芯耀
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回顧基站天線的發(fā)展歷程，每一次都讓人熱血澎湃，因?yàn)樗娮C了移動(dòng)通信技術(shù)的每一次飛躍，也記錄著一代又一代通信人的青春與回憶。
過去幾十年來(lái)，從1G到5G，從2.4Kbps到10Gbps，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展的背后，離不開基站天線技術(shù)的不斷創(chuàng)新突破。
基站天線是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的“觸角”，負(fù)責(zé)向用戶收發(fā)無(wú)線信號(hào)，是整個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中距離用戶最近的設(shè)備，也是人們?cè)诔擎?zhèn)和鄉(xiāng)村隨處可見的設(shè)備。
雖然它們都被嚴(yán)嚴(yán)實(shí)實(shí)的包裹在防護(hù)罩里，看起來(lái)差別并不是太大，但其實(shí)多年來(lái)已經(jīng)發(fā)生了巨大變化……
1G：全向天線
上個(gè)世紀(jì)90年代，一部“大哥大”的價(jià)格動(dòng)輒過萬(wàn)元，而人們的工資卻幾十到幾百不等?？紤]移動(dòng)用戶較少，單站話務(wù)量較低，運(yùn)營(yíng)商的建網(wǎng)原則以覆蓋優(yōu)先。
因此，1G基站采用全向天線，用一根呈圓柱形或棍裝的天線提供360度全向覆蓋。
全向天線向四周均勻發(fā)射和接收信號(hào)，難免會(huì)帶來(lái)小區(qū)間頻率干擾的問題，但由于當(dāng)時(shí)站點(diǎn)稀疏、站間距很大，干擾并不太明顯。
眾所周知，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋短板在上行鏈路。在移動(dòng)通信領(lǐng)域，我們將基站到手機(jī)的信號(hào)傳輸鏈路稱為下行鏈路，反之，從手機(jī)到基站稱為上行鏈路。由于手機(jī)的發(fā)射功率比基站低很多，站點(diǎn)覆蓋受制于上行鏈路。
從1G時(shí)代到2G早期，為了改善上行鏈路，通常采用空間分集技術(shù)，即在鐵塔上部署兩根在空間上分開的接收天線。為確保隔離度，兩根天線之間的間隔距離至少為10個(gè)波長(zhǎng)，比如900MHz的間隔為3.3m，1800MHz的間隔為1.67m。
2G：定向天線、雙極化天線
進(jìn)入2G時(shí)代，數(shù)字技術(shù)的引入推動(dòng)設(shè)備成本大幅下降，移動(dòng)產(chǎn)業(yè)迎來(lái)蓬勃發(fā)展的黃金時(shí)代。與此同時(shí)，天線技術(shù)迎來(lái)空前的創(chuàng)新和發(fā)展。
首先是扇區(qū)化，即從全向天線發(fā)展為定向天線。
隨著移動(dòng)用戶快速增長(zhǎng)，運(yùn)營(yíng)商的建網(wǎng)原則開始從“覆蓋優(yōu)先”向“提升容量”轉(zhuǎn)變。提升容量的技術(shù)之一是扇區(qū)化，即把之前的360度全向覆蓋劃分為三個(gè)扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)覆蓋120度。
于是，天線的形態(tài)從“棍狀”演變?yōu)槠桨鍫畹亩ㄏ蛱炀€，天線被封裝在更寬的外殼中。
定向天線的好處不僅能提升系統(tǒng)容量，由于信號(hào)輻射更集中，還具有更高的天線增益，能實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的覆蓋距離。
但由于基站被劃分為三個(gè)扇區(qū)后，每個(gè)扇區(qū)都需要安裝兩根空間分集的單極化天線，這意味鐵塔上的天線數(shù)量倍增，不僅需要更多的天面空間，也增加了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)的工作量。
也許正是出于這個(gè)原因，基站天線又迎來(lái)了一次重大技術(shù)進(jìn)步——從單極化天線演進(jìn)為雙極化天線。
