基站天线效率相关技术研究

刘旭

（华为技术有限公司，广东 深圳 518129）

0 引言

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。

1 无线基站射频系统和天线的效率

在5G时代，无线基站射频系统的功耗是整个无线通信网络功耗的最主要贡献者。无线基站射频系统的功耗主要由三部分的效率决定：射频模块（RRU，射频拉远单元）的效率η1、射频馈线的效率η2、天线的效率η3，如图1所示：

图1 无线基站射频系统的效率

图1 中：

射频模块主要包括数字中频、收发信机、功放以及滤波器等部分，其中功放的功耗占比最高[1]。经过几代无线通信技术的发展，射频模块的效率在功放[2]、ASIC（专用集成电路）芯片以及DPD（数字预失真）算法技术[3]等各方面有极大提升，功放的效率已快逼近理论极限[4-7]，如图2所示。射频模块效率的持续提升仍然重要，但是为了进一步提升整个系统的效率，还必须寻找其他发力点。射频馈线的效率取决于馈线的粗细和长度，可以通过RRU靠近天线安装或天线与RRU集成来减小馈线的损耗，业界已有相应的产品形态。而基站天线作为无线通信网络的最前端，其效率仍有较大的提升空间。因此，基站天线效率的提升已成为未来持续降低系统功耗的重要发力点。

图2 功放效率发展趋势

天线效率除了上述定义，还与天线增益满足如下关系式：

其中：G是天线增益（线性值），D是天线方向性系数（线性值）。在NGMN（下一代移动网络）即将发布的P-BASTAWP12 标准文件中，给出了基站天线效率的标准定义：

其中：G和D分别是测量得到的基站天线增益（dBi）和方向性系数（dB）。根据此定义，基站天线效率是一个负的dB值，越接近零效率越高。基站天线效率与天线损耗的关系为：

2 基站天线效率的重要作用

2.1 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0.8 dB，那么增益和RSRP（参考信号接收功率）同样改善0.8 dB；另一种适用于站间距小于1 000 m 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700 m 站间距、22 m 站高的场景下，传统的效率70%（-1.55 dB）的基站天线的1.8/2.1/2.6 GHz 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%（-0.71 dB）的基站天线，根据系统仿真结果：平均RSRP提高 0.77 dB；边缘RSRP 提高1.52 dB。如果体现在小区覆盖范围上，将有10%以上的覆盖半径提升，如图3 所示：

图3 同等发射功率和增益，高效率天线可实现更好的小区覆盖

2.2 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%（-0.71 dB）的天线与效率70%（-1.55 dB）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4×100 W RRU 为例，发射功率从4×100 W 降低到4×82 W，在典型负载条件下，可以降低功耗约80 Wh，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 基站天线效率的影响因素

基站天线效率是按信号从天线端口输入到向外辐射的顺序，主要包括以下四项影响因素：

（1）阻抗失配的损耗：当阻抗不匹配时，传输的射频信号将产生部分反射，造成传输效率的下降。如天线端口VSWR（电压驻波比）=1.5，对应传输效率为96%，对天线效率的影响为0.18 dB。

（2）馈电网络的插损：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。插入损耗一般包含导体损耗、介质损耗、磁芯损耗和辐射损耗，其中导体损耗和介质损耗是基站天线的馈电网络插损的主要组成部分。导体损耗主要取决于导体的表面电阻率和粗糙度，介质损耗主要取决于介质的介电常数和损耗角正切值。

（3）阵列互耦的损耗：同频或异频阵列间的相互耦合，尤其是距离较近的同频阵列间的相互耦合，导致本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地辐射。降低阵列互耦损耗的主要手段是提升各阵列之间的隔离度。

（4）天线罩的穿透损耗：天线罩对天线内部起到防护效果，同时电磁波可穿透天线罩向外辐射，电磁波透过天线罩会有穿透损耗。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值，还有天线罩的形状和厚度。

