范頌東

(京信通信系統(tǒng)(廣州)有限公司，廣東 廣州 510663)

基站天線無源互調(diào)干擾的分析與預(yù)防

范頌東

(京信通信系統(tǒng)(廣州)有限公司，廣東 廣州 510663)

隨著移動(dòng)通信的高功率多通道的發(fā)展，無源互調(diào)已成為移動(dòng)基站天線性能的重要參數(shù)，無源互調(diào)干擾直接影響通信的質(zhì)量?，F(xiàn)介紹了移動(dòng)基站天線中無源互調(diào)產(chǎn)生的原因，對其進(jìn)行分析，并從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝等方面提出改善的方法。

基站天線；無源互調(diào)；電化學(xué)腐蝕

0 引言

移動(dòng)通信基站天線是手機(jī)用戶用無線與基站設(shè)備連接的信息出入口，是載有各種信息的電磁波能量轉(zhuǎn)換器。無源互調(diào)(Passive Inter Modulation，PIM)是移動(dòng)基站天線的一個(gè)重要參數(shù)，無源互調(diào)干擾(PIMI)信號使得移動(dòng)通信基站的覆蓋范圍減小、通信信號丟失、語音質(zhì)量下降、系統(tǒng)容量受限等。因此我們有必要對無源互調(diào)干擾進(jìn)行分析研究，做到提前預(yù)防和排除，減少它對基站天線性能的影響。

本文主要從產(chǎn)品材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、加工工藝方面進(jìn)行分析和改善，減小無源互調(diào)的影響，以期獲得低互調(diào)的天線產(chǎn)品。

1 無源互調(diào)產(chǎn)生的原因

無源互調(diào)是指由無源部件的固有非線性特性引起的電磁干擾，基本的PIM現(xiàn)象是由電流流過非線性部件產(chǎn)生的，在通信系統(tǒng)中基本上有2種無源非線性：材料非線性和接觸非線性。前者指具有非線性特性的材料，后者指具有非線性電流/電壓行為的接觸，如松動(dòng)、氧化和腐蝕等金屬連接，因此基站特性中無源互調(diào)的產(chǎn)生不僅與材料特性、涂覆材料特性、結(jié)構(gòu)形式有關(guān)，還與成型工藝質(zhì)量有關(guān)。

基站天線結(jié)構(gòu)中有同軸電纜、射頻連接器、濾波器、功分器、多種不同材質(zhì)的金屬零件，壓鑄、拉擠、機(jī)加等不同的成型工藝，天線裝配過程存在的固定連接、焊接，操作環(huán)境中的灰塵、油污等，這些都有可能產(chǎn)生固有的非線性。

2 基站天線無源互調(diào)分析及預(yù)防

在基站天線中，材料選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的受力分布、連接緊密性、電鍍工藝和零件成型工藝質(zhì)量等方面對無源互調(diào)都有影響。

2.1 材料對無源互調(diào)的影響及預(yù)防

材料對無源互調(diào)的影響主要有：(1) 鐵磁和碳纖維材料對無源互調(diào)的影響。鐵磁材料(如鋼鐵、鎳、鉬等含磁性的材料)導(dǎo)磁率變化造成的非線性。碳纖維材料(如玻璃鋼)存在非線性電阻系數(shù)。(2) 兩接觸元件材料間的電位差過大對無源互調(diào)的影響。當(dāng)兩種不同金屬互相接觸后，逸出功較小的金屬由于失去電子而增高電勢，逸出功較大的金屬由于增加電子而降低電勢，兩者之間就呈現(xiàn)出電位差。兩種或兩種以上不同電極電位的金屬處于腐蝕介質(zhì)內(nèi)相互接觸而引起的電化學(xué)腐蝕，又稱接觸腐蝕或雙金屬腐蝕。發(fā)生接觸腐蝕時(shí)，電極電位較負(fù)的金屬通常會(huì)加速腐蝕，而電極電位較正的金屬的腐蝕則會(huì)減慢。

表1為常溫下的金屬標(biāo)準(zhǔn)電化學(xué)電位系列。

表1 常用金屬標(biāo)準(zhǔn)電化學(xué)電位系列(溫度為25 ℃)

為防止接觸腐蝕，應(yīng)選擇在工作環(huán)境下電極電位盡量接近的金屬作為相接觸的電偶對；減小較正電極電位金屬的面積，盡量使電極電位的金屬表面積增大；盡量使相接觸的金屬電絕緣，并使介質(zhì)電阻增大。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對無源互調(diào)的影響及預(yù)防

