无线移动通信基站天线效率相关技术研究

无线移动通信基站天线效率相关技术研究

胡骏

中国铁塔股份有限公司成都市分公司  四川省成都市  610096

摘要：随着无线通信行业的迅猛发展，在实现大规模的移动宽带连接以及5G时代的各种新应用的同时，通信系统的能耗也越来越高。而在我国“十四五”规划明确提出“碳达峰”和“碳中和”发展战略的背景下，无线通信网络的绿色节能势在必行，通信系统的能效成为关键指标。同时，5G时代对网络性能的不断追求，也需要无线基站射频系统和天线不断提升效率，从而实现更好的网络覆盖性能。

关键词：基站；天线效率；技术

1 5G有源基站天线OTA测试需求

5G基站作为网络中关键节点，其性能和可靠性尤为重要。相较于传统无源天线，5G基站天线无论是从结构上还是技术上都有较大的区别，其性能的测试方法也有所不同。

5G有源基站天线从结构上分为射频单元和大规模天线阵列，二者集成为一个不可分割的整体，实现无线电信号收发与处理于一体，通过光缆与核心网络相连，无需再连接各种射频电缆到天线上。

5G天线采用一体化设计的主要考虑原因有两方面。一是5G天线采用MassiveMIMO阵列天线技术，有32T32R或64T64R收发通道，96或192个天线振子。大量的天线振子如果通过传统射频线缆方式连接至射频单元，线缆连接复杂，总体的损耗也会很大。二是5G基站天线的关键技术之一是波束赋形技术，该技术由相控阵雷达技术演变而来，通过控制多个天线单元发射或接收的信号的相位和幅度，产生指向特定位置的窄波束，从而显著增强目标点处的信号强度。波束赋形让波束的能量向指定的方向集中，不仅可以增强覆盖距离，还可以降低相邻波束间的干扰，让更多的用户可以同时通信，提升小区容量。波束赋形的效果取决于天线的数量和算法的质量。为了精确的控制多个天线振子单元的幅度和相位，不宜采用过长的射频线缆。因此5G基站天线采用天线阵列与射频单元一体化的设计。

2无线移动通信基站天线效率的重要作用

2.1无线移动通信基站天线效率对网络性能的作用

从网络性能的角度，高效率无线移动通信基站天线的收益可以有两种不同的表现形式：一种是在天线方向图不变的情况下，直接降低插损，带来增益和覆盖的提升，比如效率改善0.8dB，那么增益和RSRP(参考信号接收功率)同样改善0.8dB；另一种适用于站间距小于1000m的场景，在同等增益和方向图水平面波束宽度的条件下，高效率无线移动通信基站天线可以实现更宽的方向图垂直面波束宽度，从而提升小区的覆盖能力。例如，在700m站间距、22m站高的场景下，传统的效率70%(-1.55dB)的无线移动通信基站天线的1.8/2.1/2.6GHz频段阵列，为了实现较高的增益，垂直面波束宽度往往偏窄，从而影响小区覆盖。如果换为同等增益和水平面波束宽度的效率85%(-0.71dB)的无线移动通信基站天线，根据系统仿真结果：平均RSRP提高0.77dB；边缘RSRP提高1.52dB。

2.2无线移动通信基站天线效率对绿色节能的作用

从绿色节能的角度，采用高效率无线移动通信基站天线，可以通过降低RRU发射功率来降低基站功耗而保持覆盖不变，既能为运营商节省一笔可观的电费，又降低了碳排放。例如，效率85%(-0.71dB)的天线与效率70%(-1.55dB)的天线相比，可以降低18%的RRU发射功率而保持覆盖不变。以一个4×100WRRU为例，发射功率从4×100W降低到4×82W，在典型负载条件下，可以降低功耗约80Wh，每年大约节省700度电。当前供电成本占到了运营商OPEX(运营支出)的20%～40%，这个比例在5G时代将进一步提升，高效率无线移动通信基站天线将对运营商降低OPEX起到关键作用。RRU功耗降低的一个额外的好处是可以降低损坏的风险，增长RRU的寿命。

