2.5.3 微波通信（Microwave Communication）
在电磁波谱中，微波定义为频率在300MHz~300GHz范围内的电磁波。微波的波长范围在30mm~3m之间，与同轴电缆通信、光纤通信和卫星通信等现代通信网的传输方式不同的是，微波通信是直接使用微波作为介质进行的通信，不需要固体介质，当两点间的直线距离内无障碍物时就可以使用微波传送信息。利用微波进行通信具有容量大、质量好、传输距离远的优点，因此微波通信是国家通信网的一种重要通信手段，也普遍适用于各种专用通信网络。
（1）微波通信系统
微波通信系统（见图2-17）由发信机、收信机、天馈线系统、多路复用设备及用户终端设备等组成。
在图2-17中，发信机由调制器、上变频器、高功率放大器组成。收信机由低噪声放大器、下变频器、解调器组成。天馈线系统由馈线、双工器及天线组成。用户终端设备把各种信息变换成电信号。多路复用设备则把多个用户的电信号构成共享一个传输信道的基带信号。
微波通信系统的工作过程为：在发信机中调制器把基带信号调制到中频再经上变频变至射频，也可直接调制到射频。在模拟微波通信系统中，常用的调制方式是调频；在数字微波通信系统中，常用多相数字调相方式，大容量数字微波则采用有效利用频谱的多进制数字调制及组合调制等调制方式。发信机中的高功率放大器用于把发送的射频信号提高到足够的电平，以满足经信道传输后的接收场强。收信机中的低噪声放大器用于提高收信机的灵敏度；下变频器用于中频信号与微波信号之间的变换以实现固定中频的高增益稳定放大；解调器的功能是进行调制的逆变换。双工器是异频双工电台、中继台的主要配件，其作用是将发射和接收信号相隔离，保证接收和发射都能同时正常工作。它由两组不同频率的带阻滤波器组成，避免本机发射信号传输到接收机
微波只能进行直线传播，而没有绕射能力，因此要求发送天线和接收天线必须直达可视，因为在不可视的情况下，由于地球表面是曲面，地面就会挡住微波，使其不能正常传输。天线一般是抛物面状的，能把微波的能量集中在很小的波束内发射出去，一般在相距较远的收发天线之间，每隔一段距离放置一个中继站，一方面是因为地表面会挡住微波去路，另一方面是因为微波在空气中传播会有衰减。
图2-17 微波通信系统
微波通信天线一般为强方向性、高效率、高增益的反射面天线，常用的有抛物面天线、卡塞格伦天线等（见图2-18），馈线主要采用波导或同轴电缆。
图2-18 常见的抛物面天线及卡塞格伦天线
在地面接力和卫星通信系统中，大多数情况下，还需以卫星中继站或卫星转发器（见图2-19）等作为中继转发装置。如图2-19所示，广播电视信号传播时，利用卫星作为中继转发，扩大广播电视信号的覆盖率。
（2）微波传播特点
微波通信中电波所涉及的媒质有地球表面、地球大气（对流层、电离层和地磁场等）及星际空间等。按媒质分布对传播的作用可分为：连续的（均匀的或不均匀的）介质体，如对流层，电离层等，及离散的散射体，如雨滴、冰雹、飞机及其他飞行物等。微波通信中的电波传播，可分为视距传播及超视距传播两大类。
视距传播时，发射点和接收点双方都在无线电视线范围内，利用视距传播的有地面微波接力通信、卫星通信、空间通信及微波移动通信。其特点是信号沿直线或视线路径传播，信号的传播过程中，受到自由空间的衰耗和媒质信道参数的影响。如地-地传播的影响包括地面、地物对电波的绕射、反射和折射、特别是近地对流层对电波的折射、吸收和散射；大气层中水气、凝结体和悬浮物对电波的吸收和散射。它们会引起信号幅度的衰落，多径时延，传波角度的起伏和去极化（即交叉极化率的降低）等效应。在地-空和空-空视距传播中，主要考虑大气和大气层中沉降物的影响，而地面、地物和近地对流层对地-空传播、空-空传播的影响则比对地面视距传播的影响小，有时可以忽略不计。
图2-19 广播电视卫星转发示意图
对流层超视距前向散射传播是利用对流层近地折射率梯度及介质的随机不连续性对入射无线电波的再辐射将部分无线电波前向散射到超视距接收点的一种传播方式。前向散射衰耗很大，且衰落深度远大于地面视距微波通信，从而使可用频带受到限制，但站距则可远大于地面视距通信。
（3）微波通信的分类
根据通信方式和确定信道主要性质的传输媒质的不同，微波通信可分为大气层视距地面微波通信、对流层超视距散射通信、穿过电离层和外层自由空间的卫星通信，以及主要在自由空间中传播的空间通信。按基带信号形式的不同，微波通信可分为主要用于传输多路载波电话、载波电报、电视节目等的模拟微波通信，以及主要用于传输多路数字电话、高速数据、数字电视、电视会议和其他新型电信业务的数字微波通信。
