A Steering Antenna for Long-Reach mmWave X-Haul Links

M.Oldoni, S. Moscato, G. Biscevic and G. Solazzi, SIAE Microelettronica, Milan, Italy

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随着LTE的发展和5G的推出，由于站点的共址、更多的扇区和更广的覆盖范围，高容量回程在移动网络中变得至关重要。密集化降低了站点之间的距离，以至于网络中50%以上的站点相距不到5公里（图1）。在全球范围内，超过60%的基站是用微波无线电链路连接的。传统的频段提供了有限的、通常是不连续的可寻址频谱，限制了传输能力。然而，频率的提升提供了更大的频带。¹

图1 某欧洲移动运营商的回程链路距离分布。

E波段，从71到76和81到86GHz，提供了10GHz的总带宽，但由于路径损耗，跳跃长度较短。根据弗里斯公式，频率越高，无线电信号因传播而衰减的就越大。

其中c表示空气中的光速。一个80GHz的通信链路比相同长度的8GHz链路多出20dB的衰减。目前，E波段无线电的传播行为类似于传统的需授权微波无线电，其跳跃长度与38或42GHz频段相当。一个38GHz的链路可以在224MHz的信道上使用复杂的4096-QAM调制实现2Gbps的容量，这是传统微波频段中最大的信道。相比之下，E波段无线电可以在2GHz信道上使用简单得多的128-QAM达到10Gbps的传输容量。

使用E波段可以将移动基础设施的容量提高4倍，这将满足5G的传输需求。这一增长推动了E波段的普及。

天线挑战

通常情况下，卡塞格伦抛物面天线用于点对点回程无线电链路（图2a）。这是一种最简单的方法，利用大的辐射面积，将光束集中到一个特定的方向，从而产生更高的天线增益。² 天线的指向性由以下公式给出：

其中效率通常为0.7左右。

图2 卡塞格伦双反射器天线（a）。三英尺抛物面天线的理论指向性和总HPBW（b）。

如图2b所示，传输频率越高，天线波束的指向性就越强。³ 然而，这些较窄的半功率波束宽度（HPBW）给天线对准带来了挑战，随着天线直径的增加，这种挑战会更加严重。一个链路很容易出现错位，这可能导致信号恶化和中断，降低链路的可用性。在最初的设置之后，错位可能是由于在大风条件下装置的摇摆和安装柱子随着温度的日常变化而膨胀和收缩而产生的扭曲。

今天，80GHz链路主要使用直径为一英尺的天线，其指向性约为45dBi。用三英尺的天线代替它们，可将指向性提高到54dBi，将构成链路的两根天线的增益结合起来，又增加了2×9dB。这一改进使跳跃长度增加了一倍。然而，一英尺天线的更高增益增加了波束的指向性和对严格角度对齐的要求。错位变得非常关键，甚至到了几乎无法忍受的地步：80GHz的一英尺天线的HPBW约为±0.5度，而三英尺天线的HPBW仅为±0.15度。

定向天线可以抵御环境变化并保持对准，保证链路的可用性，并能使用更大的天线尺寸和更长的跳跃距离。两者都将有助于多Gbps无线传输的商业应用。

错位

有三种环境现象会影响天线的对准：风振、风塑变形和热变形。首先，风振可以通过适当的场地设计来解决。由于风的影响是与阵风速度成正比的摇摆，塑性变形可以使用大多数城市和农村地区的风速统计分布来建模。平均效应被认为是可以忽略的，不再考虑。

阻碍高指向性波束无线电链路性能的其余现象是安装天线的塔桅的热变形。每天的太阳加热主要发生在晴朗的天空中。由于被太阳加热的柱子的一侧与另一侧之间的温度差，标准柱子会弯曲0.3至0.6度。除柱子外的其他结构，如格子塔和建筑物，通常不太容易产生这种影响；然而，要求两英尺和三英尺的E波段天线安装在特定的刚性结构上不是可接受的限制条件。

EMBS天线

由于每天的热变化是缓慢的，而且角度有限，机电波束定向（EMBS）天线可以补偿热变形。使用一个没有副反射器的抛物面天线的简化模型⁴，光束的有限角度倾斜θ通过在其平面上偏移焦点δ来导出：

远场的扫描损耗转化为与定向角度有关的增益损耗；因此，扫描损耗决定定向天线实际适用性。模拟扫描损耗显示，EMBS天线设计在2度时有低于3dB的扫描损耗，这是可以接受的，因为柱子的变形预计低于±1度。

在卡塞格伦天线中使用致动器来偏移和旋转子反射器，相当于定向机制，而且更容易实现，因此在EMBS设计中选择了它。在一个基本但有效的形式中，天线控制系统中的跟踪算法监测接收到的功率信号并驱动执行器，改变子反射器的配置以保持正确的对准。由于其在室外单元（ODU）中可用，接收到的信号强度指示信号被使用。对于大多数商用E波段无线电系统，不需要其他连接，这使天线和ODU保持独立。

