基站天线简史

回顾基站天线的发展历程，每一次都让人热血澎湃，因为它见证了移动通信技术的每一次飞跃，也记录着一代又一代通信人的青春与回忆。

过去几十年来，从1G到5G，从2.4Kbps到10Gbps，移动通信网络飞速发展的背后，离不开基站天线技术的不断创新突破。

基站天线是移动网络的“触角”，负责向用户收发无线信号，是整个移动网络中距离用户最近的设备，也是人们在城镇和乡村随处可见的设备。

虽然它们都被严严实实的包裹在防护罩里，看起来差别并不是太大，但其实多年来已经发生了巨大变化……

1G：全向天线

上个世纪90年代，一部“大哥大”的价格动辄过万元，而人们的工资却几十到几百不等。考虑移动用户较少，单站话务量较低，运营商的建网原则以覆盖优先。

因此，1G基站采用全向天线，用一根呈圆柱形或棍装的天线提供360度全向覆盖。

1G基站

全向天线向四周均匀发射和接收信号，难免会带来小区间频率干扰的问题，但由于当时站点稀疏、站间距很大，干扰并不太明显。

众所周知，移动网络的覆盖短板在上行链路。在移动通信领域，我们将基站到手机的信号传输链路称为下行链路，反之，从手机到基站称为上行链路。由于手机的发射功率比基站低很多，站点覆盖受制于上行链路。

从1G时代到2G早期，为了改善上行链路，通常采用空间分集技术，即在铁塔上部署两根在空间上分开的接收天线。为确保隔离度，两根天线之间的间隔距离至少为10个波长，比如900MHz的间隔为3.3m，1800MHz的间隔为1.67m。

2G：定向天线、双极化天线

进入2G时代，数字技术的引入推动设备成本大幅下降，移动产业迎来蓬勃发展的黄金时代。与此同时，天线技术迎来空前的创新和发展。

首先是扇区化，即从全向天线发展为定向天线。

随着移动用户快速增长，运营商的建网原则开始从“覆盖优先”向“提升容量”转变。提升容量的技术之一是扇区化，即把之前的360度全向覆盖划分为三个扇区，每个扇区覆盖120度。

于是，天线的形态从“棍状”演变为平板状的定向天线，天线被封装在更宽的外壳中。

定向天线的好处不仅能提升系统容量，由于信号辐射更集中，还具有更高的天线增益，能实现更远的覆盖距离。

但由于基站被划分为三个扇区后，每个扇区都需要安装两根空间分集的单极化天线，这意味铁塔上的天线数量倍增，不仅需要更多的天面空间，也增加了网络建设和维护的工作量。

2G早期的基站天线

也许正是出于这个原因，基站天线又迎来了一次重大技术进步——从单极化天线演进为双极化天线。

作为一种电感器件，天线会产生电场和磁场，语音和数据信号靠电场传送或接收。极化，就是天线电场的振动方向。无线电波传输都以某种极化方式运行，比如垂直极化和水平极化，前者指电场垂直于地面，后者指电场平行于地面。

考虑人们打电话的姿势与垂直极化信号更匹配，早期的基站天线一般采用基于垂直极化方式的单极化天线。

而双极化天线将两组极化方向相互正交（通常为+45度和-45度）的阵子交叠在一起，可在确保足够隔离度的前提下，以一根天线的外观形态收编过去的两根单极化天线。在外观上，双极化与单极化天线的最大区别是，双极化天线有两个天线端口，分别对应+45度和-45度偏振的两组天线阵列。

双极化天线

双极化天线打破了空间分集带来的部署空间限制，让基站天线可以轻松安装在桅杆、支撑杆、抱杆、灯杆等更多占地面积较小的通信杆塔设施上，使得基站分布越来越密集，网络覆盖也越来越广泛。

3G：多频段、多波束、远程电调

3G时代迎来双频段或多频段天线的规模部署。

每一代移动网络都会分配新频段，天线作为无线信号收发的关键器件，当然也需支持新频段。进入3G时代，面对2.1G等新频段引入，运营商需要在原有网络的基础上新增支持新频段的天线，再次面临铁塔天面空间和承重受限、运维复杂的问题，同时，由于一些市场已经出现了铁塔模式，有些运营商还面临铁塔租金成本上涨的问题。

