2023天线新技术新生态与产业发展白皮书

引⾔2 1.⼤规模阵列架构与技术演进4 1.1.数模正交架构与实现4 1.2.阵列分组复⽤5 1.3.电磁超材料技术应⽤6 2.绿⾊⾼效天线技术7 2.1.设计中的绿⾊⾼效技术7 2.2.⽣产中的绿⾊环保技术9 ⺫录 2.3.绿⾊⾼效天线指标评价体系10 3.多元化深度覆盖天线⽅案13 3.1.城区室内场景14 3.2.农村低容量场景20 3.3.交通场景21 3.4.海域场景25 3.5.空天地⼀体化场景27 3.6.透镜天线应⽤29 3.7.智能化调控应⽤30 4.前沿技术展望32 4.1.介质天线32 4.2.液晶相控阵天线32 4.3.液态⾦属天线33 4.4.稀疏阵技术34 4.5.轨道⻆动量天线34 4.6.信息超材料35 结语35 参考⽂献36 引⾔ 进⼊5G时代以后，融合了射频和天线功能的⼤规模阵列产品（MassiveMIMO）成为基站⽆线设备的主流形态，产品形态的变化对基站天线技术和产业的发展都产⽣了深远的影响。在技术⽅⾯，通信制式的发展促使对基站天线的需求向五个⽅向转变：从宽波束向窄波束转变，从单波束向多波束转变，从⼩阵列向⼤阵列转变，从单频段向多频段转变，从静态覆盖向动态扫描转变。在产业⽅⾯，天线形态和需求的转变也促使传统天线产业⾰新⽣产技术，研发新材料和新⼯艺，推出塑料⼀体化振⼦、天线滤波器⼀体化等创新⽅案，同时也更加注重产品的集成化、 ⼩型化和轻量化，以适应新技术新形态新需求。 5GNR将⼲播信道定义为多个可动态扫描的SSB，使⼲播波束也可以像业务波束⼀样成为窄波束，利⽤窄波束提⾼天线波束的增益，增强基站的覆盖能⼒；⽽随着频率的不断升⾼，传播和穿透的损耗显著增加，与提升射频发射功率等其他⽅法相⽐，提升天线增益仍是同时改善上下⾏能⼒中最具性价⽐的⽅法，同时也是降低基站设备功耗，实现绿⾊5G双碳⺫标的重要途径。因此可以预⻅，天线阵列的规模还会越来越⼤，波束也会越来越窄。另⼀⽅⾯，窄波束的组⺴⽅式也促进了⺴络的精细化设计，针对⽴体覆盖的差异化需求，天线波束的数量、层数、宽度及分布等都可以进⾏针对性的设计，以增强基站的覆盖质量；与之对应地，波束的灵活性和多样化⼜给⺴络的运维优化提出了巨⼤挑战，需要基站天线的调整能够更加智能、更加⾼效。这将使得基站系统与天线间的耦合越来越紧密，天线的设计需要与系统协同进⾏。为了增强天线的实时调控能⼒，天线也在阵列中引⼊越来越多的数字器件，形成如数模正交新架构，和基带数字通道⼀起塑造天线的波束赋形能⼒。可以说，波束更窄、增益（效率）更⾼、覆盖更准、赋形更智，是⺴络演进对天线技术提出的⻓期需求。 从应⽤的⾓度来看，5G将移动通信的⺴络覆盖延伸到了前所未有的范围，上 ⾄航线，下⾄矿井，远⾄深海，天线的场景化应⽤需求也越来越丰富，基站天线切实发挥了5G触⾓的作⽤。根据不同场景的环境特征与覆盖需求，设计针对性的天线⽅案，并与5GNR特性相结合，场景化的天线设计可以⽐4G时代的特型天线更进⼀步，成为5G精准覆盖的⾼性价⽐⽅案。在这些多元化的解决⽅案中，⼀些采 ⽤了新材料、新技术、新形态的天线⽅案也受到越来越多的关注。如采⽤了⼈⼯可控介电常数材料的透镜天线，发挥了介质损耗低、聚焦能⼒强等特⾊，在⺴络中逐步获得了应⽤。再如透明材料天线，通过新型⾼透导电材料的应⽤，不仅提⾼了天线部署的环境适应性，还使得天线在玻璃、⻋窗等特殊载体上应⽤成为可能，并拓展出了频率选择表⾯、波束增透等新应⽤⽅向。这些新材料、新技术、新形态的出现，拓展了5G⺴络的覆盖⼲度，也为天线产业的发展打开了新的窗⼝。 随着双碳战略的发布和实施，绿⾊低碳也将成为天线技术和产业发展的重要驱动⼒。5G基站的能耗问题在建设初期引起了各⽅的关注，运营商和产业也在不断提出新的技术⽅案，持续推动基站设备的节能降耗。基站天线作为⽆线能量转换的媒介，也越来越需要考虑⽣产和应⽤中的碳排放和能量损耗，需要从设计、⽣产和 应⽤等各个环节开展研究和技术⾰新，以适应绿⾊低碳的时代要求，保持和提⾼天线⾏业的全球⻓期竞争⼒。 