基站天線效率相關(guān)技術(shù)研究

劉旭

（華為技術(shù)有限公司，廣東 深圳 518129）

0 引言

隨著無(wú)線通信行業(yè)的迅猛發(fā)展，在實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的移動(dòng)寬帶連接以及5G 時(shí)代的各種新應(yīng)用的同時(shí)，通信系統(tǒng)的能耗也越來(lái)越高。而在我國(guó)“十四五”規(guī)劃明確提出“碳達(dá)峰”和“碳中和”發(fā)展戰(zhàn)略的背景下，無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的綠色節(jié)能勢(shì)在必行，通信系統(tǒng)的能效成為關(guān)鍵指標(biāo)。同時(shí)，5G 時(shí)代對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的不斷追求，也需要無(wú)線基站射頻系統(tǒng)和天線不斷提升效率，從而實(shí)現(xiàn)更好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能。

1 無(wú)線基站射頻系統(tǒng)和天線的效率

在5G時(shí)代，無(wú)線基站射頻系統(tǒng)的功耗是整個(gè)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)功耗的最主要貢獻(xiàn)者。無(wú)線基站射頻系統(tǒng)的功耗主要由三部分的效率決定：射頻模塊（RRU，射頻拉遠(yuǎn)單元）的效率η1、射頻饋線的效率η2、天線的效率η3，如圖1所示：

圖1 無(wú)線基站射頻系統(tǒng)的效率

圖1 中：

射頻模塊主要包括數(shù)字中頻、收發(fā)信機(jī)、功放以及濾波器等部分，其中功放的功耗占比最高[1]。經(jīng)過(guò)幾代無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，射頻模塊的效率在功放[2]、ASIC（專用集成電路）芯片以及DPD（數(shù)字預(yù)失真）算法技術(shù)[3]等各方面有極大提升，功放的效率已快逼近理論極限[4-7]，如圖2所示。射頻模塊效率的持續(xù)提升仍然重要，但是為了進(jìn)一步提升整個(gè)系統(tǒng)的效率，還必須尋找其他發(fā)力點(diǎn)。射頻饋線的效率取決于饋線的粗細(xì)和長(zhǎng)度，可以通過(guò)RRU靠近天線安裝或天線與RRU集成來(lái)減小饋線的損耗，業(yè)界已有相應(yīng)的產(chǎn)品形態(tài)。而基站天線作為無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的最前端，其效率仍有較大的提升空間。因此，基站天線效率的提升已成為未來(lái)持續(xù)降低系統(tǒng)功耗的重要發(fā)力點(diǎn)。

圖2 功放效率發(fā)展趨勢(shì)

天線效率除了上述定義，還與天線增益滿足如下關(guān)系式：

其中：G是天線增益（線性值），D是天線方向性系數(shù)（線性值）。在NGMN（下一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)）即將發(fā)布的P-BASTAWP12 標(biāo)準(zhǔn)文件中，給出了基站天線效率的標(biāo)準(zhǔn)定義：

其中：G和D分別是測(cè)量得到的基站天線增益（dBi）和方向性系數(shù)（dB）。根據(jù)此定義，基站天線效率是一個(gè)負(fù)的dB值，越接近零效率越高。基站天線效率與天線損耗的關(guān)系為：

2 基站天線效率的重要作用

2.1 基站天線效率對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的作用

從網(wǎng)絡(luò)性能的角度，高效率基站天線的收益可以有兩種不同的表現(xiàn)形式：一種是在天線方向圖不變的情況下，直接降低插損，帶來(lái)增益和覆蓋的提升，比如效率改善0.8 dB，那么增益和RSRP（參考信號(hào)接收功率）同樣改善0.8 dB；另一種適用于站間距小于1 000 m 的場(chǎng)景，在同等增益和方向圖水平面波束寬度的條件下，高效率基站天線可以實(shí)現(xiàn)更寬的方向圖垂直面波束寬度，從而提升小區(qū)的覆蓋能力。例如，在700 m 站間距、22 m 站高的場(chǎng)景下，傳統(tǒng)的效率70%（-1.55 dB）的基站天線的1.8/2.1/2.6 GHz 頻段陣列，為了實(shí)現(xiàn)較高的增益，垂直面波束寬度往往偏窄，從而影響小區(qū)覆蓋。如果換為同等增益和水平面波束寬度的效率85%（-0.71 dB）的基站天線，根據(jù)系統(tǒng)仿真結(jié)果：平均RSRP提高 0.77 dB；邊緣RSRP 提高1.52 dB。如果體現(xiàn)在小區(qū)覆蓋范圍上，將有10%以上的覆蓋半徑提升，如圖3 所示：

