引言：
基站天线（以下称天线）做为移动通信基站系统中重要的一部分，当被安装到基站上后开始服役，由于初期的设计选材和制造工艺、以及使用过程中受地域和气候的影响，随着使用年限的增加则会出现不同程度的老化，影响天线辐射特性，最终失效，进而影响到整个通信网络系统和广大用户的通讯质量。特别是随着第四代移动通信（LTE）系统的广泛应用和高质量且稳定的移动数据通信的需求，品质优良、射频特性优良且稳定、无源互调（PIM）性能（尤以三阶PIM为主）更低更稳定的天线越来越受到市场的重视和欢迎。另外，由于通信系统应对极端气候能力的要求不断增强，天线的可靠性、稳定性将作为主要考察指标之一，因为，在极端气候条件下，通信用户数量往往会急剧增加，更需要一个可靠、稳定、清晰的通信系统。例如，地震、台风、暴雨、沙尘暴、梅雨潮湿天气、冰雪灾害、昼夜温差大等。而这些气候往往会加速户外基站天线的老化，进而不同程度地影响天线的辐射性能，例如驻波比（VSWR）、隔离度（Isolation）、三阶互调以及方向图的准确性等。
 
寿命与可靠性：
经过长期的对业界在网天线的数据收集，以及在实验室的加速老化测试，移动基站天线系统的可靠性、寿命和老化过程也符合标准的工业产品可靠性老化趋势和变化特性。下面是几个重要的可靠性、寿命和失效的相关概念，常用于表征天线可靠性的参数。

• 可靠性 (reliability): 即产品在规定的条件下和规定的时间内，完成规定功能的能力；

数学表征为（随机失效阶段，遵循指数分布公式）：

• 失效率（failure rate，λ）：即在特定的工作时间，失效数量与样本总体量的比值；
• 平均无故障工作时间 (MTBF, mean time between failure): 指产品无故障连续工作的时间，其含义为表征失效率的直观关系，数学公式为失效率的倒数，单位为时间。即：MTBF = 1 / λ                                                                   
• 浴盆曲线: 表征产品失效的阶段与失效率的关系，如下图1所示。分为三个阶段，早期失效阶段，随机失效阶段和疲劳失效阶段。天线也服从这一标准的浴盆曲线。
  • 天线早期失效阶段：即在天线从生产、运输到安装到基站上后不久的试运行阶段出现故障，此阶段时间很短，从几小时到几天不等；大致失效模式为产品制造工艺、运输破损、安装不当等缺陷，容易排除和降低到最小以减少客户使用风险，增强和延长产品正常使用寿命。
  • 随机失效阶段：即天线经过早期磨合，试运行后无风险到使用寿命时间结束,此阶段失效率很低，属于随机失效，是天线正常安装到基站后工作至天线老化或使用年限截至的时间段出现的极低的失效阶段。
  • 疲劳失效阶段：即天线设计使用寿命已到、或者老化加速、寿命缩短、微波特性衰减加速, 此阶段大部分天线容易出现故障和失效，所以失效率是逐次递增的关系。

 
图1：浴盆曲线
由于各天线制造商的天线设计使用寿命和天线的可靠性不同，天线随机失效阶段，即天线正常工作寿命区间长短也有所不同，从几年到十几年不等。
 
质量是天线使用寿命的综合基础
在多年的技术积累和实践过程中，我公司在天线设计方面始终遵循如下思路，开展模块化的设计和选材工作，从源头开始就质量作为所有工作的起点，确保最终交付物的质量可靠性。
 
系统可靠性分为串联系统可靠性、并联和混联系统可靠性，由于不同的产品设计不同其产品电路和微波路径子系统呈现不同的系统。一般常规天线均为串联系统，多频段智能天线为并联或混联系统。如图2和图3，串联和并联系统失效率和可靠性计算事例。下面以串联系统为例，简要介绍天线的系统可靠性.
 
