可尽量降低干扰的天线罩设计考虑

可尽量降低干扰的天线罩设计考虑对于电信业来说，微波链路提供了无法用价值衡量的“自由空间”网络。由于相对简易和相对经济，无论是点到点，还是点到多点通信中，也无论从通信骨十网到支线网，还是到分配网，它们的应用日益增多，更不用说它们在广播工业和企业专网中的表现。随着新蜂窝运营商和新技术的出现，总的微波网络密度正不可避免地日益增大。不过，微波通信的增长却带来新的挑战。在一个给定区域内，点到点通信链路越多，这些微波系统互相影响，并产生干扰的潜在可能性就越大。因为任何信号失真都将减低服务质量（QoS），控制干扰现在已是每一个无线网络运营商和行政当局的强制性要求。考虑这个问题一个好的出发点就是信号源，即微波天线（图1）的设计和安装位置。图2显示了一个典型的微波天线辐射波束图。主波束在0度位置，主旁瓣信号距离主波束大约±90度。正是这些旁瓣信号，会引起相邻点对点通信链路的干扰，故必须经过仔细的设计和安装把它们减到最小。天线罩在无线链路中所用的天线设计中，主要有两个作用。第一个是环境保护，即遮盖住天线馈源系统，以阻挡灰尘、雪和冰霜。另外，是天线罩显著地减小了天线系统的风力负荷。然而它的材料和厚度都需要仔细地选择，以使透过天线罩的发射功率达到最佳，同时确保旁瓣没有增加。图3显示了由不同材料做成的平面天线罩的反射特性。这些材料都有一个相对介电常数£=2的特性；然而每种材料都有不同的损耗参数，即tan6，范围从0.0018（低损耗）到18（高损耗）。图3表明，对低损耗材料，反射系数存在着两个明显的低值点，在这些点天线罩将允许传出最大的入射功率。这与设计值相符合，在这些点上，天线罩的厚度（d），与壁板中微波波长（入）的比率，接近于0或0.5。第一种情况使d/入约为0，实际上是d<A/10，此时柔性天线罩的材料典型厚度为0.4至0.6mm，基本上是尽可能的薄。这种柔性材料天线罩，通常应用于大型天线（大于4英尺），以避免固态天线罩的笨重性。第二种情况为d/入约为0.5,这种情况更为复杂。这种对应的是固态天线罩设计，生产成本低，且体积小（小于6英尺）。对于d与入/2关系的实际含义，是指这种固态天线罩的厚度总是依赖于所用的波长（因此也可以说是频率）。假设介电常数在2.5到3之间，对于几种不同频率的固态天线罩典型厚度分别为6mm（14GHz）、4mm（22GHz）和2.4mm（38GHz）。Rimabsorbingfoam-90deg.90Rimabsorbingfoam-90deg.90deg.1.Atypicalmicrowaveantennasystemwithparabolicreflector,shield,andradomewillyieldastiongmainsignalandlower-leve!side-kbesignals.»Radiationpatternenvelope»Radiationpatternenvelope-180-ISO--120-90-6G-30030609012015018。Azimuthangle-deg.2.Thisradiationpatternistypicalhmicrowaveantenna,with^ide-iobesignalsbeinggeneratedats?gnificantlevelsatazimuthanglesoutto+9Cdeg.

00.20.30.400.20.30.40.5。,60JThicknessofsheet/wavelengthinsheet3.Thereflectioncharactensticsataplane-wallradomearesh^wnasafunct^mofsheetthickness.-0.0018图4中说明了频率对故态天线罩设计的影响。它给出了一个设计工作频率为23GHz的天线在一段频率范围内的回波损耗的测量值。红色曲线是计算出来的两条分离的曲线之间的差值，这两条分离的曲线分别代表使用和不使用天线罩时天线的数据。很明显，最小的差值（对应着d约为A/2的天线罩的影响最小）出现在设计频率为22.6GHz处。如果天线罩厚度不合适，发射出的功率将降低，于是天线增益也将降低。为达到希望的辐射强度，就要用更大的无线电功率，这将导致旁瓣辐射的增加。正确的天线罩设计，不仅对于优化链路预算，而且对于干扰控制，都是至关重要的。AntennaradomeAntennawithout-radome-AntennaradomeAntennawithout-radome-Calculateddifference4.Amicrowaveantennawithandwithoutaradomewasevaluatedat村centerfrequencyof22.4GHz.Frequency—GHz图3对于“理想”情况是有效的，那里波前面垂直穿越天线壁。现在考虑，信号指向不是这种理想情况时的现象。当它们倾斜地穿越天线壁时，在天线罩材料中就出现了较长的有效波路径，这时，天线罩最佳厚度还依赖于入射角（。），与标准的情况发生了偏离。但是在实际应用中，小于20度的入射角，对于最佳天线罩厚度的影响可以忽略不计。