的频段分配、频道配置的建议和规定如下。工作 频率GHz占用频 段MHz容量(Mbit/ S)频带 中心频率f0(MH乙工 作 波 道 数第n波道中 心频率fn和f MHz波道序 号nn=1,3,52.04824471.514272X1478.5fn=f0-51.5

19、+nn=2,6,1015302.048126f n=f0+3.5+n468.448n=4,12,204417001808fn=f0-108.5+1900614n24908.4482X2586f n=f0+10.5+14n269019008.448210112fn=f0-208+14 .5n22300f n=f0+5+14 n190034.368fn=f0-208+292X21016n230034.368f n=f0+5+29n2.048n=1,3,523002X239440fn=f0-87+n79250020f n=f0+7+nn=1,5,92.048774340038002X34.36835

20、92.06fn=f0-208+293800nf n=f0+5+29n139.2644003.5420059252X34.36861758fn=f0-259.45+29.65n6425f n=f0-7.41+29.65 n139.264664307110fn=f0-350+40139.26467708nf n=f0-5+40n8eW=u9k- eW=u p 乙 乙B上uu。乙+9+04U, j u。乙+69 乙-ojij u t7L+L3+oj=u j uLUZ+Ug 乙+9 Okoj=, j LUZ+Ug 乙 +992乙吗二山，89L9662 L89沙eX乙 89沙e 盼。X乙 盼。X乙 盼。

21、 8皿乙0S2SL090GLuot7+g+oj=u ju0K9 乙 9-04400 乙 1489龙X乙89龙00ZI4-00Z0L14UR +7 乙乙+oj=u, jUR+9Z 乙 L-oj=uj976 乙 90X乙 盼。0SZ8-00988149fL=u乙k-u乙99 I4+04U, j u 乙 9914+ t7L9L9koj=uj909G889龙 X乙 89龙 盼。X乙 盼。 8皿乙00S8-0028U996 乙+ 6乙+04U jU996 乙+ 96L8 乙-0片48000889龙X乙89龙SZ289乙ZZZk- 6V=u6k- 9fL=u0乙U2+z+oj=u j uz+t7gkoj=

22、uj9OL0乙9Z9Z89龙 盼。X乙S2ZZ9珈L9Z2ZS217Z9乙以页眉内容15145001535010以下 2X 8.448 34.36811701(fr)3015181770019700139.264 2X 8.448 34.368 8.448 2X .048 2.04818700835fm=fr-2768.5 +28n+7m f = fr -3608.5+28( N-n)+7m fn=f r-2800+1 4n f n=fr+3640- 14(N-n) fn=f r-2786+2 8n f n=fr+3626- 28(N-n) fn=f0-1000+1 10n f n=f0+10

23、-11 0n fn=f0-1000+2 7.5 n f n=f0+10+27 .5nn=1或 15n=15 N=15 m=1,2,3,4 n=1,2,3 NN 30 n=1,2,3 NN 15n=1,2,3 8n=1,2,3 359、微波电路的质量计算9.1、微波电路的质量指标不同等级电路对的损伤的要求不同，见 ITU-TSG.821建议。对中小容量微波电路，根据大量的工程经验，在规定的电路误码 率条件下，在考虑到系统内部的衰落、干扰和其它恶化因数后, 电路中断率达到规定分配要求即可。当中继电路确定以后，每个数字段(对 GSM系统而言每个中继段都是一个数字段)的中断概率指标计算如下:(1)、误

24、比特率大于1X10-3的恶化分的要求，即BER106w 1.5L/1250(2)、误比特率大于1X10-6的恶化分的要求，即BER10-6 fix 10-* 一 2 X10-*3,3X10-*注：S1-地面粗糙度,6m SK42m； S2-地面斜率均方根值,1 S2V 80rms。923、电路考虑雨衰等其他因素的影响时电路中断概率,c(P eR=10 6= P 0I0Mber.(1-26)(P eR=10-3= P 0I0M BER 103 N)/10).(1-27)上式中:N表示雨衰等其他因素的影响带来的衰减（dB）;P考虑雨衰等其他因素的影响时电路中断概率。924、结论将P 值与误码恶化分

