“雙碳戰略”給移動通信天線產業帶來的機遇和挑戰

孫善球，林學進，王昊，趙娜

（1.京信通信技術（廣州）有限公司，廣東 廣州 510663；2.中國信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

溫室氣體排放導致的氣候變化是人類共同面臨的難題，世界各國正以協約方式進行溫室氣體減排，我國“十四五規劃”也將碳排放納入十四五期間經濟社會發展的重要考核指標，要求各行業優化產業結構和能源結構，深入推進低碳化轉型。GSMA（全球移動通信協會）、ITU（國際電信聯盟）提出，到2030年ICT行業需要減少45%的溫室氣體排放量，代表全球30%移動連接的29家運營商集團已經承諾將努力實現減排目標[1]。電信運營商的碳排放是以用電帶來的間接排放為主，5G網絡是電信運營商能耗的主要來源之一，5G網絡80%以上的能耗源于基站系統，而基站系統能耗又主要來自于射頻單元[2]。根據2020年國家能源局及運營商《企業社會責任發展報告》的公開數據，5G規模部署后我國電信運營商的用電增速顯著增加，已遠高于全社會均值，從用電增速角度來看，2030年實現碳達峰壓力較大，若不加以干預，未來信息通信行業的能耗與碳排放增長的趨勢將難以遏制[1]，實現綠色低碳發展將面臨巨大挑戰。

1 低碳化5G無線網絡給天線行業帶來新機遇

基于“場景化”覆蓋需求，同時為有效應對5G建設成本高、運營成本高及低碳化轉型面臨的挑戰[3]，全球5G無線網的建設思路總體呈現兩種趨勢：一是中低頻協同組網；二是“基于場景，按需配置，兼顧全域覆蓋、經濟建設和環保低碳”[4]。其中最典型的建設思路是選用中低頻4TR基站設備進行全網覆蓋，形成5G的基礎覆蓋層；選用中高頻段作為5G的容量層，其中熱點場景疊加64TR或32TR的AAU，其他容量場景疊加8TR RRU+BSA。5G不同站型的功耗及性能對比見表1：

表1 5G不同站型的功耗及性能對比

在歐洲，Vodafone熱點場景選用64TR AAU，中低容量場景選用8TR RRU+BSA，同時規劃將LTE 700 M升級為5G，作為5G的基礎覆蓋層；在南美，Telecel為降低網絡總體建設成本，熱點場景選用3.5 G 32TR AAU，其他場景全部選用3.5 G 8TR RRU+BSA；在中國，三大運營商均選用中低頻（Sub 2.5 GHz）4TR作為5G基礎覆蓋層，中高頻（Sur 2.5 GHz）作為5G容量層，其中密集城區和熱點場景疊加64TR或32TR AAU，其他容量場景疊加8TR RRU+BSA。

低碳化5G無線網絡建設思路帶來了傳統BSA的持續需求，尤其是高階的4G/5G（8TR）融合BSA，已成為全球運營商5G網絡建設的主要形態之一。

2 低損高效綠色天線技術研究面臨的挑戰和進展

當主設備給天線的輸入功率確定時，天線的增益和性能決定了無線網絡的覆蓋距離和覆蓋質量[5]。在廣覆蓋場景，使用低損高效綠色天線可以實現同等輸入功率下基站的覆蓋范圍更大，有利于降低基站站址密度；在容量和深度覆蓋場景，使用低損高效綠色天線可以確保在同等覆蓋范圍內基站的輸入功率更低，有利于降低基站能耗。低損高效綠色天線技術研究和商用將對“雙碳戰略”落地的具有重要意義。

業內關于低損高效綠色天線技術研究方向主要有天線陣列輻射效率和低損耗的饋電網絡。其中，天線陣列輻射效率經過行業多年的研究和發展，技術已經相當成熟。而低損耗饋電網絡因為實現成本相對較高，在競爭時往往因為此點處于劣勢，導致業內在此技術領域投入動力不足，技術突破和商用化進程緩慢。但近年來隨著空間損耗更大的中高頻段投入商用以及環保和低碳的呼聲越來越高，業內開始逐步關注低損高效綠色天線帶來的社會效益以及其對降低整體無線網絡TCO的正向貢獻，低損高效綠色天線正逐步成為全球移動通信天線的研究熱點。

饋電網絡損耗降低的最有效方式是在饋電網絡中使用空氣介質傳輸線，以最大化地降低傳輸損耗。以 2 GHz頻段18 dBi、20 dBi增益檔的基站天線為例，饋電網絡采用空氣介質網絡的插入損耗比普通同軸電纜或PCB網絡可降低0.8～1.2 dB；就陣列天線而言，當天線增益超過20 dBi時，普通饋電網絡的損耗會超過天線口徑帶來的正向增益貢獻，此時空氣介質網絡是最佳解決方案。業內早期有采用空氣介質傳輸線的一體化移相器饋電網絡方案，其功分網絡用多節導體段拼接實現阻抗匹配，但結構復雜，阻抗匹配靈活性低，設計和生產效率低。后來，業內有研究高集成方案將輻射單元、空氣饋電傳輸線、移相器及天線反射板一體化設計，其中傳輸線、移相器腔體與天線反射板一體化拉擠成型。該方案的優點是可實現饋電網絡損耗的大幅降低，實現了基站天線的低損耗與高增益特性，但不可避免地面臨零部件加工精度求高、生產工藝復雜、生產效率明顯下降等可生產性問題。如何在保證天線可生產性和成本合理增長的同時實現低損耗高增益成為業界難題。

