超维度天线理念引领未来天线技术和5G产品的发展
思瀚产业研究院    2025-01-08

天线技术一直是移动通信代际演进的主要关键技术。到 5G 时代，大规模天线（MassiveMIMO）在信号处理方面综合了分集、复用和赋形多种技术，天线形式也演进至二维阵列形态，在水平和垂直都具有波束赋形能力。

在向 5G-A 和 6G 的演进过程中，信号处理算法的多样化和精细化、阵列能力的进一步提升以及与场景的紧密结合仍然是天线技术发展的主要趋势。同时，还有两方面的因素对天线技术的演进有重要影响：一方面是信息通信行业的低碳绿色发展，要求网络和设备向绿色节能方向演进；另一方面，随着移动通信向低空、海面、空天等领域的覆盖拓展，以及移动通信与定位、感知等技术的融合，对移动通信天线在波束能力、扫描能力、感知能力等方面提出更高的要求。

在传统移动通信基站天线技术演进的同时，与AI 技术的融合及新型天线形态的出现将会对多天线系统空间维度的进一步有效扩展带来有力的推动作用，同时将有可能在一定程度上避免传统天线阵列技术在维度扩展方面所面临的复杂度、成本和功耗挑战，从而将带动基于新型天线结构的多天线传输与接收机制的研究与实践，为整体系统效能的进一步提升带来新的发展机遇。

超维度天线 E-MIMO（Extreme Multiple Input Multiple Output）技术是多天线技术向空间维度、智能维度、能效维度扩展的天线技术，包括绿色高效能的多频融合天线技术、多维精准波束赋形技术、超大规模天线技术、全息 MIMO 技术等。

一、更高的空间自由度和分辨度是超维度天线技术发展的主要方向

大规模天线的演进趋势仍然包括增加天线孔径以实现更强的波束能力、对天线单元做更实时精细的加权控制以及对场景和业务的精准匹配等方面。超大规模 MIMO（多输入多输出）天线可以提供比大规模天线更多的空间自由度，空间分辨率提升，天线阵列增益更高，用户波束更窄，波束能量更汇聚，业务发射功率减少，降低对本小区及其他相邻小区的用户干扰。

除天线单元数的增加之外，超大规模天线在分布方式（集中与分布）、赋形方式（数字与模拟）、阵列形式及与 AI 技术的融合方面都将做更多的创新。在超大规模 MIMO 天线中，可重构超表面天线是一种新的天线形态，通过对可重构超表面中大量低成本、低功耗的可控反射或透射单元的调控，实现大规模天线波束赋形的效果，主要包含 RIS 和RHS 两类天线，以更高的能效和更低的成本支持空间维度的进一步扩展。

无论是传统阵列形式还是 RIS/RHS 等新的天线形态，其趋势都是实现更高的空间自由度、更精准的波束赋形能力，从而充分利用天线孔径带来的空间分辨度。随着移动通信向 5G-A 及 6G 演进，特别是移动通信系统覆盖维度的扩展及与通感、AI 的融合，超大规模天线维度的扩展、波束的精准化及控制管理的智能化已成为必然趋势，新的天线形态也会在适合的场景得以应用。

二、绿色高效能成为多频融合天线发展的核心竞争力

在多频融合和双碳战略的大背景下，基站天线在设计时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。在设计方面，电调移相网络和功分馈电网络、辐射单元及阵列效率直接影响天线的辐射效率。在材料方面，天线外罩的材料会有苯乙烯、氯化氢等有毒气体产生，产生环境污染。在加工工艺方面，有铝合金压铸后电镀和 PCB 蚀刻等。

