引言 21.大规模阵列架构与技术演进 41.1.数模正交架构与实现 41.2.阵列分组复用 51.3.电磁超材料技术应用 62.绿色高效天线技术 72.1.设计中的绿色高效技术 72.2.生产中的绿色环保技术 92.3.绿色高效天线指标评价体系 103.多元化深度覆盖天线方案 133.1.城区室内场景 143.2.农村低容量场景 203.3.交通场景 213.4.海域场景 253.5.空天地一体化场景 273.6.透镜天线应用 293.7.智能化调控应用 304.前沿技术展望 324.1.介质天线 324.2.液晶相控阵天线 324.3.液态金属天线 334.4.稀疏阵技术 344.5.轨道⻆动量天线 344.6.信息超材料 35结语 35参考文献 36⺫录 引言 进入5G时代以后，融合了射频和天线功能的大规模阵列产品（Massive MIMO）成为基站无线设备的主流形态，产品形态的变化对基站天线技术和产业的发展都产生了深远的影响。在技术方面，通信制式的发展促使对基站天线的需求向五个方向转变：从宽波束向窄波束转变，从单波束向多波束转变，从小阵列向大阵列转变，从单频段向多频段转变，从静态覆盖向动态扫描转变。在产业方面，天线形态和需求的转变也促使传统天线产业革新生产技术，研发新材料和新工艺，推出塑料一体化振子、天线滤波器一体化等创新方案，同时也更加注重产品的集成化、小型化和轻量化，以适应新技术新形态新需求。 5G NR将干播信道定义为多个可动态扫描的SSB，使干播波束也可以像业务波束一样成为窄波束，利用窄波束提高天线波束的增益，增强基站的覆盖能力；而随着频率的不断升高，传播和穿透的损耗显著增加，与提升射频发射功率等其他方法相比，提升天线增益仍是同时改善上下行能力中最具性价比的方法，同时也是降低基站设备功耗，实现绿色5G双碳⺫标的重要途径。因此可以预⻅，天线阵列的规模还会越来越大，波束也会越来越窄。另一方面，窄波束的组⺴方式也促进了⺴络的精细化设计，针对立体覆盖的差异化需求，天线波束的数量、层数、宽度及分布等都可以进行针对性的设计，以增强基站的覆盖质量；与之对应地，波束的灵活性和多样化又给⺴络的运维优化提出了巨大挑战，需要基站天线的调整能够更加智能、更加高效。这将使得基站系统与天线间的耦合越来越紧密，天线的设计需要与系统协同进行。为了增强天线的实时调控能力，天线也在阵列中引入越来越多的数字器件，形成如数模正交新架构，和基带数字通道一起塑造天线的波束赋形能力。可以说，波束更窄、增益（效率）更高、覆盖更准、赋形更智，是⺴络演进对天线技术提出的⻓期需求。 从应用的角度来看，5G将移动通信的⺴络覆盖延伸到了前所未有的范围，上至航线，下至矿井，远至深海，天线的场景化应用需求也越来越丰富，基站天线切实发挥了5G触角的作用。根据不同场景的环境特征与覆盖需求，设计针对性的天线方案，并与5G NR特性相结合，场景化的天线设计可以比4G时代的特型天线更进一步，成为5G精准覆盖的高性价比方案。在这些多元化的解决方案中，一些采用了新材料、新技术、新形态的天线方案也受到越来越多的关注。如采用了人工可控介电常数材料的透镜天线，发挥了介质损耗低、聚焦能力强等特色，在⺴络中逐步获得了应用。再如透明材料天线，通过新型高透导电材料的应用，不仅提高了天线部署的环境适应性，还使得天线在玻璃、⻋窗等特殊载体上应用成为可能，并拓展出了频率选择表面、波束增透等新应用方向。这些新材料、新技术、新形态的出现，拓展了5G⺴络的覆盖干度，也为天线产业的发展打开了新的窗口。 随着双碳战略的发布和实施，绿色低碳也将成为天线技术和产业发展的重要驱动力。5G基站的能耗问题在建设初期引起了各方的关注，运营商和产业也在不断提出新的技术方案，持续推动基站设备的节能降耗。基站天线作为无线能量转换的媒介，也越来越需要考虑生产和应用中的碳排放和能量损耗，需要从设计、生产和2 应用等各个环节开展研究和技术革新，以适应绿色低碳的时代要求，保持和提高天线行业的全球⻓期竞争力。 