于是，行业产生了强烈的“单天线支持双频段或多频段”需求，即双频段或多频段天线。

多频段天线

过去行业针对一个频段设计一个天线，现在如何实现单天线支持多频段？有两种方法：一是天线支持更宽的频率范围，可覆盖两个或多个频段；二是将不同频段的辐射单元阵列集成在一个天线外壳里，并确保各自互不影响。由于辐射元件支持的频率带宽有限，前者仅适用于频率彼此接近的频段，因此，后者更常见。

多频段天线

3G时代还诞生了远程电调天线倾角技术。

天线倾角，指天线主瓣与水平面之间的角度，它直接影响网络的覆盖、干扰和负荷均衡，在移动网络优化中是一个极其重要的参数。

有两种方法调整天线倾角：机械和电调。最初采用机械方式，依靠塔工爬上铁塔手动调整天线支架，使天线向所需方向倾斜。这种方式显然非常费时费力，不适合大规模网络维护和优化。

相比人工机械调整，远程电调天线利用振子的信号相位来精准控制波束倾斜，运营商可通过远程控制天线内部的移相器的方式来调整倾角。同时，对于多频段天线，电调天线可实现对各个频段的电下倾角的独立控制。

另外，面对2.5G和3G引入移动数据服务，移动用户数量加速增长，对移动网络的容量需求进一步提升，多波束天线应运而生。

过去，天线只有一个主辐射方向，称为单波束天线，且一副天线负责一个扇区的覆盖范围。相较于单波束天线，多波束天线可赋形出多个具有主辐射方向的波束，将一个扇区劈裂成多个更窄的波束，实现单天线多小区分裂。

由于多波束天线具有“单天线支持多小区”的超能力，无需增加额外的天线设备即可成倍提升系统容量，因此，尤其适合密集城区、大型活动现场等高容量热点场景。

4G：MIMO天线、多端口天线

LTE将MIMO技术引入了蜂窝网络，因此，4G时代最靓丽的风景线是MIMO天线。

MIMO，多发多收，指通过在发射端和接收端部署多根天线，分别同时传输数据流，实现在无需增加频谱资源和发射功率的前提下，成倍提升系统容量和可靠性。

MIMO越高阶，天线数目越多，系统性能越强。因此，我们在4G时代经常看到4T4R甚至8T8R的天线配置。4T4R，即在基站侧逻辑上配置4根收发天线；8T8R，指逻辑上配置8根收发天线。

通常，支持4T4R的天线内置2个交叉极化阵列，8T8R有4个交叉极化阵列。如上所述，一根双极化天线带有两个馈电端口，以此类推，4T4R带4个端口，8T8R带8个端口。

一边是支持高阶MIMO，一边面对2、3、4G多制式多频段共存，要求一根物理天线支持更多的频段，于是，4G时代的天线端口数量直上一个新台阶。

比如，中国移动4G时代的网络有GSM900、FDD900、GSM1800、FDD1800、TD-FA、TD-D多个频段多种制式，为了让一根物理天线支持这些频段并支持TD-LTE 8通道，业界推出了4488天线，即4端口支持900M，4端口支持1800M，8端口支持F&A频段，8端口支持D频段。

由于每一个端口都通过馈线连接到RRU，多端口天线让铁塔上的馈线越来越密集，远远望去，仿佛天线长出了浓密的黑胡子。

这显然看起来不太美观，也给安装和维护工作增加了难度。或许正是出于这样的考虑，行业出现了天线和RRU“合体”的方案。

天线与RRU集成

这种方案不仅看上去更美观、易部署、易维护，而且能消除馈线损耗和更省电。再进一步发展就是有源和无源高度集成的AAU。

5G：Massive MIMO AAU

如您所知，5G无线最关键的技术之一是Massive MIMO（大规模MIMO）。支持Massive MIMO技术的无线设备叫AAU（有源天线单元）。

Massive MIMO AAU有两大特点：天线阵列规模大、射频通道多。比如，典型的支持3.5GHz 64T64R的AAU有192个天线单元，支持64路收发通道。

这带来了两大技术优势：一是面对5G频率更高、信号覆盖能力更弱，Massive MIMO可通过调整多个天线单元的幅度和相位实现波束赋形，让无线信号能量更集中，指向更精准，从而增强覆盖能力和减少信号干扰；二是可通过多个数据流并发同时服务多个用户，提升系统容量。

Massive MIMO有力支撑了5G发展，未来这项技术还将向“超大规模MIMO”、“极大规模MIMO”持续演进。面对6G时代或将引入7GHz等更高频段，AAU将从64TRx升级到128TRx、256TRx甚至512TRx，天线单元数量将从192个提升到数百个甚至超千个。