电镀过程有废水、废气等排放。在包装运输方面，天线的缓冲材料回收难度大、回收价值低。针对现有基站天线技术和产品面临的问题在馈电网络、辐射单元、天线罩、工艺及包装运输等方面，多频融合和绿色高效能成为基站天线演进的主要趋势：少线缆或无线缆的馈电网络技术：少线缆技术是缩短移相器和阵子部件的电缆连接，可明显提升天线效率，是目前主流的技术方案之一。无线缆技术主要有两种实现方式，一种是移相器腔体和反射板共用的一体化，振子与移相器通过转接连接或直接连接；另一种是一体化的移相馈电网络和辐射单元组件耦合馈电。

天线系统效率提升的辐射单元及阵列技术：提升单个单元的增益及辐射效率，提升单元的匹配和降低损耗，如二元阵合路集成到低频碗状辐射单元的底座上，一体成型。优化巴伦的宽带匹配特性可以减少边频失配损耗。在阵列方面，可以采用低频辐射臂上加高频去耦滤波枝节，降低低频对高频的影响，提升高频辐射单元的辐射效率。

新型复合材料天线罩设计：如通过对热塑性改性，获得低介电常数和低密度的增强塑料材料；或以树脂材料为基础，通过玻纤掺杂形成塑胶合金等。生产过程将更环保，生产的产品和材料可回收利用，在保持足够强度的情况下获得低损耗特性，从而提升天线的性能指标，降低天线设计难度。多种工艺提升技术：采用不同辐射单元的工艺形式，如钣金工艺实现免电镀，生产过程中无废水和废渣，废料也可重复回收利用。

在馈电方案中实现免电镀技术，比如采用耦合馈电，避免或减少焊接点；焊接点无需电镀，直接采用激光焊接实现金属与金属焊接；局部面积电镀或其它镀膜方式，如真空离子镀膜等。多种环保材料包装探索：如瓦楞纸板、蜂窝纸板、淀粉发泡等可降解或回收利用的材料，提升材料的复用率，减少材料的用量，进而降低碳排放。或采取可循环再生的包装设计方案，单次包装运输化为多次利用等。

随着绿色转型的持续升级，产业链上下游将在包括材料、设计、制造、应用的全生命周期内各个环节遵循绿色节能的原则，实现共同转型。多频融合天线技术和产品正在向绿色高效能的方向持续演进，它不同于只偏重性能指标的传统天线产品，越来越向着关注产品背后的绿色环保等社会价值的方向发展。

三、具有多维波束能力的阵列天线成为主流需求

在 4G 后期，3D-MIMO 将垂直维度的波束赋形引入到移动通信系统中，使基站的波束能力得到进一步拓展和增强，三维阵列形态也成为 5G 宏基站的主要天线形态。目前在垂直维度的数字通道数量有限，随着场景化对精细化覆盖的需求，数字 + 模拟方式的天线阵列是重要的演进方向。一方面能够通过“数字+ 模拟”加权的方式实现更精准的波束，充分利用天线孔径。另一方面不必通过增加数字通道而节约成本。在毫米波频段，数模混合天线是主要的天线形态。

在低频段，数模混合阵列和波束赋形方法也是发展的重要趋势。由于模拟波束的管理与系统时频资源关系密切，是数模混合天线应用的关键。此外，定位、感知等应用的扩展对基站天线技术提出了新的要求。对通信来说，基站天线的设计更多考虑信号强度、信噪比、干扰或者多用户复用情况下的空间隔离度，波束的设计和管理也依据这些原则进行。

在定位、感知等场景下，一方面，需要更精准的多维波束以便测量用户和感知目标的角度信息，波束对空间的分辨能力直接影响角度测量的精度；另一方面，特别是对感知信号来说，其波束与时频资源的映射关系以及波束管理也与通信有差异。

对低空覆盖来说，由于感知与通信覆盖能力的差异，以及对波束能力要求的不同，会存在低空通信天线和低空通感一体天线两种方式，后者是未来的主要演进方式。由于需要对各种波束方向图进行精准的设计和控制，会衍生新的技术和产品形态，以满足技术发展对多维波束能力的需求。

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