“双碳战略”给移动通信天线产业带来的机遇和挑战

孙善球，林学进，王昊，赵娜

（1.京信通信技术（广州）有限公司，广东 广州 510663；2.中国信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

温室气体排放导致的气候变化是人类共同面临的难题，世界各国正以协约方式进行温室气体减排，我国“十四五规划”也将碳排放纳入十四五期间经济社会发展的重要考核指标，要求各行业优化产业结构和能源结构，深入推进低碳化转型。GSMA（全球移动通信协会）、ITU（国际电信联盟）提出，到2030年ICT行业需要减少45%的温室气体排放量，代表全球30%移动连接的29家运营商集团已经承诺将努力实现减排目标[1]。电信运营商的碳排放是以用电带来的间接排放为主，5G网络是电信运营商能耗的主要来源之一，5G网络80%以上的能耗源于基站系统，而基站系统能耗又主要来自于射频单元[2]。根据2020年国家能源局及运营商《企业社会责任发展报告》的公开数据，5G规模部署后我国电信运营商的用电增速显著增加，已远高于全社会均值，从用电增速角度来看，2030年实现碳达峰压力较大，若不加以干预，未来信息通信行业的能耗与碳排放增长的趋势将难以遏制[1]，实现绿色低碳发展将面临巨大挑战。

1 低碳化5G无线网络给天线行业带来新机遇

基于“场景化”覆盖需求，同时为有效应对5G建设成本高、运营成本高及低碳化转型面临的挑战[3]，全球5G无线网的建设思路总体呈现两种趋势：一是中低频协同组网；二是“基于场景，按需配置，兼顾全域覆盖、经济建设和环保低碳”[4]。其中最典型的建设思路是选用中低频4TR基站设备进行全网覆盖，形成5G的基础覆盖层；选用中高频段作为5G的容量层，其中热点场景叠加64TR或32TR的AAU，其他容量场景叠加8TR RRU+BSA。5G不同站型的功耗及性能对比见表1：

表1 5G不同站型的功耗及性能对比

在欧洲，Vodafone热点场景选用64TR AAU，中低容量场景选用8TR RRU+BSA，同时规划将LTE 700 M升级为5G，作为5G的基础覆盖层；在南美，Telecel为降低网络总体建设成本，热点场景选用3.5 G 32TR AAU，其他场景全部选用3.5 G 8TR RRU+BSA；在中国，三大运营商均选用中低频（Sub 2.5 GHz）4TR作为5G基础覆盖层，中高频（Sur 2.5 GHz）作为5G容量层，其中密集城区和热点场景叠加64TR或32TR AAU，其他容量场景叠加8TR RRU+BSA。

低碳化5G无线网络建设思路带来了传统BSA的持续需求，尤其是高阶的4G/5G（8TR）融合BSA，已成为全球运营商5G网络建设的主要形态之一。

2 低损高效绿色天线技术研究面临的挑战和进展

当主设备给天线的输入功率确定时，天线的增益和性能决定了无线网络的覆盖距离和覆盖质量[5]。在广覆盖场景，使用低损高效绿色天线可以实现同等输入功率下基站的覆盖范围更大，有利于降低基站站址密度；在容量和深度覆盖场景，使用低损高效绿色天线可以确保在同等覆盖范围内基站的输入功率更低，有利于降低基站能耗。低损高效绿色天线技术研究和商用将对“双碳战略”落地的具有重要意义。

业内关于低损高效绿色天线技术研究方向主要有天线阵列辐射效率和低损耗的馈电网络。其中，天线阵列辐射效率经过行业多年的研究和发展，技术已经相当成熟。而低损耗馈电网络因为实现成本相对较高，在竞争时往往因为此点处于劣势，导致业内在此技术领域投入动力不足，技术突破和商用化进程缓慢。但近年来随着空间损耗更大的中高频段投入商用以及环保和低碳的呼声越来越高，业内开始逐步关注低损高效绿色天线带来的社会效益以及其对降低整体无线网络TCO的正向贡献，低损高效绿色天线正逐步成为全球移动通信天线的研究热点。

馈电网络损耗降低的最有效方式是在馈电网络中使用空气介质传输线，以最大化地降低传输损耗。以 2 GHz频段18 dBi、20 dBi增益档的基站天线为例，馈电网络采用空气介质网络的插入损耗比普通同轴电缆或PCB网络可降低0.8～1.2 dB；就阵列天线而言，当天线增益超过20 dBi时，普通馈电网络的损耗会超过天线口径带来的正向增益贡献，此时空气介质网络是最佳解决方案。业内早期有采用空气介质传输线的一体化移相器馈电网络方案，其功分网络用多节导体段拼接实现阻抗匹配，但结构复杂，阻抗匹配灵活性低，设计和生产效率低。后来，业内有研究高集成方案将辐射单元、空气馈电传输线、移相器及天线反射板一体化设计，其中传输线、移相器腔体与天线反射板一体化拉挤成型。该方案的优点是可实现馈电网络损耗的大幅降低，实现了基站天线的低损耗与高增益特性，但不可避免地面临零部件加工精度求高、生产工艺复杂、生产效率明显下降等可生产性问题。如何在保证天线可生产性和成本合理增长的同时实现低损耗高增益成为业界难题。