对于柔性天线罩材料，关于这一点，在图5中做了图示说明。它显示了高达百分之九十五的发射功率穿透不同介电常数材料时，入射角度（。）和d/入o（其中入o是自由空间波长）之间的关系。在0值达到20度之前，最佳厚度几乎不受影响，尤其是对天线罩设计时应选用的低损耗材料而言。对于固态天线罩，也有类似的关系。许多微波天线设计师已经在实践中以实用的形式利用了这些关系。实际上主波束的一个小角度倾斜（大约5度），可以把天线内的寄生反射的指向偏离开微波馈源系统，这样还能改善天线的性能。典型的薄壁或柔性天线罩的影响可参见图6。它在6.4和33.4GHz频率处，对使用和不用天线罩这两种情况下的微波天线辐射图进行了比较。很明显，在6.4GHz，天线罩对辐射图的影响可以忽略不计。然而在33.4GHz，由于天线罩的衰减，天线的增益下降了1dB。这样，为实现同样的链路预算，发射出的功率必须增加1dB，这时产生主波束外干扰的可能性更大。从图6中清楚地见到：当方位角度在20到60度之间时，天线罩的存在也会导致旁瓣水平的增高。对于工作在33.4GHz天线，其天线罩的影响的出现，是基于这样的事实：在较高的频率上，柔性天线罩的设计，对于有关材料厚度和稳固性的实际约束将变得更加敏感。虽然6.4GHz天线，可以使d/入比率，接近0.01，但对33.4GHz天线，能够实现的最好情况，d/入也仅仅是约为0.05，这与理想情况时的0值相差太大。0.0011020304050607080Angleoftncidence—deg.5.Flexible0.0011020304050607080Angleoftncidence—deg.5.Flexibleradomedesigndepends厚nmc<denceangle.0.020,0020.0195%transmission0.0050,0040.0030.050.040.03Azimuthangle—d«g.6.Thesedisplaysshowtheeffectsofflexibleradomesonantennaperformanceat6.4and33.4GHz.码ku.2«w理耳-一m§oz无论多么仔细地设计微波天线罩，潜在的旁瓣增加总是存在的。故在设计的其它方面，和天线的安装中，都必须考虑到这个问题，以降低干扰。基本的“常规性能”的微波天线，由一个开口的反射盘壳一个馈源组成。这种常规性能天线，通常不用天线罩（尽管可以选用铸模天线罩），这是一个低成本方案，可以适用于特定的应用。这样的天线，除了对馈源缺少保护之外，其主要的缺点，是在反射盘边缘的微波能量绕射，这将在方位角±100度的位置引起很强的后向反射，从而干扰邻近的点对点通信链路。为了阻挡这些反向边缘反射，天线设计者在天线周边上安装了一个屏蔽环，通常天线罩就固定在该环的上面（图7）。通过在屏蔽环内放置吸收泡沫，这些“高性能”的微波天线的性能还可以进一步提高，从而产生“超高性能”微波天线。这些泡沫材料吸收了天线内的寄生反射，并且限制了旁瓣，从而改善了天线性能。图8中比较了常规的，高性能的，和超高性能天线的辐射波束图。很显然，对于超高性能天线，在其旁瓣反射控制方面，与其它两种天线比较，改善是明显的。然而有趣的是，在20到60度之间，高性能天线的性能比常规性能天线还要差，这是由于屏蔽环产生的附加辐射所导致的结果。不过它却证明，在防止后向反射上，其效果明显好很多。所以，如何合理选择微波天线，不仅取决于应用需求，还取决于给定区域预期的干扰状况。重要的是，一旦天线安装完毕，微波网络的性能不能由于环境的影响而恶化。虽然天线罩可以保护敏感的馈源系统，必须也只有使用坚固的结构，才能保护天线反射盘免受风力的影响。天线的机械安装稳定性，对维持点到点链路，以及当其方向变化时限制其对邻近链路潜在的干扰，是非常关键的。7."Typicalhigh-performancemicrowaveantennas7."Typicalhigh-performancemicrowaveantennasincurpurateshieldsandabsorbingmaterialstr.minimizeside-loberadiation.Azimuthangle~deg.8.Thesecurvescomparetheperformancelevelsofstandard,high-,andultra-high-performanceantennas.9.Thisplotshowsthatsignificantreflectionsmayarisewhenanantennaismountedtopclosetoasolidstructure.不同的天线制造商，使用不同的方法来评估天线的抗风能力。RadioFrequencySystems公司对于一个安装好的天线，定义了其“工作风速”的额定值，该额定值对应的是主波束的临时偏离值应位于其半功率束宽度的三分之一以内。（这里，半功率束宽度指的是位于主波束轴两侧的一个角度，在这个角度上，所测得的极化波束强度比位于波束轴上的峰值低3dB。）在该工作风速额定值以内，相对应的最大典型风速为120-140英里/小时。点对点通信链路将能得到满意的维持。考虑工作风速大的其它标准还使主