孫善球，林學(xué)進(jìn)，王昊，趙娜

（1.京信通信技術(shù)（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(dǎo)致的氣候變化是人類共同面臨的難題，世界各國正以協(xié)約方式進(jìn)行溫室氣體減排，我國“十四五規(guī)劃”也將碳排放納入十四五期間經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展的重要考核指標(biāo)，要求各行業(yè)優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和能源結(jié)構(gòu)，深入推進(jìn)低碳化轉(zhuǎn)型。GSMA（全球移動通信協(xié)會）、ITU（國際電信聯(lián)盟）提出，到2030年ICT行業(yè)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(yùn)營商集團(tuán)已經(jīng)承諾將努力實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)[1]。電信運(yùn)營商的碳排放是以用電帶來的間接排放為主，5G網(wǎng)絡(luò)是電信運(yùn)營商能耗的主要來源之一，5G網(wǎng)絡(luò)80%以上的能耗源于基站系統(tǒng)，而基站系統(tǒng)能耗又主要來自于射頻單元[2]。根據(jù)2020年國家能源局及運(yùn)營商《企業(yè)社會責(zé)任發(fā)展報告》的公開數(shù)據(jù)，5G規(guī)模部署后我國電信運(yùn)營商的用電增速顯著增加，已遠(yuǎn)高于全社會均值，從用電增速角度來看，2030年實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰壓力較大，若不加以干預(yù)，未來信息通信行業(yè)的能耗與碳排放增長的趨勢將難以遏制[1]，實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展將面臨巨大挑戰(zhàn)。

1 低碳化5G無線網(wǎng)絡(luò)給天線行業(yè)帶來新機(jī)遇

基于“場景化”覆蓋需求，同時為有效應(yīng)對5G建設(shè)成本高、運(yùn)營成本高及低碳化轉(zhuǎn)型面臨的挑戰(zhàn)[3]，全球5G無線網(wǎng)的建設(shè)思路總體呈現(xiàn)兩種趨勢：一是中低頻協(xié)同組網(wǎng)；二是“基于場景，按需配置，兼顧全域覆蓋、經(jīng)濟(jì)建設(shè)和環(huán)保低碳”[4]。其中最典型的建設(shè)思路是選用中低頻4TR基站設(shè)備進(jìn)行全網(wǎng)覆蓋，形成5G的基礎(chǔ)覆蓋層；選用中高頻段作為5G的容量層，其中熱點(diǎn)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(diǎn)場景選用64TR AAU，中低容量場景選用8TR RRU+BSA，同時規(guī)劃將LTE 700 M升級為5G，作為5G的基礎(chǔ)覆蓋層；在南美，Telecel為降低網(wǎng)絡(luò)總體建設(shè)成本，熱點(diǎn)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(yùn)營商均選用中低頻（Sub 2.5 GHz）4TR作為5G基礎(chǔ)覆蓋層，中高頻（Sur 2.5 GHz）作為5G容量層，其中密集城區(qū)和熱點(diǎn)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(wǎng)絡(luò)建設(shè)思路帶來了傳統(tǒng)BSA的持續(xù)需求，尤其是高階的4G/5G（8TR）融合BSA，已成為全球運(yùn)營商5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的主要形態(tài)之一。

2 低損高效綠色天線技術(shù)研究面臨的挑戰(zhàn)和進(jìn)展

當(dāng)主設(shè)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(wǎng)絡(luò)的覆蓋距離和覆蓋質(zhì)量[5]。在廣覆蓋場景，使用低損高效綠色天線可以實(shí)現(xiàn)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(nèi)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(shù)研究和商用將對“雙碳戰(zhàn)略”落地的具有重要意義。

業(yè)內(nèi)關(guān)于低損高效綠色天線技術(shù)研究方向主要有天線陣列輻射效率和低損耗的饋電網(wǎng)絡(luò)。其中，天線陣列輻射效率經(jīng)過行業(yè)多年的研究和發(fā)展，技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟。而低損耗饋電網(wǎng)絡(luò)因?yàn)閷?shí)現(xiàn)成本相對較高，在競爭時往往因?yàn)榇它c(diǎn)處于劣勢，導(dǎo)致業(yè)內(nèi)在此技術(shù)領(lǐng)域投入動力不足，技術(shù)突破和商用化進(jìn)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(huán)保和低碳的呼聲越來越高，業(yè)內(nèi)開始逐步關(guān)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(wǎng)絡(luò)TCO的正向貢獻(xiàn)，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(diǎn)。

饋電網(wǎng)絡(luò)損耗降低的最有效方式是在饋電網(wǎng)絡(luò)中使用空氣介質(zhì)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(wǎng)絡(luò)采用空氣介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)的插入損耗比普通同軸電纜或PCB網(wǎng)絡(luò)可降低0.8～1.2 dB；就陣列天線而言，當(dāng)天線增益超過20 dBi時，普通饋電網(wǎng)絡(luò)的損耗會超過天線口徑帶來的正向增益貢獻(xiàn)，此時空氣介質(zhì)網(wǎng)絡(luò)是最佳解決方案。業(yè)內(nèi)早期有采用空氣介質(zhì)傳輸線的一體化移相器饋電網(wǎng)絡(luò)方案，其功分網(wǎng)絡(luò)用多節(jié)導(dǎo)體段拼接實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，阻抗匹配靈活性低，設(shè)計和生產(chǎn)效率低。后來，業(yè)內(nèi)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(shè)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(yōu)點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)饋電網(wǎng)絡(luò)損耗的大幅降低，實(shí)現(xiàn)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(chǎn)工藝復(fù)雜、生產(chǎn)效率明顯下降等可生產(chǎn)性問題。如何在保證天線可生產(chǎn)性和成本合理增長的同時實(shí)現(xiàn)低損耗高增益成為業(yè)界難題。

