傳統(tǒng)天線理論與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的困局

自1895年馬可尼向大洋彼岸拍出第一封無線電報以來，無線通信經(jīng)歷了120多年的發(fā)展，在航空航天、軍事領(lǐng)域和社會生活等方方面面都發(fā)揮了無可替代的作用。這其中，與人們生活最貼近的移動通信更是在近幾十年里不斷更新?lián)Q代，已經(jīng)從最初的大哥大發(fā)展到了5G。作為移動通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組成部分，天線也從未停下演進(jìn)升級的腳步，從最初的全向天線、單頻單通道，到現(xiàn)在的多頻多通道、MassiveMIMO等，集成度越來越高，功能也越來越強大，形態(tài)上也出現(xiàn)天線射頻一體化的AAU。那么，基站天線是否已經(jīng)發(fā)展到了盡頭，會隨著與有源的融合而消失嗎？基站天線產(chǎn)業(yè)的出路又在哪里，廣大天線工程師的飯碗，還端得住嗎？

1、傳統(tǒng)天線理論與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的困局

1.1 新理論的缺乏

通信技術(shù)的跨越式發(fā)展使得容量潛力已接近香農(nóng)定理的極限，曾經(jīng)支撐集成電路高速發(fā)展的摩爾定律也陷入了是否還能持續(xù)的爭論，150年前麥克斯韋提出的電磁理論方程組似乎也給天線工程師們劃定了一個界限，天線技術(shù)的發(fā)展始終在圍繞著這組完美方程上下求索。在這一理論框架下，各類常規(guī)天線的設(shè)計方法已經(jīng)非常成熟和完善，缺乏新的基礎(chǔ)性創(chuàng)新導(dǎo)致方案的性能實現(xiàn)上已經(jīng)接近“瓶頸”，微小的改善往往需要付出巨大的代價。

1.2 設(shè)計的固化

基站天線的設(shè)計圍繞著覆蓋的需求展開，經(jīng)典電磁理論指導(dǎo)著天線工程師們像高級面點師一樣精心塑造著天線的方向圖形狀，使其能夠適應(yīng)不同場景下的覆蓋需求：通過振子組陣實現(xiàn)所需的增益和波束寬度，通過賦形改善副瓣和零陷，加上強大的電磁仿真軟件工具的輔助，在產(chǎn)品設(shè)計上基站天線已經(jīng)有比較成熟的“套路”，使得掛在鐵塔上的天線看起來大同小異?；咎炀€在產(chǎn)品設(shè)計手段上已經(jīng)捉襟見肘，指標(biāo)提升空間也非常有限。

1.3 測試的困擾

在測試技術(shù)方面，現(xiàn)有理論對產(chǎn)業(yè)的束縛同樣明顯。早期的天線測試依賴于遠(yuǎn)場微波暗室，隨著天線頻率越來越高，滿足天線測試的遠(yuǎn)場條件使得暗室越建越大，動輒數(shù)千萬的投資對天線廠商而言是極大的負(fù)擔(dān)。在2000年左右出現(xiàn)了多探頭球面近場測試技術(shù)，近遠(yuǎn)場變換理論逐漸被業(yè)界所接受，經(jīng)過十多年的發(fā)展幾乎成為基站天線廠商的“標(biāo)配”。但隨著有源天線產(chǎn)品形態(tài)的出現(xiàn)，球面近場在測試調(diào)制信號上出現(xiàn)了技術(shù)困難，人們又不得不回到遠(yuǎn)場，或考慮能夠降低尺寸要求的緊縮場。缺乏高精度、高效率、低成本的測試環(huán)境也是困擾產(chǎn)業(yè)的一個問題。

2、5G基站天線產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

“5G改變社會”，5G對各行各業(yè)都產(chǎn)生了不同程度的影響，對通信相關(guān)產(chǎn)業(yè)的影響更是史無前例的。5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)大幕的徐徐拉開，也深刻影響了基站天線產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，有源化和多頻融合是其中的兩大主基調(diào)。

2.1 有源化成為基站天線演進(jìn)的主流方向

5G采用了更加靈活的新空口（NR），與LTE相比引入了大規(guī)模陣列天線技術(shù)，可根據(jù)覆蓋需求配置不同的廣播波束權(quán)值，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的精細(xì)化和靈活性，提升網(wǎng)絡(luò)容量。大規(guī)模陣列天線技術(shù)一般要求有源和無源高度集成：

(1) 天線端口數(shù)量龐大，過多跳線連接在工程上不現(xiàn)實；盲插方式則存在可靠性和防水風(fēng)險；

(2) 頻率升高后，射頻功放的效率和能力有限，需要盡可能減少連接損耗；

有源與無源融合的一體化設(shè)備型態(tài)，對于傳統(tǒng)基站天線產(chǎn)業(yè)帶來全新變化，體現(xiàn)在：

(1) 設(shè)計方式：產(chǎn)品規(guī)劃和設(shè)計需要嚴(yán)格適應(yīng)有源部分的限定要求，減少了設(shè)計的自由度和靈活性，且需面對不同有源模塊的差異化需求；

