劉旭

（華為技術有限公司，廣東 深圳 518129）

0 引言

隨著無線通信行業(yè)的迅猛發(fā)展，在實現(xiàn)大規(guī)模的移動寬帶連接以及5G 時代的各種新應用的同時，通信系統(tǒng)的能耗也越來越高。而在我國“十四五”規(guī)劃明確提出“碳達峰”和“碳中和”發(fā)展戰(zhàn)略的背景下，無線通信網(wǎng)絡的綠色節(jié)能勢在必行，通信系統(tǒng)的能效成為關鍵指標。同時，5G 時代對網(wǎng)絡性能的不斷追求，也需要無線基站射頻系統(tǒng)和天線不斷提升效率，從而實現(xiàn)更好的網(wǎng)絡覆蓋性能。

1 無線基站射頻系統(tǒng)和天線的效率

在5G時代，無線基站射頻系統(tǒng)的功耗是整個無線通信網(wǎng)絡功耗的最主要貢獻者。無線基站射頻系統(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、功放以及濾波器等部分，其中功放的功耗占比最高[1]。經(jīng)過幾代無線通信技術的發(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)字預失真）算法技術[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，但是為了進一步提升整個系統(tǒng)的效率，還必須尋找其他發(fā)力點。射頻饋線的效率取決于饋線的粗細和長度，可以通過RRU靠近天線安裝或天線與RRU集成來減小饋線的損耗，業(yè)界已有相應的產(chǎn)品形態(tài)。而基站天線作為無線通信網(wǎng)絡的最前端，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持續(xù)降低系統(tǒng)功耗的重要發(fā)力點。

圖2 功放效率發(fā)展趨勢

天線效率除了上述定義，還與天線增益滿足如下關系式：

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（下一代移動網(wǎng)絡）即將發(fā)布的P-BASTAWP12 標準文件中，給出了基站天線效率的標準定義：

其中：G和D分別是測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負的dB值，越接近零效率越高?；咎炀€效率與天線損耗的關系為：

2 基站天線效率的重要作用

2.1 基站天線效率對網(wǎng)絡性能的作用

從網(wǎng)絡性能的角度，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，高效率天線可實現(xiàn)更好的小區(qū)覆蓋

2.2 基站天線效率對綠色節(jié)能的作用

從綠色節(jié)能的角度，采用高效率基站天線，可以通過降低RRU 發(fā)射功率來降低基站功耗而保持覆蓋不變，既能為運營商節(jié)省一筆可觀的電費，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，在典型負載條件下，可以降低功耗約80 Wh，每年大約節(jié)省700 度電。當前供電成本占到了運營商OPEX（運營支出）的20%～40%，這個比例在5G 時代將進一步提升，高效率基站天線將對運營商降低OPEX 起到關鍵作用。RRU 功耗降低的一個額外的好處是可以降低損壞的風險，增長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從天線端口輸入到向外輻射的順序，主要包括以下四項影響因素：

（1）阻抗失配的損耗：當阻抗不匹配時，傳輸?shù)纳漕l信號將產(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，對應傳輸效率為96%，對天線效率的影響為0.18 dB。

（2）饋電網(wǎng)絡的插損：即從天線端口到天線輻射單元的整個射頻鏈路的插入損耗。插入損耗一般包含導體損耗、介質(zhì)損耗、磁芯損耗和輻射損耗，其中導體損耗和介質(zhì)損耗是基站天線的饋電網(wǎng)絡插損的主要組成部分。導體損耗主要取決于導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，導致本陣列的輻射信號部分泄漏到其他陣列的網(wǎng)絡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：天線罩對天線內(nèi)部起到防護效果，同時電磁波可穿透天線罩向外輻射，電磁波透過天線罩會有穿透損耗。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。