25、指标比较:当Pw 0.04L/1250时，中继电路质量指标满足要求。微波电路设计1、制作中继电路传输剖面图1）、在设置微波站址区域的 1/5 万（或更大比例）地形图上，先确定设置微波天线的准确的平面座标位置，将需要建立微 波中继站的两点作出标记，记录中继站点的：图名、图号、所属 管区地名、坐标（平面的和经纬度的都读） ，在图的边缘说明中 找到真子午线、磁子午线、及坐标纵子午线间的相对关系，并注 明它的偏移方向；2）、将需要建立微波中继站的两点用直线连接。从起始点开始向终点沿标记直线，依顺序选择记录点 （坡度变化率较快时 相邻记录点间的距离取0.2km,坡度变化率较快取至3KM或更 长。坡度上升

26、下降的改变点必须选择） ，依次记录每一点的地面 海拔高度（m）（包括建筑物或树的高度）、和起始点的距离（km）， 直到终点。2、计算站距设：中继段的两端点的分别为T站和R站；TR站间的站距为 L（km） 。情况一：当各点的平面直角坐标分别为：YT、 XT、 、 YR、 XR、 ，(坐标单位为 Km )L (km)= (Y R-YT)2+( XR-XT)21/2.(1-1)情况二：当各点的经纬度坐标分别为：Y T、 XT、 ； Y R、 XR、 ，坐标单位为度)L (km)= COS -1COS(Y R-Y T) X COS( XR- XT) X6370Xn /180式中：Yt、Xt、-表示T点

27、在平面直角坐标系中的横坐标和纵座标。Y、T、X T、-表示 T 点在平面直角坐标系中的经度坐标和 纬度座标。3、天线方位角计算3.1、三种方位角真北方位角： T-R 射线以真子午线为计算起点，沿顺时针方 向旋转至指定的瞄准方向， 此时射线所扫过的角度即为此射线的 真北方位角。磁北方位角： T-R 射线以指南针指示的北极为计算起点，沿 顺时针方向旋转至指定的瞄准方向， 此时射线所扫过的角度即为 此射线的磁北方位角；坐标北方位角： T-R 射线以高斯平面直角坐标系纵轴线方向 为计算起点，沿顺时针方向旋转至指定的瞄准方向，此时射线所 扫过的角度即为此射线的坐标北方位角。由于真子午线的方位的朝向相对而

28、言比较固定, 因此多以真 北方位角来表达天线的通信方位角但是真子午线的方位要通过天文测量或用陀螺经纬仪测定， 所以在通信工程中为了施工使用方便常以磁北方位角表达。在的五万分之一的地形图上， 图的边缘说明中可以找到真子 午线、磁子午线、及坐标纵子午线间的相对关系。3.2、计算磁北方位角首先计算各站的坐标北方位角0利用五万分之一的地图, 我们可以得到各站在平面直角坐标图中的关系示意图。利用此图先计算中继电路段两端天线在平面直角中的坐标 北方位角0 设:T站和R站在1/5万地形图上的平面直角坐标分别为：T 站Yt、XT、 ； R 站Yr、Xr、:0 -R=tg-1 I ( Xt-Xr)| / 1(

29、Yt-Yr)| 按上式计算结果0R是一个锐角，还需要按射线在平面直角坐标中的象限位置修正。再计算中继电路段两端天线的磁北方位角0:查各微波站所在的五万分之一的地形图， 在图的边缘说明中找到真子午线、磁子午线、及坐标纵子午线间的相对关系。真北子午线磁子午线坐标纵线磁子午线真北子午线+ 坐标纵线坐标纵线磁子午线.真北子午线各站真北子午线、磁子午线和坐标纵线关系示意图根据图中提供的相对位置，计算各站天线磁北方位角。天线俯仰角计算天线的俯仰角是以本点处的水平线为参考线，水平线以上的方向线与水平线间的夹角为仰角，计算符号计为” +：反之为俯角计为”-”P Uarctg 出)5 HJdB 2 = arct