随着业界对低损高效绿色天线的关注和研发投入的加大，已经找到一些有效的创新解决方案，比如京信提出的“PIN to PIN（低插损模块化集成）方案”，即将低插损的移相器和馈电网络集成、高辐射效率辐射单元和低插损馈线集成等。虽然低损高效绿色天线的技术实现了突破，但距离规模商用还有距离，这不仅仅需要天线厂家持续的研发投入，还需要产业链上下游的支持，尤其是电信运营商的支持。

3 天线产业链低碳环保面临的挑战和技术研究进展

移动通信基站天线从材质选择方面可分为金属材料和非金属材料两大类，金属材料包括铝、铜、锡、钢等，非金属材料主要为塑料[6]。在加工工艺方面，主要涉及冲压、挤压、压铸、注塑、挤出、拉挤及表面电镀等。目前，除金属材料的表面电镀、天线罩的制程和回收处理外，其他部分的工艺制程和报废回收，经过多年的努力均已实现低碳环保。因此，金属材料的表面电镀工艺和天线罩的选材及制程成为天线产业环保低碳研究的重点。

金属材料在表面电镀过程中，会产生大量含有重金属的废水、废泥以及酸性废气等重度污染物，极易造成严重的环境污染，而移动通信天线产业的上游电镀企业多数规模较小，在污染物处理方面的技术能力和管理水平不足，成为环保方面监管和督查的重点[7]。随着国家对环境保护的重视和监管的加强，上游电镀行业也正朝着环保方向努力。比如，业内正在研究和引入新型环保电镀技术来取代传统电镀技术，如真空镀、PVD（物理气相沉淀）技术等；各地政府正筹划建立专业的电镀产业园，引导电镀企业向产业园集聚，集中解决电镀“三废”的环保处理问题[8]；电镀企业也在主动适应环保要求，开展装备升级和工艺优化工作，以减少污染物的排放和提高污染物的环保处理能力。但是，电镀污染物的成分复杂，环保处理难度大，不但面临着诸多技术难题，同时也需要企业大量的资金投入，这必然使得电镀生产成本大幅上升。因此，解决电镀行业的环保问题除了电镀企业自身努力外，还需要产业链的大力支持。

传统天线罩一般选用玻璃钢或UPVC材料，玻璃钢天线罩在产品生命期末期的回收和再利用难度极大，目前主要采取焚烧和填埋等处理方式，均会造成很大的环境污染[9]；而UPVC天线罩在成型过程中会释放出HCl气体，不仅会腐蚀模具，也对人体有害[10]。因此，业内正在研究和开发一种低介电常数的轻型环保天线罩，该材料采用改性热塑性增强塑料和复合挤出一体化成型工艺，生产过程全程无污染，且容易回收和再利用，具备全生命周期环保的特性。同时，结构上也采用创新设计，分为辐射面和非辐射面，辐射面如图1上半部分，采用发泡结构，具有低介电常数、低损耗、低密度等优点，可以提高电磁波的传输效率，降低天线罩对天线辐射性能的影响；非辐射面如图1下半部分，为实心结构，满足天线安装及使用中的强度及可靠性要求。同时，此天线罩的综合密度低，相比传统玻璃钢、UPVC天线罩重量轻约25%～30%，有利于实现天线的轻量化，极大提升了工程安装的便利性。目前，此类轻型环保天线罩技术上已经成熟，已经具备批量生产和规模商用的条件，但如何快速规模商用需要业界关注、支持和推动。不同材质天线罩的环保特性对比见表2，不同材质天线罩的介电常数和密度对比见表3。

图1 轻型环保天线罩截面

表2 不同材质天线罩的环保特性对比

表3 不同材质天线罩的介电常数和密度对比

4 结束语

在国家“双碳战略”背景下，5G网络低碳化转型成为重要趋势，本文主要阐述了5G网络低碳化转型给移动通信天线产业带来的新机遇，重点分析了低碳化5G无线网部署的移动通信天线产品形态，低损高效绿色天线和天线低碳环保所面临的挑战以及技术发展方向，为助力运营商在十四五期间落地国家“双碳战略”、构建低碳环保的5G网络提供解决方案。这一系列解决方案的落地实施，不仅仅需要天线厂家的研发投入和技术创新，还需要产业链上下游的共同努力，更需要电信运营商积极倡导和政策支持，为加快创新技术的落地实施和规模应用创造有利条件。