3无线移动通信基站天线效率的影响因素

3.1阻抗失配损失

当阻抗不匹配时，发射的射频信号会产生部分反射，导致传输效率下降。如果天线端口的VSWR（电压驻波比）为1.5，则相应的传输效率为96%，对天线效率的影响为0.18dB。

3.2馈线网插入损耗

即，从天线端口到天线辐射单元的整个射频链路的插入损耗。插入损耗一般包括导体损耗、介电损耗、铁芯损耗和辐射损耗。导体损耗和介质损耗是无线移动通信基站天线馈电网络插入损耗的主要组成部分。导体损耗主要取决于导体的表面电阻率和粗糙度，介电损耗主要取决于介电常数和损耗角的正切。

3.3阵列互耦损失

同一频率或不同频率阵列之间的相互耦合，尤其是相邻的同一频率阵列之间的相互耦合，导致该阵列的辐射信号部分泄漏到其他阵列的网络中，而没有有效辐射。降低阵列互耦损耗的主要方法是提高阵列间的隔离度。

3.4天线罩穿透损失

天线罩对天线内部有保护作用。同时，电磁波可以穿透天线罩并向外辐射。电磁波将通过天线罩产生穿透损耗。影响天线罩穿透损耗的主要因素是天线罩材料的介电常数和损耗角正切，以及天线罩的形状和厚度。

在影响无线移动通信基站天线效率的上述四个因素中，对于正常端口vswr<1.5的天线，阻抗失配损耗一般占较小比例，而馈电网络的插入损耗占最大比例，还有改进空间。随着集成到天线中的频带和通道数量的增加，阵列互耦对损耗的影响也越来越大。天线罩的穿透损耗与频率有关。频率越高，损耗越大。随着高频谱的应用，天线罩的穿透损耗不容忽视。

4无线移动通信基站天线效率提升的技术方向

传统无线移动通信基站天线的特点是：辐射单元、移相器，可能还包括功分器、合路器等，都是分立的部件，这些部件很多采用PCB微带线或带状线，并通过同轴线缆连接各个部件。无论是PCB微带线或带状线，还是同轴线缆，都包含介电损耗较大的介质，造成较高的馈电网络插损。针对以上问题，华为公司开发了SDIF(SignalDirectInjectionFeeding)架构无线移动通信基站天线，将辐射单元和馈电网络一体化，减少连接数，形成直通的馈电网络，并以空气作为介质的悬置带线代替同轴线缆和PCB，使介质损耗降到了最低，从而使馈电网络的插损大幅降低。SDIF技术是天线效率提升的关键。

提升各阵列之间的隔离度一直是业界的难题和研究的热点。目前主流的研究方向大致分为斩断耦合路径的去耦技术和耦合对消技术。斩断耦合路径的去耦技术，主要用在不同频段的阵列间的去耦。例如将频段A的阵列加上MetasurfaceCloaks后，可以消除对频段B的阵列的耦合。耦合对消技术又分为电路对和近场对消，原理都是增加新的耦合路径来对消原有的耦合，从而提升隔离度。其中电路对消技术可能带来复杂度的提升和较高的插损，或者带宽偏窄等问题，相对来说，近场对消技术在无线移动通信基站天线中有较好的应用前景。

除了一体化的SDIF架构以及低互耦的阵列设计以外，提升效率还可以从材料工艺入手。例如，常见的玻璃钢材质的天线罩介电常数和损耗角正切值都较高，穿透损耗不容忽视。华为公司开发的GFRPP(GlassFiberReinforcedPolypropylene)天线罩，采用创新的低损复合材料能有效降低穿透损耗。

结论

无线移动通信基站天线的效率对网络性能和绿色节能都具有重要的作用，而天线效率仍有较大的提升空间，因此天线效率的提升已经越来越受到业界的重视。为了进一步促进无线移动通信基站天线产业持续绿色健康地发展，让提升天线效率成为国内产业界的共识，将天线效率指标纳入行业标准势在必行。

参考文献：

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