本白皮书将着眼于上述演进需求和新技术方向，对后5G时代基站天线的能力要求、关键技术和推进方向进行初步阐述，希望能够为产业在规划设计产品和解决方案时提供参考。第一章阐述大规模阵列天线的架构和技术演进；第二章从绿色低碳的需求视角描述天线的设计、生产和指标评价体系；第三章探讨场景化应用对天线的需求和创新方向；第四章对天线的前沿技术进行展望。 3 1.大规模阵列架构与技术演进 1.1.数模正交架构与实现 大规模阵列是进入5G以后基站天线的主流演进方向。大规模阵列是天线覆盖能力提升的主要方式，其对天线波束的精准调控能力也是⺴络精细优化的基础。扩大阵列规模虽然是实现天线增益提升的直接手段，但受限于成本、系统复杂度等方面，基带的数字通道数却难以随着模拟域的振子数量线性增加；单个数字通道对应越来越多权值固定的振子，又将导致波束的调整能力下降。为了解决这一矛盾，就需要在阵列架构上做出改变。对此，中国移动提出了数模正交架构的新概念，通过在模拟域的移相器中引入数字化器件和技术，使单个数字通道内的各个振子也可以实现快速、高效地调控，增强模拟域的波束调整能力，和已有的数字通道共同形成天线阵列的波束调控方案。这一架构改变了波束调控只在基带数字域进行的传统方式，在扩大阵列规模的同时，不增加数字通道数量，而又尽可能保持波束的调整能力，与纯数字方式相比牺牲了部分灵活性，却换取了系统复杂度和成本的降低，是大规模阵列演进的经济、可行方案。毫米波基站正是这样一种架构，少量的数字通道对应若干天线子阵，其数字通道后的移相器、PA等已集成芯片化，振子也可以采用AIP等封装方案。对于中高频段，数模正交架构也是向更大规模阵列扩展的可行方案，值得产业界和运营商关注。 数模正交架构的其中一种实现方式，是在数字通道后的单元阵列中引入数字调控器件（⺫前主要是移相器），通过叠加数字移相能力，实现波束的动态扫描。这其中的关键技术与需求体现在以下几个方面： 4图1.1 两种数模正交架构 一是阵列设计。阵列设计首先需要考虑数字通道的数量选择以及在水平/垂直维的分布。由于数字移相的引入，这一问题有了更为灵活的空间，可以综合能力需求、用户分布和覆盖成本考虑。一般会在水平维布置更多数字通道，而在垂直维采用数字移相；另外每个数字通道中对振子如何分组，使用多少个数字移相器，移相器的位数和步进等也需要精心设计。 二是器件选型。数字移相器是数模正交架构的核心部件，其性能直接影响到系统最终的实现能力。大规模阵列有源天线，对数字移相器的基本要求是低插损（如小于0.5dB）、高功率（如功率容量达到10W级）、快响应（如切换速度小于1μs），三者缺一不可。对于FDD系统，还需要考虑三阶互调干扰等问题。 三是波束管理。数模正交架构增加的是模拟域的调控能力，无法像数字通道那样为不同位置上的用户同时提供最优的波束。因此，设计高效的波束赋形和切换策略，最大程度满足不同位置用户的业务需求，也是影响数模正交架构最终性能的关键。 上述关键技术中，器件技术是最为基础和核心的，也是当前产业的薄弱环节，需要各方共同努力，积极加大在数字移相器技术上的投入，尽快推动产业成熟。⺫前主设备厂家已逐步在大规模阵列产品中引入数模正交架构，以进一步提升产品的覆盖能力。此外，还可以在低通道数基站天线和微功率基站上引入数模正交架构，以相比于增加数字通道成本更低的方式赋能天线波束，增强覆盖能力。 1.2.阵列分组复用 在阵列规模较大的情况下，天线的波束设计可以提供更多的自由度，可以通过对阵列的分组设计实现不同的波束形态组合，从而为覆盖策略提供更多的灵活性。 较典型的一个应用方向是节能方案中的通道关断技术。在低业务量时段，通过关断大规模阵列设备的部分通道，可以显著降低设备功耗，实现节电。为了在通道关断的情况下覆盖不受影响，可以在水平方向上关闭一半的通道，此时仅通过一半的阵列发送干播波束，单个SSB的水平波宽会展宽；但基于NR波束的扫描特性，±60°范围内的干播波束包络变化并不大，再通过功率增强技术补偿因通道减少造成的输入功率损失，就可以实现同全阵列工作时相同的覆盖范围。 