隨著業界對低損高效綠色天線的關注和研發投入的加大，已經找到一些有效的創新解決方案，比如京信提出的“PIN to PIN（低插損模塊化集成）方案”，即將低插損的移相器和饋電網絡集成、高輻射效率輻射單元和低插損饋線集成等。雖然低損高效綠色天線的技術實現了突破，但距離規模商用還有距離，這不僅僅需要天線廠家持續的研發投入，還需要產業鏈上下游的支持，尤其是電信運營商的支持。

3 天線產業鏈低碳環保面臨的挑戰和技術研究進展

移動通信基站天線從材質選擇方面可分為金屬材料和非金屬材料兩大類，金屬材料包括鋁、銅、錫、鋼等，非金屬材料主要為塑料[6]。在加工工藝方面，主要涉及沖壓、擠壓、壓鑄、注塑、擠出、拉擠及表面電鍍等。目前，除金屬材料的表面電鍍、天線罩的制程和回收處理外，其他部分的工藝制程和報廢回收，經過多年的努力均已實現低碳環保。因此，金屬材料的表面電鍍工藝和天線罩的選材及制程成為天線產業環保低碳研究的重點。

金屬材料在表面電鍍過程中，會產生大量含有重金屬的廢水、廢泥以及酸性廢氣等重度污染物，極易造成嚴重的環境污染，而移動通信天線產業的上游電鍍企業多數規模較小，在污染物處理方面的技術能力和管理水平不足，成為環保方面監管和督查的重點[7]。隨著國家對環境保護的重視和監管的加強，上游電鍍行業也正朝著環保方向努力。比如，業內正在研究和引入新型環保電鍍技術來取代傳統電鍍技術，如真空鍍、PVD（物理氣相沉淀）技術等；各地政府正籌劃建立專業的電鍍產業園，引導電鍍企業向產業園集聚，集中解決電鍍“三廢”的環保處理問題[8]；電鍍企業也在主動適應環保要求，開展裝備升級和工藝優化工作，以減少污染物的排放和提高污染物的環保處理能力。但是，電鍍污染物的成分復雜，環保處理難度大，不但面臨著諸多技術難題，同時也需要企業大量的資金投入，這必然使得電鍍生產成本大幅上升。因此，解決電鍍行業的環保問題除了電鍍企業自身努力外，還需要產業鏈的大力支持。

傳統天線罩一般選用玻璃鋼或UPVC材料，玻璃鋼天線罩在產品生命期末期的回收和再利用難度極大，目前主要采取焚燒和填埋等處理方式，均會造成很大的環境污染[9]；而UPVC天線罩在成型過程中會釋放出HCl氣體，不僅會腐蝕模具，也對人體有害[10]。因此，業內正在研究和開發一種低介電常數的輕型環保天線罩，該材料采用改性熱塑性增強塑料和復合擠出一體化成型工藝，生產過程全程無污染，且容易回收和再利用，具備全生命周期環保的特性。同時，結構上也采用創新設計，分為輻射面和非輻射面，輻射面如圖1上半部分，采用發泡結構，具有低介電常數、低損耗、低密度等優點，可以提高電磁波的傳輸效率，降低天線罩對天線輻射性能的影響；非輻射面如圖1下半部分，為實心結構，滿足天線安裝及使用中的強度及可靠性要求。同時，此天線罩的綜合密度低，相比傳統玻璃鋼、UPVC天線罩重量輕約25%～30%，有利于實現天線的輕量化，極大提升了工程安裝的便利性。目前，此類輕型環保天線罩技術上已經成熟，已經具備批量生產和規模商用的條件，但如何快速規模商用需要業界關注、支持和推動。不同材質天線罩的環保特性對比見表2，不同材質天線罩的介電常數和密度對比見表3。

圖1 輕型環保天線罩截面

表2 不同材質天線罩的環保特性對比

表3 不同材質天線罩的介電常數和密度對比

4 結束語

在國家“雙碳戰略”背景下，5G網絡低碳化轉型成為重要趨勢，本文主要闡述了5G網絡低碳化轉型給移動通信天線產業帶來的新機遇，重點分析了低碳化5G無線網部署的移動通信天線產品形態，低損高效綠色天線和天線低碳環保所面臨的挑戰以及技術發展方向，為助力運營商在十四五期間落地國家“雙碳戰略”、構建低碳環保的5G網絡提供解決方案。這一系列解決方案的落地實施，不僅僅需要天線廠家的研發投入和技術創新，還需要產業鏈上下游的共同努力，更需要電信運營商積極倡導和政策支持，為加快創新技術的落地實施和規模應用創造有利條件。