以上四项基站天线效率的影响因素中，对于正常的端口VSWR<1.5 的天线，阻抗失配的损耗占比一般不大，而占比和改进空间最大的是馈电网络的插损。随着天线集成的频段数和通道数越来越多，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相关，频率越高，损耗越大。随着更高频谱的应用，天线罩的穿透损耗不容忽视。

4 基站天线效率提升的技术方向

传统基站天线的特点是：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（Signal Direct Injection Feeding）架构基站天线[8]，如图4 所示，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。

图4 SDIF技术示意图

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Metasurface Cloaks 后，可以消除对频段B 的阵列的耦合[9-10]。耦合对消技术又分为电路对消[11-13]和近场对消[14-15]，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，近场对消技术在基站天线中有较好的应用前景，如图5 所示的ADS（Array-Antenna Decoupling Surface）加载的2×2 偶极子天线阵列[16]。

图5 ADS加载的2×2偶极子天线阵列

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（Glass Fiber Reinforced Polypropylene）天线罩[17]如图6 所示，采用创新的低损复合材料能有效降低穿透损耗。

图6 GFRPP天线罩透波性能优于玻璃钢天线罩

5 基站天线效率的测量方法

由式(5)和(6)可知，通过测试以下几个物理量：输入功率、辐射功率、增益以及方向性系数，可以计算天线效率。以上物理量都需要采用开放场测量，业界典型开放场测试系统[18-19]包括近场、远场、紧缩场、混响室[20]。其中远场、近场和紧缩场都是通过测量天线增益、方向性系数来计算评估天线效率；混响室通过测量输入功率和辐射功率来评估天线效率。

5.1 基于方向图测量的效率评估方法

基于辐射方向图的天线效率评估方法需要准确测量天线增益和方向性系数。

对于天线方向图，工业界的通用方法如图7所示。

图7 方向图测试场示意图

天线的增益测量业界普遍采用增益比较法进行测试，其测试计算过程如下：

步骤1（如图8所示）：

图8 增益比较法步骤1示意图

步骤2（如图9所示）：

图9 增益比较法步骤2示意图

步骤3：

从式(10)可以看出，增益比较法的增益测量精度与参考天线的增益精度强相关。

此外，要计算天线的方向性系数需要获取天线的3D方向图，其数学表达式如下：

其中：θ、φ分别为球坐标系下的俯仰角和方位角；M、N分别为对应球面坐标系和的离散点数；P(ϕi,θj)为坐标在(ϕi,θj)位置归一化测量电平。

测得增益（dBi）和方向性系数（dB）后，由式(6)即可计算出天线效率（dB）。

对于业界普遍使用的多探头球面近场，基于其封闭面测量原理，可以最高效地获得3D远场方向图。而远场和紧缩场系统需要测试系统的转台具备3D旋转采样能力，当前业界相对通用的远场3D采样转台为U型架的形式（如图10所示），并且需要按采样间隔多次旋转测试，测试效率相对较低。

图10 远场3D采样转台和坐标示意图

5.2 基于功率测量的效率评估方法

基于输入功率和辐射功率来评估天线效率的混响室是在金属腔中形成统计均匀电磁场，通过与已知效率天线的测量结果做对比来得到被测天线效率。其测试系统如图11所示：

图11 混响室测试系统示意图

测量方法如下：将一个已知效率ηref的天线Aref与一个通用的接收天线ARx一起放在室内。在参考天线被用作发射天线的情况下，接收天线的接收功率被测量，即Rref。参考天线被替换成被测天线，接收功率再次被测量，即RAUT。被测天线的效率由式(12) 给出：

上述方法的测量精度与场的均匀性和多点测量统计精度等相关。该方法在终端产品的效率测试中应用较多，对于基站天线的效率也是一种潜在的测量方法，但效果尚未有结论。而方向图测试技术已经很成熟并且广泛应用，目前更适合采用基于方向图测量的天线效率评估方法，其中多探头球面近场由于其3D测量能力，测试效率相对较高。

6 结束语

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。