隨著業(yè)界對低損高效綠色天線的關(guān)注和研發(fā)投入的加大，已經(jīng)找到一些有效的創(chuàng)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(wǎng)絡(luò)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(shù)實(shí)現(xiàn)了突破，但距離規(guī)模商用還有距離，這不僅僅需要天線廠家持續(xù)的研發(fā)投入，還需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游的支持，尤其是電信運(yùn)營商的支持。

3 天線產(chǎn)業(yè)鏈低碳環(huán)保面臨的挑戰(zhàn)和技術(shù)研究進(jìn)展

移動通信基站天線從材質(zhì)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(jīng)過多年的努力均已實(shí)現(xiàn)低碳環(huán)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(chǎn)業(yè)環(huán)保低碳研究的重點(diǎn)。

金屬材料在表面電鍍過程中，會產(chǎn)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(yán)重的環(huán)境污染，而移動通信天線產(chǎn)業(yè)的上游電鍍企業(yè)多數(shù)規(guī)模較小，在污染物處理方面的技術(shù)能力和管理水平不足，成為環(huán)保方面監(jiān)管和督查的重點(diǎn)[7]。隨著國家對環(huán)境保護(hù)的重視和監(jiān)管的加強(qiáng)，上游電鍍行業(yè)也正朝著環(huán)保方向努力。比如，業(yè)內(nèi)正在研究和引入新型環(huán)保電鍍技術(shù)來取代傳統(tǒng)電鍍技術(shù)，如真空鍍、PVD（物理氣相沉淀）技術(shù)等；各地政府正籌劃建立專業(yè)的電鍍產(chǎn)業(yè)園，引導(dǎo)電鍍企業(yè)向產(chǎn)業(yè)園集聚，集中解決電鍍“三廢”的環(huán)保處理問題[8]；電鍍企業(yè)也在主動適應(yīng)環(huán)保要求，開展裝備升級和工藝優(yōu)化工作，以減少污染物的排放和提高污染物的環(huán)保處理能力。但是，電鍍污染物的成分復(fù)雜，環(huán)保處理難度大，不但面臨著諸多技術(shù)難題，同時也需要企業(yè)大量的資金投入，這必然使得電鍍生產(chǎn)成本大幅上升。因此，解決電鍍行業(yè)的環(huán)保問題除了電鍍企業(yè)自身努力外，還需要產(chǎn)業(yè)鏈的大力支持。

傳統(tǒng)天線罩一般選用玻璃鋼或UPVC材料，玻璃鋼天線罩在產(chǎn)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(huán)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(yè)內(nèi)正在研究和開發(fā)一種低介電常數(shù)的輕型環(huán)保天線罩，該材料采用改性熱塑性增強(qiáng)塑料和復(fù)合擠出一體化成型工藝，生產(chǎn)過程全程無污染，且容易回收和再利用，具備全生命周期環(huán)保的特性。同時，結(jié)構(gòu)上也采用創(chuàng)新設(shè)計，分為輻射面和非輻射面，輻射面如圖1上半部分，采用發(fā)泡結(jié)構(gòu)，具有低介電常數(shù)、低損耗、低密度等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)心結(jié)構(gòu)，滿足天線安裝及使用中的強(qiáng)度及可靠性要求。同時，此天線罩的綜合密度低，相比傳統(tǒng)玻璃鋼、UPVC天線罩重量輕約25%～30%，有利于實(shí)現(xiàn)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(huán)保天線罩技術(shù)上已經(jīng)成熟，已經(jīng)具備批量生產(chǎn)和規(guī)模商用的條件，但如何快速規(guī)模商用需要業(yè)界關(guān)注、支持和推動。不同材質(zhì)天線罩的環(huán)保特性對比見表2，不同材質(zhì)天線罩的介電常數(shù)和密度對比見表3。

圖1 輕型環(huán)保天線罩截面

表2 不同材質(zhì)天線罩的環(huán)保特性對比

表3 不同材質(zhì)天線罩的介電常數(shù)和密度對比

4 結(jié)束語

在國家“雙碳戰(zhàn)略”背景下，5G網(wǎng)絡(luò)低碳化轉(zhuǎn)型成為重要趨勢，本文主要闡述了5G網(wǎng)絡(luò)低碳化轉(zhuǎn)型給移動通信天線產(chǎn)業(yè)帶來的新機(jī)遇，重點(diǎn)分析了低碳化5G無線網(wǎng)部署的移動通信天線產(chǎn)品形態(tài)，低損高效綠色天線和天線低碳環(huán)保所面臨的挑戰(zhàn)以及技術(shù)發(fā)展方向，為助力運(yùn)營商在十四五期間落地國家“雙碳戰(zhàn)略”、構(gòu)建低碳環(huán)保的5G網(wǎng)絡(luò)提供解決方案。這一系列解決方案的落地實(shí)施，不僅僅需要天線廠家的研發(fā)投入和技術(shù)創(chuàng)新，還需要產(chǎn)業(yè)鏈上下游的共同努力，更需要電信運(yùn)營商積極倡導(dǎo)和政策支持，為加快創(chuàng)新技術(shù)的落地實(shí)施和規(guī)模應(yīng)用創(chuàng)造有利條件。