本⽩⽪书将着眼于上述演进需求和新技术⽅向，对后5G时代基站天线的能⼒要求、关键技术和推进⽅向进⾏初步阐述，希望能够为产业在规划设计产品和解决 ⽅案时提供参考。第⼀章阐述⼤规模阵列天线的架构和技术演进；第⼆章从绿⾊低碳的需求视⾓描述天线的设计、⽣产和指标评价体系；第三章探讨场景化应⽤对天线的需求和创新⽅向；第四章对天线的前沿技术进⾏展望。 1.⼤规模阵列架构与技术演进 1.1.数模正交架构与实现 ⼤规模阵列是进⼊5G以后基站天线的主流演进⽅向。⼤规模阵列是天线覆盖能⼒提升的主要⽅式，其对天线波束的精准调控能⼒也是⺴络精细优化的基础。扩 ⼤阵列规模虽然是实现天线增益提升的直接⼿段，但受限于成本、系统复杂度等⽅ ⾯，基带的数字通道数却难以随着模拟域的振⼦数量线性增加；单个数字通道对应越来越多权值固定的振⼦，⼜将导致波束的调整能⼒下降。为了解决这⼀⽭盾，就需要在阵列架构上做出改变。对此，中国移动提出了数模正交架构的新概念，通过在模拟域的移相器中引⼊数字化器件和技术，使单个数字通道内的各个振⼦也可以实现快速、⾼效地调控，增强模拟域的波束调整能⼒，和已有的数字通道共同形成天线阵列的波束调控⽅案。这⼀架构改变了波束调控只在基带数字域进⾏的传统⽅式，在扩⼤阵列规模的同时，不增加数字通道数量，⽽⼜尽可能保持波束的调整能 ⼒，与纯数字⽅式相⽐牺牲了部分灵活性，却换取了系统复杂度和成本的降低，是 ⼤规模阵列演进的经济、可⾏⽅案。毫⽶波基站正是这样⼀种架构，少量的数字通道对应若干天线⼦阵，其数字通道后的移相器、PA等已集成芯⽚化，振⼦也可以采⽤AIP等封装⽅案。对于中⾼频段，数模正交架构也是向更⼤规模阵列扩展的可 ⾏⽅案，值得产业界和运营商关注。 图1.1两种数模正交架构 数模正交架构的其中⼀种实现⽅式，是在数字通道后的单元阵列中引⼊数字调控器件（⺫前主要是移相器），通过叠加数字移相能⼒，实现波束的动态扫描。这其中的关键技术与需求体现在以下⼏个⽅⾯： ⼀是阵列设计。阵列设计⾸先需要考虑数字通道的数量选择以及在⽔平/垂直维的分布。由于数字移相的引⼊，这⼀问题有了更为灵活的空间，可以综合能⼒需求、⽤户分布和覆盖成本考虑。⼀般会在⽔平维布置更多数字通道，⽽在垂直维采 ⽤数字移相；另外每个数字通道中对振⼦如何分组，使⽤多少个数字移相器，移相器的位数和步进等也需要精⼼设计。 ⼆是器件选型。数字移相器是数模正交架构的核⼼部件，其性能直接影响到系 统最终的实现能⼒。⼤规模阵列有源天线，对数字移相器的基本要求是低插损（如 ⼩于0.5dB）、⾼功率（如功率容量达到10W级）、快响应（如切换速度⼩于1μs），三者缺⼀不可。对于FDD系统，还需要考虑三阶互调干扰等问题。 三是波束管理。数模正交架构增加的是模拟域的调控能⼒，⽆法像数字通道那样为不同位置上的⽤户同时提供最优的波束。因此，设计⾼效的波束赋形和切换策略，最⼤程度满⾜不同位置⽤户的业务需求，也是影响数模正交架构最终性能的关键。 上述关键技术中，器件技术是最为基础和核⼼的，也是当前产业的薄弱环节，需要各⽅共同努⼒，积极加⼤在数字移相器技术上的投⼊，尽快推动产业成熟。⺫前主设备⼚家已逐步在⼤规模阵列产品中引⼊数模正交架构，以进⼀步提升产品的覆盖能⼒。此外，还可以在低通道数基站天线和微功率基站上引⼊数模正交架构，以相⽐于增加数字通道成本更低的⽅式赋能天线波束，增强覆盖能⼒。 1.2.阵列分组复⽤ 在阵列规模较⼤的情况下，天线的波束设计可以提供更多的⾃由度，可以通过对阵列的分组设计实现不同的波束形态组合，从⽽为覆盖策略提供更多的灵活性。 较典型的⼀个应⽤⽅向是节能⽅案中的通道关断技术。在低业务量时段，通过关断⼤规模阵列设备的部分通道，可以显著降低设备功耗，实现节电。为了在通道关断的情况下覆盖不受影响，可以在⽔平⽅向上关闭⼀半的通道，此时仅通过⼀半的阵列发送⼲播波束，单个SSB的⽔平波宽会展宽；但基于NR波束的扫描特性， ±60°范围内的⼲播波束包络变化并不⼤，再通过功率增强技术补偿因通道减少造 成的输⼊功率损失，就可以实现同全阵列⼯作时相同的覆盖范围。 