1）微波接力通信。利用微波视距传播通常情况下以接力站点的接力方式进行微波通信，也称微波中继通信。微波接力系统由两端的终端站及中间的若干接力站点组成，从而为地面视距提供点对点的通信。各站收发设备均衡配置，站距约50km，天线直径1.5～4m，半功率角3～5°，发射机功率1～10W，接收机噪声系数3～10dB（相当噪声温度290～261K），必要时二重分集接收。模拟调频微波容量可达1800～2700路，数字多进制正交调幅微波容量可达144Mbit/s。设备投资和施工费用较少，维护方便；工程施工与设备安装周期较短，利用车载式微波站，可迅速抢修沟通电路。
2）对流层散射通信。利用对流层中媒质的不均匀体的不连续界面对微波的散射作用实现的超视距无线通信。常用频段为0.2～5GHz，为地面超视距点对点通信。跨距数百公里，大型广告牌（抛物面）天线等效直径可达30～35m，射束半功率角1～2°，有孔径介质耦合损耗，发射机功率5～50kW，四重分集接收，容量数十话路至百余话路。对流层散射通信一般不受太阳活动及核爆炸的影响，可在山区、丘陵、沙漠、沼泽、海湾、岛屿等地域建立通信电路。
3）卫星通信。地面站之间利用人造地球卫星上的转发器转发信号的无线电通信，为地-空视距多址通信系统，卫星中继站受能源和散热条件的限制，故地-空设备偏重配置。同步卫星系统，空间段单程大于3.6万km，地面站天线直径15～32m，增益60dB，射束半功率角0.1～1°，需要自动跟踪，发射机功率0.5～5kW。卫星中继站，下行全球波束用喇叭天线，点波束用抛物面天线，可借助波束分隔进行频率再用。转发器功率数十瓦，带宽一般为36MHz，容量5000～10000话路。卫星通信覆盖面广，时延长，信号易被截获、窃听甚至干扰。一种容量较小的可适用于稀路由的甚小天线地面站（VSAT）适用于数据通信。
4）空间通信。利用微波在星体（包括人造卫星、宇宙飞船等航天器）之间进行的通信。它包括地面站与航天器、航天器与航天器之间的通信、以及地面站之间通过卫星间转发的卫星通信。地面站与航天器之间的通信包括近空通信与深空通信。在深空通信时，为了实现从髙噪声背景中提取微弱信号，需采用特种编码和调制、相干接收和频带压缩等技术。
5）微波移动通信。通信双方或一方处于运动中的微波通信，分陆上、海上及航空三类移动通信。陆上移动通信多使用150、450或900MHz的频段，并正向更高频段发展。海上、航空及陆上移动通信均可使用卫星通信。海事卫星可提供此种移动通信业务。低地球轨道（LEO）的轻卫星将广泛用于移动通信业务。
（4）微波通信的方式
地面上的较远距离的微波通信通常采用中继（接力）方式进行，原因如下：
微波波长短，具有视距传播特性。而地球表面是个曲面，电磁波长距离传输时，会受到地面的阻挡。为了延长通信距离，需要在两地之间设立若干中继站，进行电磁波转接。
微波传播有损耗，随着通信距离的增加信号衰减，有必要采用中继方式对信号逐段接收、放大后发送给下一段，延长通信距离。
A、B两地间的远距离地面微波中继通信系统如图2-20所示。
图2-20 微波中继通信示意图
在微波传输过程中，往往有不同类型的微波站（中继站、分路站、枢纽站和终端站等），从而构成了各种各样的微波传输网络，如图2-21所示。
图2-21 微波传输网络布局
可以看出，微波传输网络主要由终端站、中继站、枢纽站和分路站组成。
终端站：存在只有1个传输方向的微波站。
中继站：是指具有2个传输方向，为了解决微波可视距离通信的问题，需要增加的微波站，分为有源中继站和无源中继站两种。
枢纽站：是指具有3个或3个以上传输方向，对不同方向的传输通道进行转接的微波站，或称为HUB站。
分路站：具有2个传输方向，因传输业务的需要而设立的微波站。
卫星通信实际上就是一种微波接力通信方式，地面站之间通过人造同步卫星作为中继站进行微波通信。卫星位于地面上空36000km，与地球保持同步。3颗与地球同步的卫星就可以发射出覆盖整个地球的微波信号，因为覆盖面广，卫星通信非常适合广播电视通信。
微波通信由于其频带宽、容量大，可以用于各种电信业务的传送，如电话、电报、数据、传真以及彩色电视等均可通过微波电路传输。