30、g严已）伍出）亠 57.32aK亠 57.32aK上两式中:B 1表示从站点T天线中心看向对方天线R中心本站天线俯仰角；单位为度。（1弧度=57.3。）p 2-表示.从站点R天线中心看向对方天线T中心本站天线俯仰角 ; 单位为度。4.1、椭圆馈线系统的组成由于 10GHZ 以上微波设备多为天线、高频、复用及其他设备做在一起的一体化设备，所以不再考虑单独的馈线。而频率较 低的设备，由于波长较长，所以天线、高频设备尺寸较大，天线 和高频设备都是分开放在不同的地方，因此必须采用较长的馈 线。椭圆馈线系统的连接组成：天线的出入口 (带馈线连接法兰， 可选用矩形馈线弯头或固定 -扭转波导 * )馈线上密

31、封节椭矩变换节整条椭圆馈线椭矩变换节馈线下密封节收发信机入口端的收或发的分路系统接口收发信机。各部件还必须配置有相应的加固、密封、接地材料等，可向 厂家提出。4.2、馈线系统各部件的选用馈线一般有矩形波导和椭圆波纹波导， 由于矩形系统组成较 复杂、施工时灵活性差，工程中多 用椭圆波纹波导 。椭圆波纹波导系统各组成部件的选用办法：它的型号由选用的工作频率来决定， 但同时要考虑馈线两端 接口的配合。在天线端由于天线的大小要根据中继段接收电平的 需要选定， 所以接口是变化的，一旦需要的天线大小和其他指标 通过电路计算确定以后， 就可以根据选定天线的接口要求去选配 馈线的接口法兰规格，这个法兰就是馈线

32、附件中的椭 -矩变换节，其上的矩形波导法兰就是需要的天线接口。同样，在馈线连接微 波机端有同样的问题， 但这时馈线连接对象改为微波机端分路系 统的发信口和并路系统的收信口， 这两个接口分别连接从天线端 过来的收信馈线和发信馈线； 接头法兰型号的确定由分并路系统 的接口要求而定，一般这两个法兰的要求是一样的，可以直接 从 相关馈线的资料中得到。在这里预先说明一点： 在我们选用天线系统时是采用双极化 天线时，才会出现上述分别采用一收一发的两条独立馈线；采用 单极化天线时，馈线仅仅采用一条馈线即可。 此时在微波设备侧 仅有将收发入出口混合处理后的混合器出口， 接口的法兰型号由 混合器接口法兰要求决定

33、。 关于馈线的接口要求一定要在与各产 品的提供商做技术交流时，做明确的决定。 这个问题看来事请虽 小，但往往在工程一旦出现将造成很大的影响， 所以在工程中应 特别注意！4.3、馈线系统损耗计算在馈线系统确定之后整条馈线的损耗就可以确定， 在正常的 情况下一般要求产品供应商提供各组成部件损耗指标值或排除 馈线后各条馈线附件的总损耗值， 一般馈线的附件总损耗值都不 大在 2dB 左右；由于供应商提供的发信点电平是定义在发信机的输出端， 而 接收电平是定义在接收机的输入端， 所以在计算电路的接收电平 时，一定要了解从发射机的输出口到合路器的输入口间和从接收 机入口至分路器的输出口间的插入损耗值，在资料中未有时， 定要向供应商索取。根据经验与系统采用的信道数有关，一般采 用一个信道时损耗最小， 可以各按 1dB 估算，当每增加一个信道 时收发各端各增加 0.2dB 计。这样对一个信道的情况：从发信机出口到合路器输入口间的插入损耗为1dB；(此值在作工程时一定要向供应商索要 )从分路器