串联系统

系统可靠性	R system  =  RA   x   RB
失效率	λ system  = λ A  +  λ B
如果	RA  =  RB  = 0.99
可靠性	R system  =  RA   x   RB = 0.98

 
图2：串联系统可靠性计算
 
并联系统

 

系统可靠性	R system  =  1 -（1-RA） X （1- RB）
如果	RA  =  RB  = 0.99
系统可靠性	R system  =  0.9999

 
图3：并联系统可靠性计算
 
串联系统模拟了天线的最严酷的无冗余度系统模型， 因此，各个分系统可靠性相乘的积为系统可靠性，如下公式 4-1。
                                                              
如图4，常规单频段天线分为机械结构子系统和射频子系统，机械结构子系统内部分为天线架构、天线罩、安装系统模块；射频子系统大致分为射频线缆和接头、馈线网络、辐射单元模块；其系统模型由各子系统可靠性串联而成，故系统可靠性采用串联计算方式, 由子系统模块可靠性从而推断和预计天线整体的系统可靠性。

图4：基本的串联系统天线模型可靠性计算
基于上述思路，在天线组件的材料选择方面，我公司自源头就从射频性能、机械结构和可靠性试验三方面紧密结合，进行综合考虑。

1. 射频特性与寿命

微波辐射特性是基站天线的重要表征指标,例如增益、波瓣宽度、前后比、驻波比、隔离度、三阶互调等，例如图5标准的天线方向图演示。一般来讲，天线的辐射特性在其使用寿命阶段无明显和严重差异；随着天线使用年限的增加，以及间断性的高功率输入则会使射频路径温度急速升高，加速其材质老化、最后其辐射特性衰减而影响整个基站系统；为了满足客户需要和原来设计的网络覆盖区域，建议使用年限很久的天线，不能满足目前容限或者已经超出设计使用寿命年限的天线及时更换。

图5：基本的串联系统天线模型可靠性计算

2. 机械结构与寿命

基站天线机械结构对其可靠性、寿命至关重要。天线安装在基站上后，由于离地面较高，气流流动大，长期处于振动状态下，不同的机械结构形成天线的固有频率是不尽相同的。在天线结构设计中，须尽量避免基站与天线系统形成共振，特别是在经常发生极端气候的地区。
一般情况下，沿海、热带海洋性气候容易形成台风、进而加速天线振动，进而影响其结构可靠性，缩短其使用寿命。此外，良好可靠的机械结构对其抗风载能力、应对淋雨、冷凝水、表面凝结冰雪等至关重要。图6、图7是天线在设计过程中的机械强度分析和风洞测试，以模拟和验证其机械结构的可靠性。
                            
图6：基本的串联系统天线模型可靠性计算                    图7：天线风洞试验
 

3. 材料与寿命

业界基站天线种类广泛，各个厂家天线材质选用不尽相同。天线系统长期暴露于户外，经历各种严酷的户外气候条件的冲刷和侵蚀。而天线恰恰需要用各种材料承载。这就使得材料对天线使用寿命密切相关，甚至起着关键的作用。目前用于常规天线的材料主要为金属材料、高分子材料/复合材料。
金属材料的刚性，延展性、抗腐蚀性等级都直接影响到天线的使用寿命。应尽量避免铁磁性材料对天线微波特性的影响，选择抗腐蚀性好或者表面钝化处理工艺较高的金属材料，特别是直接裸露于户外的零部件。不同的金属材料等级对天线的寿命也有很大的影响，刚性较低的材料有带来天线不稳定性能的不稳定的因素，对于安装系统，则会造成机械倾角设定值和实际值的差异。
高分子材料/复合材料也越来越多的应用于天线产品中，例如天线外罩、内部连接固定件等。部分高分子材料具有良好的抗风载、抗紫外线、日光老化的能力。但是由于各个厂家的材质配方、工艺、填料等有所不同，其抗老化能力各有所不同，最终则加速天线的整体老化和缩短天线的使用寿命。

4. 户外环境、地理气候与寿命

天线使用环境为户外，大致温度在-40℃到+60℃之间；恶劣的气候和极端的反常天气则加速天线老化，缩短其使用寿命。
通常情况下，热带海洋性气候，热带雨林、北寒带气候比温带，亚热带对天线加速老化程度较高。因为热带海洋性气候容易形成台风、飓风，强降雨；热带雨林长期处于湿热、潮湿的气候当中，此类天气会加速天线的金属材质腐蚀；特别是沿海地区, 比较潮湿，而且海风、湿气中携带NaCl成分较多，加上日光充足，则加速金属材料的表面腐蚀和高分子材料的日光老化，降解等。
寒带气候对天线寿命也有很大影响，季节温差较大会加速高分子材料和复合材料老化；沙尘暴冰冻等天气对结构影响较大。图8所示为2008年1月南方冬季雪灾，夜间温度骤降形成的冰冻天气时的状况。

