5G 高效率天线需求探讨

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一、背景

通信基站是信息基础设施能耗的第二大户。根据对我国三大基础电信运营商的统计，“十三五”期间我国通信网络能耗持续增长，2020年我国通信基站耗电量达465.8亿kWh。尤其是2019年5G商用后，大规模部署的5G基站带来的能耗增速较快，2019和2020年同比增速分别达到28%和19%(如图2所示)。按照"十四五”未5G基站总数达到372万站，单站功耗为2kW进行计算，到“十四五”末，5G基站的年耗电量约为815亿kWh。考虑到采取2G/3G基站减频、节能减排工作的进一步深入及4G/5G共站址建设等措施，按照年平均降低能耗率为5%进行计算，预计2025年通信基站总耗电量约达到1050亿kWh。中国电力企业联合会公开发布《中国电力行业年度发展报告2021》中提出，2025年我国全社会用电量将高达9.5万亿kWh。按上述数据得出，2025年通信基站耗电量约占全社会用电量1.1%。

5G部署以后，移动通信网络耗电量成倍增加，预计2025年基站耗电量将是2020年的2.3倍；电费占运营商运营支出的20%~40%。

5G 基站系统（RRU+天线）在运营商的能耗占比约35%

运营商能耗组成

无线网能耗组成

无线基站能量流动示意

电能输入到RRU后，由电源管理，数字处理，功放后进入天线，再由天线辐射出去。电能输入到RRU、数字处理和功放这部份能耗，需要依耐芯片等技术进部才能有效降低。而目前先进芯片行业发展受地缘政治影响，发展受到一定限制。而提高基站天线效率，可以极大提高无线能量利用率。

二、传统基站天线面临问题

2.1传统天线架构复杂，能量转化效率低，互调失效率高

1. 馈电网络架构复杂，传输路径长，电气节点多，传输损耗大

2. 二元阵辐射单元匹配电路复杂，超宽带匹配难，辐射效率低

3. 天线罩介电常数高，穿透损耗大，高频方向图畸形严重

4. 金属互联点多，尤其是不稳定的悬浮结构，互调失效率高

2.2传统天线零件加工和产品制造过程均面临环保问题

1. 馈电网络的大多数零件加工均涉及电镀，属重污染行业

2. 玻璃钢天线罩和UPVC天线罩生产过程产生苯乙烯/HCI

3. 产品制造过程涉及大量的人工锡焊接

4. 玻璃钢天线罩不可降解，需要专业回收

而当前无线基站天线的效率，据统计再55.7%-66.8%之间。

三、思路

通过优化天线辐射单元提高匹配效率；优化馈电网络，降低损耗，减少节点。提高天线罩性能，优化天线扇区功率比等，可将天线效率提升至75%-85%，从而极大提升现有巨量无线基站的能源消耗。