(2) 采購模式：產(chǎn)品采購方從最終運營方轉(zhuǎn)移到系統(tǒng)集成商；

(3) 生產(chǎn)管理：從來料管理到產(chǎn)品交付的各個環(huán)節(jié)都需要優(yōu)化，提高組裝、焊接、測試的效率并保證一致性。

2.2 多頻融合仍是近中期的重要驅(qū)動力

由于移動通信的發(fā)展是個頻段和制式不斷擴展累加的過程，有限的天面空間和日益增長的租金壓力促使運營商對現(xiàn)有頻段的天面進(jìn)行整合替換，為5G新設(shè)備騰出建設(shè)空間。比如典型的雙天面布局，即1副多頻無源天線整合現(xiàn)有天面，另1副AAU提供5G覆蓋。

由于現(xiàn)網(wǎng)天線存量巨大，作為天面合并的主要手段，多頻天線的需求增長仍將持續(xù)，是今后無源天線的主力類型。多頻融合不是天線陣列的簡單堆疊，需要綜合運用陣列布局、高低頻去耦、移相器小型化等創(chuàng)新技術(shù)才能解決產(chǎn)品有限空間內(nèi)高度集成引起的互耦等一系列復(fù)雜問題，平衡各頻段的性能，并滿足迎風(fēng)面積和重量的苛刻要求。

多頻天線的高難度對天線廠商的技術(shù)能力提出了更高的要求，成為天線產(chǎn)業(yè)的技術(shù)驅(qū)動力，有利于優(yōu)勢廠家發(fā)揮技術(shù)能力，擺脫低價競爭。

3、后5G和6G時代基站天線產(chǎn)業(yè)發(fā)展之路

隨著5G網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模建設(shè)，天線有源化帶來新的挑戰(zhàn)，同時多頻融合的技術(shù)復(fù)雜性也使得產(chǎn)業(yè)將面臨洗牌和整合，從移動通信的長遠(yuǎn)發(fā)展來看這將是不可避免的，只有積極引入新理論新技術(shù)新工藝，以新應(yīng)變，通過技術(shù)和產(chǎn)品創(chuàng)新，才能適應(yīng)這一變局并獲得持續(xù)發(fā)展。

3.1 引入新的理論指導(dǎo)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新

比如經(jīng)過學(xué)術(shù)界多年研究已成熟逐步獲得應(yīng)用的超材料（泛材料）理論，通過人工電磁材料的構(gòu)建，可以實現(xiàn)常規(guī)材料無法獲得的獨特性能；超材料和數(shù)控電路結(jié)合形成的數(shù)字超材料更是可實現(xiàn)智能超表面、信息超材料相控陣天線以及信息超表材料發(fā)射系統(tǒng)，大幅降低射頻通道數(shù)量和成本。

再比如近年來興起的軌道角動量技術(shù)。人們發(fā)現(xiàn)電磁波的相位波前具有非平面結(jié)構(gòu)時，可在其上調(diào)制或者作為載波傳輸所需的信息，那么利用同一頻率下不同模態(tài)的OAM波束正交特性，就開辟了新的電磁資源維度，為新體制通信提供了可能——通過不同模態(tài)的OAM復(fù)用來增加信噪比，提高頻譜利用率。

在測試技術(shù)方面產(chǎn)學(xué)研也在積極探索降低暗室尺寸需求的新的測試?yán)碚摵图夹g(shù)。如平面波合成法，利用有源探針陣來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的緊縮場拋物反射面在近場產(chǎn)生均勻的平面波；中場（Mid-field）OTA測試技術(shù)，可以在不滿足遠(yuǎn)場距離的條件下獲取測試結(jié)果等。這些測試技術(shù)的成熟無疑將有效降低測試系統(tǒng)建設(shè)成本。

3.2 積極應(yīng)對有源化趨勢，在新形態(tài)下尋求突破轉(zhuǎn)型

天線有源化是大勢所趨，天線的性能水平對有源設(shè)備的整體能力又有著舉足輕重的影響，與有源融合之后，天線在系統(tǒng)中的重要性和價值更強了。通過與系統(tǒng)商的互動合作，進(jìn)一步理解系統(tǒng)的新需求并以技術(shù)創(chuàng)新去應(yīng)對，天線產(chǎn)業(yè)仍有足夠的發(fā)展空間，包括：

(1) 尺寸、重量、能耗和成本優(yōu)化：這些都是有源化產(chǎn)品的不足，從天線側(cè)通過引入新技術(shù)、新材料和新工藝進(jìn)行優(yōu)化，可以提高產(chǎn)品的技術(shù)水平和競爭力。

(2) 多頻融合產(chǎn)品創(chuàng)新：積極把握需求機遇，在高低頻去耦、多頻段間互調(diào)、移相器小型化等方面加大研發(fā)，為網(wǎng)絡(luò)提供高集成化、低成本的無源天線產(chǎn)品。