圖3 同等發(fā)射功率和增益，高效率天線可實(shí)現(xiàn)更好的小區(qū)覆蓋

2.2 基站天線效率對(duì)綠色節(jié)能的作用

從綠色節(jié)能的角度，采用高效率基站天線，可以通過(guò)降低RRU 發(fā)射功率來(lái)降低基站功耗而保持覆蓋不變，既能為運(yùn)營(yíng)商節(jié)省一筆可觀的電費(fèi)，又降低了碳排放。例如，效率85%（-0.71 dB）的天線與效率70%（-1.55 dB）的天線相比，可以降低18%的RRU 發(fā)射功率而保持覆蓋不變。以一個(gè)4×100 W RRU 為例，發(fā)射功率從4×100 W 降低到4×82 W，在典型負(fù)載條件下，可以降低功耗約80 Wh，每年大約節(jié)省700 度電。當(dāng)前供電成本占到了運(yùn)營(yíng)商OPEX（運(yùn)營(yíng)支出）的20%～40%，這個(gè)比例在5G 時(shí)代將進(jìn)一步提升，高效率基站天線將對(duì)運(yùn)營(yíng)商降低OPEX 起到關(guān)鍵作用。RRU 功耗降低的一個(gè)額外的好處是可以降低損壞的風(fēng)險(xiǎn)，增長(zhǎng)RRU的壽命。

3 基站天線效率的影響因素

基站天線效率是按信號(hào)從天線端口輸入到向外輻射的順序，主要包括以下四項(xiàng)影響因素：

（1）阻抗失配的損耗：當(dāng)阻抗不匹配時(shí)，傳輸?shù)纳漕l信號(hào)將產(chǎn)生部分反射，造成傳輸效率的下降。如天線端口VSWR（電壓駐波比）=1.5，對(duì)應(yīng)傳輸效率為96%，對(duì)天線效率的影響為0.18 dB。

（2）饋電網(wǎng)絡(luò)的插損：即從天線端口到天線輻射單元的整個(gè)射頻鏈路的插入損耗。插入損耗一般包含導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗、磁芯損耗和輻射損耗，其中導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗是基站天線的饋電網(wǎng)絡(luò)插損的主要組成部分。導(dǎo)體損耗主要取決于導(dǎo)體的表面電阻率和粗糙度，介質(zhì)損耗主要取決于介質(zhì)的介電常數(shù)和損耗角正切值。

（3）陣列互耦的損耗：同頻或異頻陣列間的相互耦合，尤其是距離較近的同頻陣列間的相互耦合，導(dǎo)致本陣列的輻射信號(hào)部分泄漏到其他陣列的網(wǎng)絡(luò)中而沒有有效地輻射。降低陣列互耦損耗的主要手段是提升各陣列之間的隔離度。

（4）天線罩的穿透損耗：天線罩對(duì)天線內(nèi)部起到防護(hù)效果，同時(shí)電磁波可穿透天線罩向外輻射，電磁波透過(guò)天線罩會(huì)有穿透損耗。影響天線罩穿透損耗的主要因素是天線罩材料的介電常數(shù)和損耗角正切值，還有天線罩的形狀和厚度。

以上四項(xiàng)基站天線效率的影響因素中，對(duì)于正常的端口VSWR<1.5 的天線，阻抗失配的損耗占比一般不大，而占比和改進(jìn)空間最大的是饋電網(wǎng)絡(luò)的插損。隨著天線集成的頻段數(shù)和通道數(shù)越來(lái)越多，陣列互耦對(duì)損耗的影響也越來(lái)越大。天線罩的穿透損耗與頻率相關(guān)，頻率越高，損耗越大。隨著更高頻譜的應(yīng)用，天線罩的穿透損耗不容忽視。