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

4 基站天線效率提升的技術方向

傳統(tǒng)基站天線的特點是：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，并通過同軸線纜連接各個部件。無論是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)絡插損。針對以上問題，華為公司開發(fā)了SDIF（Signal Direct Injection Feeding）架構基站天線[8]，如圖4 所示，將輻射單元和饋電網(wǎng)絡一體化，減少連接數(shù)，形成直通的饋電網(wǎng)絡，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)絡的插損大幅降低。SDIF 技術是天線效率提升的關鍵。

圖4 SDIF技術示意圖

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。目前主流的研究方向大致分為斬斷耦合路徑的去耦技術和耦合對消技術。斬斷耦合路徑的去耦技術，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，可以消除對頻段B 的陣列的耦合[9-10]。耦合對消技術又分為電路對消[11-13]和近場對消[14-15]，原理都是增加新的耦合路徑來對消原有的耦合，從而提升隔離度。其中電路對消技術可能帶來復雜度的提升和較高的插損，或者帶寬偏窄等問題，相對來說，近場對消技術在基站天線中有較好的應用前景，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 架構以及低互耦的陣列設計以外，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 基站天線效率的測量方法

由式(5)和(6)可知，通過測試以下幾個物理量：輸入功率、輻射功率、增益以及方向性系數(shù)，可以計算天線效率。以上物理量都需要采用開放場測量，業(yè)界典型開放場測試系統(tǒng)[18-19]包括近場、遠場、緊縮場、混響室[20]。其中遠場、近場和緊縮場都是通過測量天線增益、方向性系數(shù)來計算評估天線效率；混響室通過測量輸入功率和輻射功率來評估天線效率。

5.1 基于方向圖測量的效率評估方法

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

對于天線方向圖，工業(yè)界的通用方法如圖7所示。

圖7 方向圖測試場示意圖

天線的增益測量業(yè)界普遍采用增益比較法進行測試，其測試計算過程如下：

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量精度與參考天線的增益精度強相關。

此外，要計算天線的方向性系數(shù)需要獲取天線的3D方向圖，其數(shù)學表達式如下：

其中：θ、φ分別為球坐標系下的俯仰角和方位角；M、N分別為對應球面坐標系和的離散點數(shù)；P(?i,θj)為坐標在(?i,θj)位置歸一化測量電平。

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

對于業(yè)界普遍使用的多探頭球面近場，基于其封閉面測量原理，可以最高效地獲得3D遠場方向圖。而遠場和緊縮場系統(tǒng)需要測試系統(tǒng)的轉臺具備3D旋轉采樣能力，當前業(yè)界相對通用的遠場3D采樣轉臺為U型架的形式（如圖10所示），并且需要按采樣間隔多次旋轉測試，測試效率相對較低。

圖10 遠場3D采樣轉臺和坐標示意圖

5.2 基于功率測量的效率評估方法

基于輸入功率和輻射功率來評估天線效率的混響室是在金屬腔中形成統(tǒng)計均勻電磁場，通過與已知效率天線的測量結果做對比來得到被測天線效率。其測試系統(tǒng)如圖11所示：

圖11 混響室測試系統(tǒng)示意圖

測量方法如下：將一個已知效率ηref的天線Aref與一個通用的接收天線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量，即Rref。參考天線被替換成被測天線，接收功率再次被測量，即RAUT。被測天線的效率由式(12) 給出：

上述方法的測量精度與場的均勻性和多點測量統(tǒng)計精度等相關。該方法在終端產(chǎn)品的效率測試中應用較多，對于基站天線的效率也是一種潛在的測量方法，但效果尚未有結論。而方向圖測試技術已經(jīng)很成熟并且廣泛應用，目前更適合采用基于方向圖測量的天線效率評估方法，其中多探頭球面近場由于其3D測量能力，測試效率相對較高。

6 結束語

基站天線的效率對網(wǎng)絡性能和綠色節(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)越來越受到業(yè)界的重視。為了進一步促進基站天線產(chǎn)業(yè)持續(xù)綠色健康地發(fā)展，讓提升天線效率成為國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界的共識，將天線效率指標納入行業(yè)標準勢在必行。