图8：2008年南方雪灾时期的基站铁搭
 

5. 如何预测可靠性

根据电信行业和电子行业元器件可靠性失效模型和基本失效率求得，业界均采用Telcordia Black Box Case-2 零部件计数方法，给定置信区间90%, 应力50% 在+40℃的条件下的子系统模块元器件失效率累积失效率。子系统稳态失效率λ_SS由下式求得，单位为109 小时分之一。子系统模块零部件稳态失效率可查表Telcordia SR-332 Table 11-1, 对于特殊零件或非常用零部件则根据材料特性，使用用途和组成部位，按照使用寿命10年或15年等给与基本失效率输入值。

π_E        环境因子
π_Si 应力因子
π_Ti   温度因子
π_Qi 质量因子
λ_Gi   零部件稳态失效率
λ_SS  子系统稳态失效率
N子系统中的零部件个数
 
如上λ_SS 求得，则子系统可靠性根据使用寿命则可以预计，公式                   
 
平均无故障工作时间 – MTBF
可由以下公式求得MTBF

 
可用性Availability
可用性是度量天线的可操作性和维护性，定义为无故障工作时间和总工作时间的比值，其值为0-1的概率值。固有可用性可由以下公式计算。MTTR为平均修复时间 – mean time to repairing.

天线主要组件的选材考虑
辐射单元
作为天线的核心组件，辐射单元可以被看做天线的“心脏”。业界流行的主要有微带贴片、PCB、压铸和钣金振子。
其中PCB振子因其独特性，有如下特点，

	优点			缺点
振子类型	设计灵活性和交付周期	生产加工精度	天线重量	材料成本	装配难易程度	插损
PCB振子

 

• 设计灵活, 加工周期短, 利于快速的设计更改和优化
• 电路和辐射臂的完美结合, 在多频阵列天线里很容易实现匹配和去耦的设计
• 加工精度高, 性能一致性容易保证, 尤其高频应用更具优势,未来5G天线单元的趋势
• 天线重量轻
• 价格较贵
• 装配性方面较为复杂, 可通过工装夹具设计予以改善
• 插损较大, 可选择低损耗介质予以一定程度的改善

基于上述特型，结合面向将来5G天线技术的发展趋势，通过材料精细选择和严格质量管控，扬长避短，形成如方案策略，

• 选择行业内具有优良品牌和口碑的PCB基材厂商，发挥其卓越的设计能力、丰富的行业经验和优良的加工工艺，通过严格的质量管控，对介电常数(Dk)、介质损耗(Df)、导热性能、基材厚度、基材强度、热变形系数、 铜箔剥离强度和PIM等关键性能参数进行保障，确保在大批量供货中保证批次间的一致性
• 同时在公司内部对新PCB基材及供应商的建立了一套严格的质量评估, 验证, 审核及进货检验流程和标准

 
天线罩
选择合适的天线罩材料，必须考虑各种因素，包括但不限于介电常数(Dk)、介电损耗(Df)、抗紫外线老化、工作温度范围、强度、模量、冲击、吸水性、可回收性、材料密度和价格因素等。
常用天线罩材料对比分析

材料分类	材料名称	优点	缺点	应用范围
塑料材质	PVC	热塑性好 材料密度低 介电常数低，对辐射特性影响小 成型容易 价格低	耐高低温性能稍差	非大尺寸天线 严格控制材料配方，并结合结构设计，有益于制作射频性能优良的天线
	ASA	材料密度低 含有丙烯酸酯橡胶，具有良好的耐黄变能力 抗紫外老化能力较强 使用寿命相对较长	强度略逊于PVC	非大尺寸天线 严格控制材料配方，并结合结构设计，有益于制作射频性能优良的天线
复合材料	玻璃钢 (手糊)	轻质高强 耐腐蚀性能好 热性能好 抗风载能力强 抗紫外老化能力较强 高频下保持良好的介电性 易于定制，交付速度快	作为热固性材料，在折弯处角落延展性较差;易脆 受限于手工工艺，厚度公差大 耐磨性较差 相对于塑料材质介电常数高 不适于大批量生产，一致性稍差 弹性模量低，需要通过高模量纤维或者加强筋来弥补	大尺寸天线 小批量定制化
	玻璃钢 (拉挤)	强度高 耐腐蚀性能好 热性能好 抗风载能力强 抗紫外老化能力较强 高频下保持良好的介电性 生产效率高，一致性好	耐磨性较差 相对于塑料材质介电常数高 弹性模量低，需要通过高模量纤维或者加强筋来弥补	只要做到严格控制注塑工艺、填料、UV添加剂剂量、凝固温度、玻纤密度等，是广受欢迎的性价比优良的天线罩候选对象