4 基站天線效率提升的技術(shù)方向

傳統(tǒng)基站天線的特點(diǎn)是：輻射單元、移相器，可能還包括功分器、合路器等，都是分立的部件，這些部件很多采用PCB 微帶線或帶狀線，并通過(guò)同軸線纜連接各個(gè)部件。無(wú)論是PCB 微帶線或帶狀線，還是同軸線纜，都包含介電損耗較大的介質(zhì)，造成較高的饋電網(wǎng)絡(luò)插損。針對(duì)以上問(wèn)題，華為公司開發(fā)了SDIF（Signal Direct Injection Feeding）架構(gòu)基站天線[8]，如圖4 所示，將輻射單元和饋電網(wǎng)絡(luò)一體化，減少連接數(shù)，形成直通的饋電網(wǎng)絡(luò)，并以空氣作為介質(zhì)的懸置帶線代替同軸線纜和PCB，使介質(zhì)損耗降到了最低，從而使饋電網(wǎng)絡(luò)的插損大幅降低。SDIF 技術(shù)是天線效率提升的關(guān)鍵。

圖4 SDIF技術(shù)示意圖

提升各陣列之間的隔離度一直是業(yè)界的難題和研究的熱點(diǎn)。目前主流的研究方向大致分為斬?cái)囫詈下窂降娜ヱ罴夹g(shù)和耦合對(duì)消技術(shù)。斬?cái)囫詈下窂降娜ヱ罴夹g(shù)，主要用在不同頻段的陣列間的去耦。例如將頻段A 的陣列加上Metasurface Cloaks 后，可以消除對(duì)頻段B 的陣列的耦合[9-10]。耦合對(duì)消技術(shù)又分為電路對(duì)消[11-13]和近場(chǎng)對(duì)消[14-15]，原理都是增加新的耦合路徑來(lái)對(duì)消原有的耦合，從而提升隔離度。其中電路對(duì)消技術(shù)可能帶來(lái)復(fù)雜度的提升和較高的插損，或者帶寬偏窄等問(wèn)題，相對(duì)來(lái)說(shuō)，近場(chǎng)對(duì)消技術(shù)在基站天線中有較好的應(yīng)用前景，如圖5 所示的ADS（Array-Antenna Decoupling Surface）加載的2×2 偶極子天線陣列[16]。

圖5 ADS加載的2×2偶極子天線陣列

除了一體化的SDIF 架構(gòu)以及低互耦的陣列設(shè)計(jì)以外，提升效率還可以從材料工藝入手。例如，常見的玻璃鋼材質(zhì)的天線罩介電常數(shù)和損耗角正切值都較高，穿透損耗不容忽視。華為公司開發(fā)的GFRPP（Glass Fiber Reinforced Polypropylene）天線罩[17]如圖6 所示，采用創(chuàng)新的低損復(fù)合材料能有效降低穿透損耗。

圖6 GFRPP天線罩透波性能優(yōu)于玻璃鋼天線罩

5 基站天線效率的測(cè)量方法

由式(5)和(6)可知，通過(guò)測(cè)試以下幾個(gè)物理量：輸入功率、輻射功率、增益以及方向性系數(shù)，可以計(jì)算天線效率。以上物理量都需要采用開放場(chǎng)測(cè)量，業(yè)界典型開放場(chǎng)測(cè)試系統(tǒng)[18-19]包括近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)、緊縮場(chǎng)、混響室[20]。其中遠(yuǎn)場(chǎng)、近場(chǎng)和緊縮場(chǎng)都是通過(guò)測(cè)量天線增益、方向性系數(shù)來(lái)計(jì)算評(píng)估天線效率；混響室通過(guò)測(cè)量輸入功率和輻射功率來(lái)評(píng)估天線效率。

