可尽量降低干扰的天线罩设计考虑(一)

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ε_r=2的特性；然而每种材料都有不同的损耗参数，即 tanδ，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(λ)的比率，接近于0或0.5。

第一种情况使d/λ约为0，实际上是d<λ/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/λ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λ/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)。

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λ/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。

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(θ)，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(θ)和d/λ_o(其中λ_o是自由空间波长)之间的关系。在θ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/λ比率，接近0.01，但对33.4GHz天线，能够实现的最好情况，d/λ也仅仅是约为0.05，这与理想情况时的0值相差太大。

作者：Dr. Daniel Wojtkowiak