测试这一概念

为了验证EMBS的概念，在SIAE Microelettronica的实验室屋顶和一个柱子塔台之间建立了一个开放的测试范围，使用210米的链路。一个标准的一英尺天线被安装在塔台上，一个三英尺的EMBS原型天线被安装在屋顶上（图3）。E波段原型天线包括一个执行器和控制系统，以调整其与塔上天线的对准。

图3 测试范围包括一个典型的30米高的电信回程单柱子天线（a）和三英尺的EMBS原型天线（b）。

最初，EMBS天线被设置为一个标准的三英尺天线，致动器被锁定在指定位置，使波束与天线的轴线重合。天线的方向是通过调整天线的粗调和细调螺丝来设定的，将接收的功率作为参考功率电平。一旦达到峰值对准，三英尺的天线就会出现约0.63度的错位，导致明显的功率损失（图4）。测量结果与理论一致，理论预测从对齐的参考值中损失约20dB。手动错位在所有四个方向重复进行，以模拟标准三英尺天线的严重柱子热变形。接下来，EMBS天线致动器被启用，在四个方向上进行同样的手动错位后，用于最大化接收功率。测量了相对功率损失，也显示在图4中。

图4 天线错位造成的功率损失（a）；用EMBS实现的改进（b）。

有源EMBS天线的测量损耗表明，EMBS解决方案提供了一个有效的方法来对抗柱子变形，否则会降低链路性能。

为了显示EMBS天线在现场的有效性，SIAE Microelettronica公司开发了一个热变形模型，以模拟使用三英尺天线的3.5公里链路。该链路使用标准的点对点余量和对准误差进行规划，旨在满足在400Mbps吞吐量下99.995%的可用性（4-QAM使用带宽降低的2GHz信道）和10Gbps吞吐量下99.95%的可用性（128-QAM使用2GHz信道带宽）。两个站点的最坏情况发生在结构向相反方向倾斜时，导致最大的损失。图5显示了使用标准天线的链路在24小时内的模拟性能。纳入轻微的季节性变化，将其扩展到一整年，预期的链路可用性在400Mbps时下降到99.990%，在10Gbps时下降到96%。这意味着每年有35小时的低容量，这对移动应用来说是不可接受的。22dB的损失大于使用三英尺天线而不是一英尺天线所增加的9+9dB的增益。

图5 标准三英尺天线24小时内的模拟瞬时正常运行时间。

在同样的假设下，图6显示了EMBS天线补偿热变形后的预期性能，包括残留的错位和现实的扫描损耗。包括一个小的1dB等效损耗，该链路在一年内的正常运行时间在400Mbps的情况下满足所需的99.995%的可用性，10Gbps链路的可用性为99.95%。具有该现场实验中所展示的性能的EMBS系统可以克服柱子的热变形，使长距离毫米波链路可以使用更高增益的天线。

图6 使用装有EMBS的三英尺天线的3.5公里链路的24小时模拟瞬时正常运行时间。

结论

更大的80GHz天线尺寸可以为移动和其他无线传输应用（如5G）实现更高容量和低延迟的点对点链路。然而，标准的高指向性天线有错位和热变形的缺点，这将严重限制它们的使用，正如模拟所预测和测量所证实的。本文所述的EMBS方法可以对抗热错位，并能使用高指向性天线，即2英尺以上的天线。三英尺的EMBS天线原型实现了低的静态和扫描损耗，即在偏离孔径0.63度时约为1dB。抗错位的跟踪可以由无线电设备或天线控制器驱动（图7）。

图 7 将EMBS天线（天线控制系统、执行器和天线）连接到ODU。

虽然这里描述的解决方案只使用本地站点的信息，但如果控制算法协调本地和远程站点的信息，使本地和远程天线对准，可能会实现更高效的跟踪。为了协调远程站点，ODU可以发送发射功率调整信号以抵消衰减，防止不必要的天线移动。另外，带有MEMS设备的ODU可以提供倾斜方向指示，以便对第一次移动做出更快的反应。

参考文献

1. Nordrum et al., “5G Bytes: Millimeter Waves Explained,” IEEE Spectrum, May 2017, spectrum.ieee.org/video/telecom/wireless/5g-bytes-millimeter-waves-explained.
2. Sharma et al., “Handbook of Reflector Antennas and Feed Systems,” Artech House, 2013, ISBN 160807515X.
3. Visser et al., “Array and Phased Array Antenna Basics,” John Wiley & Sons, 2006, ISBN 0470871180.
4. Lo et al., “Array and Phased Array Antenna Basics,” John Wiley & Sons, 2006, ISBN 0470871180.