5.1 基于方向圖測(cè)量的效率評(píng)估方法

基于輻射方向圖的天線效率評(píng)估方法需要準(zhǔn)確測(cè)量天線增益和方向性系數(shù)。

對(duì)于天線方向圖，工業(yè)界的通用方法如圖7所示。

圖7 方向圖測(cè)試場(chǎng)示意圖

天線的增益測(cè)量業(yè)界普遍采用增益比較法進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試計(jì)算過(guò)程如下：

步驟1（如圖8所示）：

圖8 增益比較法步驟1示意圖

步驟2（如圖9所示）：

圖9 增益比較法步驟2示意圖

步驟3：

從式(10)可以看出，增益比較法的增益測(cè)量精度與參考天線的增益精度強(qiáng)相關(guān)。

此外，要計(jì)算天線的方向性系數(shù)需要獲取天線的3D方向圖，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

其中：θ、φ分別為球坐標(biāo)系下的俯仰角和方位角；M、N分別為對(duì)應(yīng)球面坐標(biāo)系和的離散點(diǎn)數(shù)；P(?i,θj)為坐標(biāo)在(?i,θj)位置歸一化測(cè)量電平。

測(cè)得增益（dBi）和方向性系數(shù)（dB）后，由式(6)即可計(jì)算出天線效率（dB）。

對(duì)于業(yè)界普遍使用的多探頭球面近場(chǎng)，基于其封閉面測(cè)量原理，可以最高效地獲得3D遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖。而遠(yuǎn)場(chǎng)和緊縮場(chǎng)系統(tǒng)需要測(cè)試系統(tǒng)的轉(zhuǎn)臺(tái)具備3D旋轉(zhuǎn)采樣能力，當(dāng)前業(yè)界相對(duì)通用的遠(yuǎn)場(chǎng)3D采樣轉(zhuǎn)臺(tái)為U型架的形式（如圖10所示），并且需要按采樣間隔多次旋轉(zhuǎn)測(cè)試，測(cè)試效率相對(duì)較低。

圖10 遠(yuǎn)場(chǎng)3D采樣轉(zhuǎn)臺(tái)和坐標(biāo)示意圖

5.2 基于功率測(cè)量的效率評(píng)估方法

基于輸入功率和輻射功率來(lái)評(píng)估天線效率的混響室是在金屬腔中形成統(tǒng)計(jì)均勻電磁場(chǎng)，通過(guò)與已知效率天線的測(cè)量結(jié)果做對(duì)比來(lái)得到被測(cè)天線效率。其測(cè)試系統(tǒng)如圖11所示：

圖11 混響室測(cè)試系統(tǒng)示意圖

測(cè)量方法如下：將一個(gè)已知效率ηref的天線Aref與一個(gè)通用的接收天線ARx一起放在室內(nèi)。在參考天線被用作發(fā)射天線的情況下，接收天線的接收功率被測(cè)量，即Rref。參考天線被替換成被測(cè)天線，接收功率再次被測(cè)量，即RAUT。被測(cè)天線的效率由式(12) 給出：

上述方法的測(cè)量精度與場(chǎng)的均勻性和多點(diǎn)測(cè)量統(tǒng)計(jì)精度等相關(guān)。該方法在終端產(chǎn)品的效率測(cè)試中應(yīng)用較多，對(duì)于基站天線的效率也是一種潛在的測(cè)量方法，但效果尚未有結(jié)論。而方向圖測(cè)試技術(shù)已經(jīng)很成熟并且廣泛應(yīng)用，目前更適合采用基于方向圖測(cè)量的天線效率評(píng)估方法，其中多探頭球面近場(chǎng)由于其3D測(cè)量能力，測(cè)試效率相對(duì)較高。

6 結(jié)束語(yǔ)

基站天線的效率對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能和綠色節(jié)能都具有重要的作用，而天線效率仍有較大的提升空間，因此天線效率的提升已經(jīng)越來(lái)越受到業(yè)界的重視。為了進(jìn)一步促進(jìn)基站天線產(chǎn)業(yè)持續(xù)綠色健康地發(fā)展，讓提升天線效率成為國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)界的共識(shí)，將天線效率指標(biāo)納入行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)勢(shì)在必行。