 
**   对于天线罩材质的选择，应从多方面入手, 了解天线特性、工作环境，进而选择合适的天线罩材料。通常情况下，首先针对天线射频指标要求，例如增益、前后比、水平和垂直面波瓣宽度等，初步选择几种材料，进行射频性能的仿真对比，选择性价比较高、工艺成熟稳定的材料作为候选对象。其次，机械结构设计、模拟、选择材料的结构强度、材料特性、抵抗台风、振动、冲击、室外环境使用极限温度、材料中的抗紫外线稳定剂剂量、成型过程中的变形控制等。再次，应考虑符合阻燃要求，因为天线被安装在基站上后正常工作时，由于功率作用一直处于发热状态，特别是射频线路，所以天线罩及其部件良好的阻燃性能是必不可少的，为此，注塑企业都会添加阻燃剂等在其配方和成型工艺中以加强其阻燃性能。此外，满足全球各地区对产品和材质的基本要求至关重要，例如RoHS – 是《电气、电子设备中限制使用某些有害物质指令》（the Restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment）的英文缩写。
REACH -欧盟规章《化学品注册、评估、许可和限制》（REGULATION concerning the Registration, Evaluation, Authorization and Restriction of Chemicals）的简称,是欧盟建立的，并于2007年6月1日起实施的化学品监管体系) 以及世界各地区的各种电信产品环境实验标准。总之，尽可能的考虑到所有的因素，围绕天线的射频特性，机械特性和可靠性，结合被选材料的基本属性，业界技术和工艺水平等，选出优良的天线罩材料十分重要。
 
固定件
天线在设计和制作过程中会大量地使用固定件，用于把辐射单元、馈电网络等组件固定在反射板上。尽管单个固定件毫不起眼，但是引入时需要综合考虑多方面的因素，比如材质的可靠度、安装时的可操作性、性价比等；同时，这些工作将有助于控制天线整体的互调水平。
我公司在这方面已经形成了严格的新物料引入流程，具体如下，

 
反射板
作为天线主体结构的主要组件，也是决定天线机械强度的另一个关键部件，反射板的厚度和结构也是在选材时需要着重综合考虑的因素。
当下业界已经把铝材作为广泛使用的反射板材料，各家在设计天线时都会均衡材质厚度和结构对抗拉强度的影响，以及给射频性能带来的影响程度。
案例：
选取相同材质不同厚度和截面形状的反射板，考察对抗拉强度和射频性能的影响

反射板尺寸：长度=2034mm，宽度=273mm
板材厚度	弯曲度测试 （加压300N）	扭曲度测试（加压20NM）
2.5mm 常规截面形状	最大变形30.37mm 最大应力99.28Mpa	最大变形17.87mm 最大应力46.6Mpa
1.6mm 特殊截面形状	最大变形24.85mm 最大应力128.5Mpa	最大变形15.54mm 最大应力38.8Mpa

 

2.5mm厚度的弯曲度变形测试	1.6mm厚度的弯曲度变形测试
2.5mm厚度的弯曲度应力测试	1.6mm厚度的弯曲度应测试
2.5mm厚度的扭曲度变形测试	1.6mm厚度的扭曲度变形测试
2.5mm厚度的扭曲度应力测试	1.6mm厚度的扭曲度应力测试

图9：不同厚度结合不同截面形状的反射板抗拉强度对比



图10：不同截面形状反射板给前后比带来的变化（Total Power at +180 +/-30 deg）
 
小结：
       天线的选材设计是对厂家综合能力的考验，需要从多维角度进行通盘考虑，包括材料分析、供应商选择及议价能力、结构设计、射频分析和可靠性研究，形成长效且具备可操作性的平衡方案。而前述所有工作，均以质量理念为第一要务，并且贯穿整个过程，直至给出满意的交付物。
       本文针对基站天线设计选材进行了粗浅地阐述，所附材料仅供参考，若有不足之处，欢迎提出并互动交流。
康普通讯技术（中国）有限公司
联合撰稿小组：何锦春、刘朝辉、文伟东、余勇青