作為一種電感器件，天線會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)和磁場(chǎng)，語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信號(hào)靠電場(chǎng)傳送或接收。極化，就是天線電場(chǎng)的振動(dòng)方向。無(wú)線電波傳輸都以某種極化方式運(yùn)行，比如垂直極化和水平極化，前者指電場(chǎng)垂直于地面，后者指電場(chǎng)平行于地面。
考慮人們打電話的姿勢(shì)與垂直極化信號(hào)更匹配，早期的基站天線一般采用基于垂直極化方式的單極化天線。
而雙極化天線將兩組極化方向相互正交（通常為+45度和-45度）的陣子交疊在一起，可在確保足夠隔離度的前提下，以一根天線的外觀形態(tài)收編過去的兩根單極化天線。在外觀上，雙極化與單極化天線的最大區(qū)別是，雙極化天線有兩個(gè)天線端口，分別對(duì)應(yīng)+45度和-45度偏振的兩組天線陣列。
雙極化天線打破了空間分集帶來(lái)的部署空間限制，讓基站天線可以輕松安裝在桅桿、支撐桿、抱桿、燈桿等更多占地面積較小的通信桿塔設(shè)施上，使得基站分布越來(lái)越密集，網(wǎng)絡(luò)覆蓋也越來(lái)越廣泛。
3G：多頻段、多波束、遠(yuǎn)程電調(diào)
3G時(shí)代迎來(lái)雙頻段或多頻段天線的規(guī)模部署。
每一代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)都會(huì)分配新頻段，天線作為無(wú)線信號(hào)收發(fā)的關(guān)鍵器件，當(dāng)然也需支持新頻段。進(jìn)入3G時(shí)代，面對(duì)2.1G等新頻段引入，運(yùn)營(yíng)商需要在原有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上新增支持新頻段的天線，再次面臨鐵塔天面空間和承重受限、運(yùn)維復(fù)雜的問題，同時(shí)，由于一些市場(chǎng)已經(jīng)出現(xiàn)了鐵塔模式，有些運(yùn)營(yíng)商還面臨鐵塔租金成本上漲的問題。
于是，行業(yè)產(chǎn)生了強(qiáng)烈的“單天線支持雙頻段或多頻段”需求，即雙頻段或多頻段天線。
過去行業(yè)針對(duì)一個(gè)頻段設(shè)計(jì)一個(gè)天線，現(xiàn)在如何實(shí)現(xiàn)單天線支持多頻段？有兩種方法：一是天線支持更寬的頻率范圍，可覆蓋兩個(gè)或多個(gè)頻段；二是將不同頻段的輻射單元陣列集成在一個(gè)天線外殼里，并確保各自互不影響。由于輻射元件支持的頻率帶寬有限，前者僅適用于頻率彼此接近的頻段，因此，后者更常見。
3G時(shí)代還誕生了遠(yuǎn)程電調(diào)天線傾角技術(shù)。
天線傾角，指天線主瓣與水平面之間的角度，它直接影響網(wǎng)絡(luò)的覆蓋、干擾和負(fù)荷均衡，在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中是一個(gè)極其重要的參數(shù)。
有兩種方法調(diào)整天線傾角：機(jī)械和電調(diào)。最初采用機(jī)械方式，依靠塔工爬上鐵塔手動(dòng)調(diào)整天線支架，使天線向所需方向傾斜。這種方式顯然非常費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)維護(hù)和優(yōu)化。
相比人工機(jī)械調(diào)整，遠(yuǎn)程電調(diào)天線利用振子的信號(hào)相位來(lái)精準(zhǔn)控制波束傾斜，運(yùn)營(yíng)商可通過遠(yuǎn)程控制天線內(nèi)部的移相器的方式來(lái)調(diào)整傾角。同時(shí)，對(duì)于多頻段天線，電調(diào)天線可實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)頻段的電下傾角的獨(dú)立控制。
另外，面對(duì)2.5G和3G引入移動(dòng)數(shù)據(jù)服務(wù)，移動(dòng)用戶數(shù)量加速增長(zhǎng)，對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的容量需求進(jìn)一步提升，多波束天線應(yīng)運(yùn)而生。
