传统天线理论与产业发展的困局

自1895年马可尼向大洋彼岸拍出第一封无线电报以来，无线通信经历了120多年的发展，在航空航天、军事领域和社会生活等方方面面都发挥了无可替代的作用。这其中，与人们生活最贴近的移动通信更是在近几十年里不断更新换代，已经从最初的大哥大发展到了5G。作为移动通信网络的关键组成部分，天线也从未停下演进升级的脚步，从最初的全向天线、单频单通道，到现在的多频多通道、MassiveMIMO等，集成度越来越高，功能也越来越强大，形态上也出现天线射频一体化的AAU。那么，基站天线是否已经发展到了尽头，会随着与有源的融合而消失吗？基站天线产业的出路又在哪里，广大天线工程师的饭碗，还端得住吗？

1、传统天线理论与产业发展的困局

1.1 新理论的缺乏

通信技术的跨越式发展使得容量潜力已接近香农定理的极限，曾经支撑集成电路高速发展的摩尔定律也陷入了是否还能持续的争论，150年前麦克斯韦提出的电磁理论方程组似乎也给天线工程师们划定了一个界限，天线技术的发展始终在围绕着这组完美方程上下求索。在这一理论框架下，各类常规天线的设计方法已经非常成熟和完善，缺乏新的基础性创新导致方案的性能实现上已经接近“瓶颈”，微小的改善往往需要付出巨大的代价。

1.2 设计的固化

基站天线的设计围绕着覆盖的需求展开，经典电磁理论指导着天线工程师们像高级面点师一样精心塑造着天线的方向图形状，使其能够适应不同场景下的覆盖需求：通过振子组阵实现所需的增益和波束宽度，通过赋形改善副瓣和零陷，加上强大的电磁仿真软件工具的辅助，在产品设计上基站天线已经有比较成熟的“套路”，使得挂在铁塔上的天线看起来大同小异。基站天线在产品设计手段上已经捉襟见肘，指标提升空间也非常有限。

1.3 测试的困扰

在测试技术方面，现有理论对产业的束缚同样明显。早期的天线测试依赖于远场微波暗室，随着天线频率越来越高，满足天线测试的远场条件使得暗室越建越大，动辄数千万的投资对天线厂商而言是极大的负担。在2000年左右出现了多探头球面近场测试技术，近远场变换理论逐渐被业界所接受，经过十多年的发展几乎成为基站天线厂商的“标配”。但随着有源天线产品形态的出现，球面近场在测试调制信号上出现了技术困难，人们又不得不回到远场，或考虑能够降低尺寸要求的紧缩场。缺乏高精度、高效率、低成本的测试环境也是困扰产业的一个问题。

2、5G基站天线产业发展趋势

“5G改变社会”，5G对各行各业都产生了不同程度的影响，对通信相关产业的影响更是史无前例的。5G网络建设大幕的徐徐拉开，也深刻影响了基站天线产业的发展趋势，有源化和多频融合是其中的两大主基调。

2.1 有源化成为基站天线演进的主流方向

5G采用了更加灵活的新空口（NR），与LTE相比引入了大规模阵列天线技术，可根据覆盖需求配置不同的广播波束权值，实现网络覆盖的精细化和灵活性，提升网络容量。大规模阵列天线技术一般要求有源和无源高度集成：

(1) 天线端口数量庞大，过多跳线连接在工程上不现实；盲插方式则存在可靠性和防水风险；

(2) 频率升高后，射频功放的效率和能力有限，需要尽可能减少连接损耗；

有源与无源融合的一体化设备型态，对于传统基站天线产业带来全新变化，体现在：

(1) 设计方式：产品规划和设计需要严格适应有源部分的限定要求，减少了设计的自由度和灵活性，且需面对不同有源模块的差异化需求；

(2) 采购模式：产品采购方从最终运营方转移到系统集成商；

(3) 生产管理：从来料管理到产品交付的各个环节都需要优化，提高组装、焊接、测试的效率并保证一致性。

2.2 多频融合仍是近中期的重要驱动力

由于移动通信的发展是个频段和制式不断扩展累加的过程，有限的天面空间和日益增长的租金压力促使运营商对现有频段的天面进行整合替换，为5G新设备腾出建设空间。比如典型的双天面布局，即1副多频无源天线整合现有天面，另1副AAU提供5G覆盖。

由于现网天线存量巨大，作为天面合并的主要手段，多频天线的需求增长仍将持续，是今后无源天线的主力类型。多频融合不是天线阵列的简单堆叠，需要综合运用阵列布局、高低频去耦、移相器小型化等创新技术才能解决产品有限空间内高度集成引起的互耦等一系列复杂问题，平衡各频段的性能，并满足迎风面积和重量的苛刻要求。

多频天线的高难度对天线厂商的技术能力提出了更高的要求，成为天线产业的技术驱动力，有利于优势厂家发挥技术能力，摆脱低价竞争。

3、后5G和6G时代基站天线产业发展之路

随着5G网络的大规模建设，天线有源化带来新的挑战，同时多频融合的技术复杂性也使得产业将面临洗牌和整合，从移动通信的长远发展来看这将是不可避免的，只有积极引入新理论新技术新工艺，以新应变，通过技术和产品创新，才能适应这一变局并获得持续发展。