3.3 通過新技術(shù)、新材料等推出更優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品

傳統(tǒng)的無源天線早已是紅海市場，在需求不斷萎縮的情況下，依靠傳統(tǒng)技術(shù)方案很難獲得進(jìn)一步的發(fā)展，需要借助技術(shù)創(chuàng)新、材料創(chuàng)新等打造新型產(chǎn)品，在競爭中獲得獨特優(yōu)勢。比如業(yè)界正在研究的超材料、透鏡等有著重要應(yīng)用價值的天線新技術(shù)。

3.3.1 超材料（meta-material）技術(shù)

超材料是利用介質(zhì)或介質(zhì)+金屬等材料人為制造出按照一定規(guī)則排列的結(jié)構(gòu)，可產(chǎn)生有異于傳統(tǒng)材料的新特性，這使其在解決前述天線“瓶頸”問題中存在巨大潛力。目前新加坡國立大學(xué)、香港中文大學(xué)、西安電子科技大學(xué)、東南大學(xué)等高校已深入開展超材料天線研究，并取得一定成果。

3.3.2 透鏡天線技術(shù)

透鏡天線利用多層介質(zhì)材料實現(xiàn)電磁波的匯聚效果，可以有效的降低天線本身帶來的損耗，在提升天線效率方面有明顯優(yōu)勢。另外，透鏡天線的波束數(shù)量及指向與饋源數(shù)量和位置密切相關(guān)，且每個波束具有低副瓣特性，因此容易實現(xiàn)多波束天線。在毫米波頻段，其小型化、低損耗的優(yōu)勢更加明顯，引起產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。

國際上，AT&T公司在大容量場景中已經(jīng)多次使用龍伯透鏡天線，美國、日本等國家已經(jīng)研究出汽車毫米波雷達(dá)透鏡天線等。國內(nèi)三大運營商在sub6G均有小范圍試點透鏡天線。

3.3.3 稀疏陣天線

稀疏陣列可以在一定條件下用較少的陣元數(shù)達(dá)到同口徑下滿陣（λ/2間距的均勻陣）的性能，符合大型陣列設(shè)計中降低成本及軟硬件復(fù)雜度的需求。目前，稀疏陣主要應(yīng)用在雷達(dá)系統(tǒng)中，通信電子系統(tǒng)也有部分應(yīng)用。在低頻段，主要應(yīng)用在降低陣元數(shù)、通道數(shù)，降低成本、功耗、散熱等方面；在高頻段，主要是在陣元、通道數(shù)不變的情況下，用于增加陣面尺寸，以提升天線增益、波束靈敏度等。稀疏陣研究啟動時間較早，理論體系、稀布綜合算法相對成熟，學(xué)術(shù)界、工業(yè)界已有相對成熟的稀疏陣天線樣機，在高頻段有較好應(yīng)用前景。

3.3.4 軌道角動量（OAM）技術(shù)

OAM是一種非常新興的技術(shù)，電磁波傳輸時攜帶軌道角動量，利用具有不同本征值的軌道角動量的正交特性，通過多路渦旋電磁波的復(fù)用可實現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)傳輸，在多極化、MIMO技術(shù)之外，為容量提升提供新的維度。

3.3.5 液態(tài)金屬天線

液態(tài)金屬通常是指熔點低于200℃的低熔點合金，通過加入其它元素，可以使其熔點降到0°以下。利用液態(tài)金屬天線熔點低的特性，通過機械、電壓等外力可控制天線的形貌和位置，實現(xiàn)工作頻率、極化、方向圖等輻射特性的可重構(gòu)，增加天線應(yīng)用的靈活性。美國于2009年首次提出液態(tài)金屬多頻天線概念，已在航空航天等領(lǐng)域成功應(yīng)用。在國內(nèi)，液態(tài)金屬天線尚處于起步階段，面向工程化應(yīng)用的成果還非常少，與國外存在一定差距，尚需業(yè)界共同努力。

4、結(jié)語

創(chuàng)新才能引領(lǐng)發(fā)展，對于技術(shù)日新月異的移動通信行業(yè)更是如此。雖然5G所倚重的大規(guī)模天線技術(shù)重新定義了基站天線產(chǎn)品的形態(tài)，給天線產(chǎn)業(yè)帶來了不小的“危機”，但“危和機總是同生并存的，克服了危即是機”，應(yīng)當(dāng)看到天線在系統(tǒng)中的角色不是變?nèi)趿硕菑娀?，天線需要解決的問題不是變少了而是更多了，積極擁抱變化，調(diào)整應(yīng)對天線設(shè)計的新需求和挑戰(zhàn)，通過產(chǎn)學(xué)研緊密合作，引入新理論新技術(shù)解決新問題，天線產(chǎn)業(yè)就能創(chuàng)造更多價值，鍛造更大競爭優(yōu)勢，繼續(xù)獲得繁榮發(fā)展，把飯碗牢牢端在自己手里。