過去，天線只有一個(gè)主輻射方向，稱為單波束天線，且一副天線負(fù)責(zé)一個(gè)扇區(qū)的覆蓋范圍。相較于單波束天線，多波束天線可賦形出多個(gè)具有主輻射方向的波束，將一個(gè)扇區(qū)劈裂成多個(gè)更窄的波束，實(shí)現(xiàn)單天線多小區(qū)分裂。
由于多波束天線具有“單天線支持多小區(qū)”的超能力，無(wú)需增加額外的天線設(shè)備即可成倍提升系統(tǒng)容量，因此，尤其適合密集城區(qū)、大型活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)等高容量熱點(diǎn)場(chǎng)景。
4G：MIMO天線、多端口天線
LTE將MIMO技術(shù)引入了蜂窩網(wǎng)絡(luò)，因此，4G時(shí)代最靚麗的風(fēng)景線是MIMO天線。
MIMO，多發(fā)多收，指通過在發(fā)射端和接收端部署多根天線，分別同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)流，實(shí)現(xiàn)在無(wú)需增加頻譜資源和發(fā)射功率的前提下，成倍提升系統(tǒng)容量和可靠性。
MIMO越高階，天線數(shù)目越多，系統(tǒng)性能越強(qiáng)。因此，我們?cè)?G時(shí)代經(jīng)常看到4T4R甚至8T8R的天線配置。4T4R，即在基站側(cè)邏輯上配置4根收發(fā)天線；8T8R，指邏輯上配置8根收發(fā)天線。
通常，支持4T4R的天線內(nèi)置2個(gè)交叉極化陣列，8T8R有4個(gè)交叉極化陣列。如上所述，一根雙極化天線帶有兩個(gè)饋電端口，以此類推，4T4R帶4個(gè)端口，8T8R帶8個(gè)端口。
一邊是支持高階MIMO，一邊面對(duì)2、3、4G多制式多頻段共存，要求一根物理天線支持更多的頻段，于是，4G時(shí)代的天線端口數(shù)量直上一個(gè)新臺(tái)階。
比如，中國(guó)移動(dòng)4G時(shí)代的網(wǎng)絡(luò)有GSM900、FDD900、GSM1800、FDD1800、TD-FA、TD-D多個(gè)頻段多種制式，為了讓一根物理天線支持這些頻段并支持TD-LTE 8通道，業(yè)界推出了4488天線，即4端口支持900M，4端口支持1800M，8端口支持F&A頻段，8端口支持D頻段。
由于每一個(gè)端口都通過饋線連接到RRU，多端口天線讓鐵塔上的饋線越來(lái)越密集，遠(yuǎn)遠(yuǎn)望去，仿佛天線長(zhǎng)出了濃密的黑胡子。
這顯然看起來(lái)不太美觀，也給安裝和維護(hù)工作增加了難度。或許正是出于這樣的考慮，行業(yè)出現(xiàn)了天線和RRU“合體”的方案。
這種方案不僅看上去更美觀、易部署、易維護(hù)，而且能消除饋線損耗和更省電。再進(jìn)一步發(fā)展就是有源和無(wú)源高度集成的AAU。
5G：Massive MIMO AAU
如您所知，5G無(wú)線最關(guān)鍵的技術(shù)之一是Massive MIMO（大規(guī)模MIMO）。支持Massive MIMO技術(shù)的無(wú)線設(shè)備叫AAU（有源天線單元）。
Massive MIMO AAU有兩大特點(diǎn)：天線陣列規(guī)模大、射頻通道多。比如，典型的支持3.5GHz 64T64R的AAU有192個(gè)天線單元，支持64路收發(fā)通道。
這帶來(lái)了兩大技術(shù)優(yōu)勢(shì)：一是面對(duì)5G頻率更高、信號(hào)覆蓋能力更弱，Massive MIMO可通過調(diào)整多個(gè)天線單元的幅度和相位實(shí)現(xiàn)波束賦形，讓無(wú)線信號(hào)能量更集中，指向更精準(zhǔn)，從而增強(qiáng)覆蓋能力和減少信號(hào)干擾；二是可通過多個(gè)數(shù)據(jù)流并發(fā)同時(shí)服務(wù)多個(gè)用戶，提升系統(tǒng)容量。
Massive MIMO有力支撐了5G發(fā)展，未來(lái)這項(xiàng)技術(shù)還將向“超大規(guī)模MIMO”、“極大規(guī)模MIMO”持續(xù)演進(jìn)。面對(duì)6G時(shí)代或?qū)⒁?GHz等更高頻段，AAU將從64TRx升級(jí)到128TRx、256TRx甚至512TRx，天線單元數(shù)量將從192個(gè)提升到數(shù)百個(gè)甚至超千個(gè)。