另⼀个应⽤场景是对空覆盖。如在低空的⽆⼈机通信场景下，⼤规模阵列设备通过设计向上的SSB波束，⽤于⽆⼈机的通信，其余波束仍服务地⾯⽤户。 此外，还可以对⼤规模阵列的部分阵⼦进⾏针对性优化，以满⾜对个别指标的特殊需求，如上旁瓣抑制等。以6GHz频段为例，WRC-23已标识6425-7025MHz为IMT频段，作为中频频谱，6GHz频段可以兼顾低频的覆盖优势和⾼频的容量优势，能以较低的每bit成本普及5G⼤带宽服务，未来可以发挥重要作⽤。但是这⼀频段与C波段卫星的上⾏频段存在重叠，需要开展上副瓣抑制技术的研究，实现与卫星频段的共存。在这⼀问题上，对阵列的分组设计也是潜在的解决⽅案之⼀。在满⾜迎⻛⾯积的要求下，6GHz频段的阵列规模可以进⼀步增⼤。此时，⼀部分阵 ⼦可以通过设计⽤于抑制波束的上旁瓣，在不恶化整体性能的前提下实现较低的上 副瓣⽔平。 1.3.电磁超材料技术应⽤ 随着频段的不断叠加，基站的天⾯空间已经⾮常紧张，每年的铁塔租赁费⽤也构成了运营商巨⼤的运营成本之⼀。因此，天⾯的建设原则上是增频段不增天⾯，新天线以合并替换为主，这就对天线的集成度和尺⼨、重量等都提出了较⾼的要求。对于有源天线需要和⽆源天线进⼀步整合（即A+P）的场景，⾼频⼤规模阵列的密集排布和低频⽆源天线的⼤⼝径需求构成了⼀对⽭盾，常规的技术⼿段往往难以兼顾⾼增益和⼩尺⼨的需求，电磁超材料成为应对这⼀挑战的关键技术之⼀。 电磁超材料（简称超材料）指的是⼀些具有天然材料所不具备的超常物理性质的⼈⼯复合结构或复合材料。从本质上讲，超材料更是⼀种新颖的结构设计思想，这⼀思想是通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计来突破某些表现⾃然规律的限制，从⽽获得超常的等效材料功能。迄今发展出来的超材料包括“光⼦晶体 （PBG、EBG）”，“⼈⼯磁导体（AMC）”，“零折射率材料（ZIM）”，“左 ⼿媒质（LHM）”，“超磁性材料”等，其概念已扩展⾄包含频率选择表⾯ （FSS）、空间选择表⾯（SSS）以及极化选择表⾯（PSS）等超构表⾯。超材料以其独特的电磁性能、电磁调控⾃由度以及与可调器件的集成能⼒，使其在⾯向5G新型天线研究⽅⾯有着较好的应⽤潜能。例如对于A+P的产品设计，产业就提出了基于超材料技术的“电磁透明”⽅案，将融合了超材料设计的低频振⼦直接部署在 ⼤规模阵列上⽅，超材料的结构可以降低低频振⼦对⾼频阵列的影响，使得位于下 ⽅的⼤规模阵列，信号可以⼏乎⽆损耗地穿透低频阵列，在电磁域上如同透明。 除了超材料辐射振⼦，超材料加载也是应⽤⼲泛的超材料技术。通过将超材料设计加载于传统辐射单元附近，如振⼦的⼝⾯上⽅、反射（天线的后瓣）⽅向、四周、⼦阵列间、⼦阵侧边等位置，通过调控天线辐射⼝⾯的电磁场分布，使天线具有更好的隔离度特性、增益/波宽/前后⽐/多波束等辐射特性。例如，在⼤规模阵列上⽅设计多层超材料盖板，反射的电磁波与空间耦合的电磁波发⽣抵消，从⽽起到降低阵列间耦合，提升隔离度的效果。在通感⼀体应⽤中，需要⼤规模阵列的发射单元和接收单元之间具有超⾼的隔离度指标，⽽由于设备尺⼨有限，常规设计⽆法提供⾜够的空间隔离，此时也可以通过在发射和接收单元之间设计电磁超材料，降低发射和接收单元的空间耦合。 2.绿⾊⾼效天线技术 在“双碳”战略的⼤背景下，基站天线在设计时也越来越需要考虑⽣产和应⽤中的碳排放和能量损耗。绿⾊低碳已成为基站天线技术发展的着眼点之⼀，是制造企业和运营商都在关注的重要课题。围绕这⼀主题，需要在天线的设计、⽣产和应 ⽤评价等多个⽅⾯开展研究，以引导绿⾊技术创新，加快基站天线⾏业降低碳排放的步伐，保持我国基站天线产品在全球的市场竞争⼒。 2.1.设计中的绿⾊⾼效技术 2.1.1.少电缆技术 馈电⺴络是天线核⼼部件，⺫前的基站天线