另一个应用场景是对空覆盖。如在低空的无人机通信场景下，大规模阵列设备通过设计向上的SSB波束，用于无人机的通信，其余波束仍服务地面用户。 此外，还可以对大规模阵列的部分阵子进行针对性优化，以满足对个别指标的特殊需求，如上旁瓣抑制等。以6GHz频段为例，WRC-23 已标识6425-7025 MHz 为IMT频段，作为中频频谱，6GHz频段可以兼顾低频的覆盖优势和高频的容量优势，能以较低的每bit成本普及5G大带宽服务，未来可以发挥重要作用。但是这一频段与C波段卫星的上行频段存在重叠，需要开展上副瓣抑制技术的研究，实现与卫星频段的共存。在这一问题上，对阵列的分组设计也是潜在的解决方案之一。在满足迎⻛面积的要求下，6GHz频段的阵列规模可以进一步增大。此时，一部分阵5 子可以通过设计用于抑制波束的上旁瓣，在不恶化整体性能的前提下实现较低的上副瓣水平。 1.3.电磁超材料技术应用 随着频段的不断叠加，基站的天面空间已经非常紧张，每年的铁塔租赁费用也构成了运营商巨大的运营成本之一。因此，天面的建设原则上是增频段不增天面，新天线以合并替换为主，这就对天线的集成度和尺寸、重量等都提出了较高的要求。对于有源天线需要和无源天线进一步整合（即A+P）的场景，高频大规模阵列的密集排布和低频无源天线的大口径需求构成了一对矛盾，常规的技术手段往往难以兼顾高增益和小尺寸的需求，电磁超材料成为应对这一挑战的关键技术之一。 电磁超材料（简称超材料）指的是一些具有天然材料所不具备的超常物理性质的人工复合结构或复合材料。从本质上讲，超材料更是一种新颖的结构设计思想，这一思想是通过在材料的关键物理尺度上的结构有序设计来突破某些表现自然规律的限制，从而获得超常的等效材料功能。迄今发展出来的超材料包括“光子晶体（PBG、EBG）”，“人工磁导体（AMC）”，“零折射率材料（ZIM）”，“左手媒质（LHM）”，“超磁性材料”等，其概念已扩展至包含频率选择表面（FSS）、空间选择表面（SSS）以及极化选择表面（PSS）等超构表面。超材料以其独特的电磁性能、电磁调控自由度以及与可调器件的集成能力，使其在面向5G新型天线研究方面有着较好的应用潜能。例如对于A+P的产品设计，产业就提出了基于超材料技术的“电磁透明”方案，将融合了超材料设计的低频振子直接部署在大规模阵列上方，超材料的结构可以降低低频振子对高频阵列的影响，使得位于下方的大规模阵列，信号可以几乎无损耗地穿透低频阵列，在电磁域上如同透明。 除了超材料辐射振子，超材料加载也是应用干泛的超材料技术。通过将超材料设计加载于传统辐射单元附近，如振子的口面上方、反射（天线的后瓣）方向、四周、子阵列间、子阵侧边等位置，通过调控天线辐射口面的电磁场分布，使天线具有更好的隔离度特性、增益/波宽/前后比/多波束等辐射特性。例如，在大规模阵列上方设计多层超材料盖板，反射的电磁波与空间耦合的电磁波发生抵消，从而起到降低阵列间耦合，提升隔离度的效果。在通感一体应用中，需要大规模阵列的发射单元和接收单元之间具有超高的隔离度指标，而由于设备尺寸有限，常规设计无法提供足够的空间隔离，此时也可以通过在发射和接收单元之间设计电磁超材料，降低发射和接收单元的空间耦合。 6 2.绿色高效天线技术 在“双碳”战略的大背景下，基站天线在设计时也越来越需要考虑生产和应用中的碳排放和能量损耗。绿色低碳已成为基站天线技术发展的着眼点之一，是制造企业和运营商都在关注的重要课题。围绕这一主题，需要在天线的设计、生产和应用评价等多个方面开展研究，以引导绿色技术创新，加快基站天线行业降低碳排放的步伐，保持我国基站天线产品在全球的市场竞争力。 2.1.设计中的绿色高效技术 2.1.1.少电缆技术 馈电⺴络是天线核心部件，⺫前的基站天线绝大部分都已是电调天线，电调移相⺴络和功