3.1 引入新的理论指导产业创新

比如经过学术界多年研究已成熟逐步获得应用的超材料（泛材料）理论，通过人工电磁材料的构建，可以实现常规材料无法获得的独特性能；超材料和数控电路结合形成的数字超材料更是可实现智能超表面、信息超材料相控阵天线以及信息超表材料发射系统，大幅降低射频通道数量和成本。

再比如近年来兴起的轨道角动量技术。人们发现电磁波的相位波前具有非平面结构时，可在其上调制或者作为载波传输所需的信息，那么利用同一频率下不同模态的OAM波束正交特性，就开辟了新的电磁资源维度，为新体制通信提供了可能——通过不同模态的OAM复用来增加信噪比，提高频谱利用率。

在测试技术方面产学研也在积极探索降低暗室尺寸需求的新的测试理论和技术。如平面波合成法，利用有源探针阵来代替传统的紧缩场抛物反射面在近场产生均匀的平面波；中场（Mid-field）OTA测试技术，可以在不满足远场距离的条件下获取测试结果等。这些测试技术的成熟无疑将有效降低测试系统建设成本。

3.2 积极应对有源化趋势，在新形态下寻求突破转型

天线有源化是大势所趋，天线的性能水平对有源设备的整体能力又有着举足轻重的影响，与有源融合之后，天线在系统中的重要性和价值更强了。通过与系统商的互动合作，进一步理解系统的新需求并以技术创新去应对，天线产业仍有足够的发展空间，包括：

(1) 尺寸、重量、能耗和成本优化：这些都是有源化产品的不足，从天线侧通过引入新技术、新材料和新工艺进行优化，可以提高产品的技术水平和竞争力。

(2) 多频融合产品创新：积极把握需求机遇，在高低频去耦、多频段间互调、移相器小型化等方面加大研发，为网络提供高集成化、低成本的无源天线产品。

3.3 通过新技术、新材料等推出更优质产品

传统的无源天线早已是红海市场，在需求不断萎缩的情况下，依靠传统技术方案很难获得进一步的发展，需要借助技术创新、材料创新等打造新型产品，在竞争中获得独特优势。比如业界正在研究的超材料、透镜等有着重要应用价值的天线新技术。

3.3.1 超材料（meta-material）技术

超材料是利用介质或介质+金属等材料人为制造出按照一定规则排列的结构，可产生有异于传统材料的新特性，这使其在解决前述天线“瓶颈”问题中存在巨大潜力。目前新加坡国立大学、香港中文大学、西安电子科技大学、东南大学等高校已深入开展超材料天线研究，并取得一定成果。

3.3.2 透镜天线技术

透镜天线利用多层介质材料实现电磁波的汇聚效果，可以有效的降低天线本身带来的损耗，在提升天线效率方面有明显优势。另外，透镜天线的波束数量及指向与馈源数量和位置密切相关，且每个波束具有低副瓣特性，因此容易实现多波束天线。在毫米波频段，其小型化、低损耗的优势更加明显，引起产业界的广泛关注。

国际上，AT&T公司在大容量场景中已经多次使用龙伯透镜天线，美国、日本等国家已经研究出汽车毫米波雷达透镜天线等。国内三大运营商在sub6G均有小范围试点透镜天线。

3.3.3 稀疏阵天线

稀疏阵列可以在一定条件下用较少的阵元数达到同口径下满阵（λ/2间距的均匀阵）的性能，符合大型阵列设计中降低成本及软硬件复杂度的需求。目前，稀疏阵主要应用在雷达系统中，通信电子系统也有部分应用。在低频段，主要应用在降低阵元数、通道数，降低成本、功耗、散热等方面；在高频段，主要是在阵元、通道数不变的情况下，用于增加阵面尺寸，以提升天线增益、波束灵敏度等。稀疏阵研究启动时间较早，理论体系、稀布综合算法相对成熟，学术界、工业界已有相对成熟的稀疏阵天线样机，在高频段有较好应用前景。

3.3.4 轨道角动量（OAM）技术

OAM是一种非常新兴的技术，电磁波传输时携带轨道角动量，利用具有不同本征值的轨道角动量的正交特性，通过多路涡旋电磁波的复用可实现高速率数据传输，在多极化、MIMO技术之外，为容量提升提供新的维度。

3.3.5 液态金属天线

液态金属通常是指熔点低于200℃的低熔点合金，通过加入其它元素，可以使其熔点降到0°以下。利用液态金属天线熔点低的特性，通过机械、电压等外力可控制天线的形貌和位置，实现工作频率、极化、方向图等辐射特性的可重构，增加天线应用的灵活性。美国于2009年首次提出液态金属多频天线概念，已在航空航天等领域成功应用。在国内，液态金属天线尚处于起步阶段，面向工程化应用的成果还非常少，与国外存在一定差距，尚需业界共同努力。

4、结语

创新才能引领发展，对于技术日新月异的移动通信行业更是如此。虽然5G所倚重的大规模天线技术重新定义了基站天线产品的形态，给天线产业带来了不小的“危机”，但“危和机总是同生并存的，克服了危即是机”，应当看到天线在系统中的角色不是变弱了而是强化了，天线需要解决的问题不是变少了而是更多了，积极拥抱变化，调整应对天线设计的新需求和挑战，通过产学研紧密合作，引入新理论新技术解决新问题，天线产业就能创造更多价值，锻造更大竞争优势，继续获得繁荣发展，把饭碗牢牢端在自己手里。