2.2.1 天線結(jié)構(gòu)

圖1為某基站天線結(jié)構(gòu)示意圖。天線總體安裝方式為：底板與支承座、角板采用螺栓固定連接在一起，支承座又與天線罩、安裝板采用螺栓固定連接在一起，形成整體結(jié)構(gòu)。從電磁角度來說，支承座布置在底板背面，射頻電流密度很小，對互調(diào)的影響不是主要因素，但產(chǎn)品互調(diào)檢測時(shí)卻在支承座的部位發(fā)現(xiàn)有較大的影響，這說明一些不規(guī)則的變形會(huì)造成電氣元件的接觸非線性，從而產(chǎn)生無源互調(diào)干擾。從圖1可知，支承座是連接天線內(nèi)外部結(jié)構(gòu)的主要零件。下面以底板、天線罩及其組成的安裝界面為對象，針對支承座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和受力分析其對無源互調(diào)的影響。

圖1 某基站天線結(jié)構(gòu)

2.2.2 支承座力學(xué)分析

一般支承座的結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。從圖2可知，支承座與天線罩側(cè)和底板側(cè)安裝平面間的平行度取決于折彎角度的選擇(折彎后回彈的補(bǔ)償是否合適)和材料厚度的差異及材料的塑性。折彎機(jī)折彎一般采用單工序成型，折彎角度在±0.5°范圍內(nèi)是正常的，天線罩側(cè)安裝面相對于底板側(cè)安裝面的折彎角度正?？梢赃_(dá)到±1°，在天線罩側(cè)平行度可以達(dá)到±0.4 mm。按照此值，對支承座的天線罩一側(cè)安裝面預(yù)置相對于底板側(cè)安裝面的平行度為0.4 mm(僅考慮單方向的變化)，安裝界面力學(xué)分析的邊界條件如圖3所示，結(jié)果如圖4(應(yīng)力圖)和圖5(位移圖)所示。

圖2 支承座結(jié)構(gòu)形式

圖3 支承座與底板的邊界條件

圖4 支承座與底板的應(yīng)力圖

圖5 支承座與底板的位移圖

從圖4可以看出，當(dāng)對支承座天線罩側(cè)施加一個(gè)0.4 mm的預(yù)設(shè)變形量時(shí)(圖3，這里僅對安裝界面變形的其中一種情況進(jìn)行仿真，實(shí)際情況要比這種假設(shè)復(fù)雜得多)，底板上的應(yīng)力將重新分布，由正常的0.077 MPa變化到4.39 MPa，變化程度達(dá)到2個(gè)數(shù)量級，雖然應(yīng)力整體比較小，但從對應(yīng)的位移圖(圖5)可以看出，底板產(chǎn)生的變形最大有0.367 mm，基本接近對支承座預(yù)設(shè)的變形量0.4 mm。

2.2.3 無源互調(diào)分析

一般電氣類元件(振子、功分器、濾波器等)直接安裝在底板上，只在底板局部造成塑性變形以滿足電氣連接的緊密接觸的需要，除非各元件之間距離太近，一般來說，各處的塑性變形之間不會(huì)產(chǎn)生相互影響，但支承座處的連接緊固后，底板平臺(tái)(含所有電氣類元件與網(wǎng)絡(luò))與天線罩便形成一個(gè)系統(tǒng)，支承座安裝不但會(huì)導(dǎo)致其對應(yīng)安裝部位的底板局部塑性變形，還有可能導(dǎo)致底板平臺(tái)產(chǎn)生復(fù)雜的扭曲變形(圖4、圖5)，這種變形會(huì)對其他處的接觸質(zhì)量產(chǎn)生影響(因?yàn)樽冃我欢ㄊ切枰尫诺?，從而影響互調(diào)。以天線下端為例，因?yàn)橹С凶鶅砂惭b平面所受作用力不共線，會(huì)形成轉(zhuǎn)矩(圖6)，轉(zhuǎn)矩的方向視作用力的特點(diǎn)不確定，也就是說，天線的幾個(gè)支承座對底板平臺(tái)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大小、方向?qū)嶋H上是不一致的，底板平臺(tái)將產(chǎn)生不規(guī)則的變形來釋放這些轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的影響，而這種不規(guī)則的變形造成電氣元件的接觸非線性，從而產(chǎn)生無源互調(diào)干擾。

圖6 支承座轉(zhuǎn)矩圖

2.2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善

如果僅從設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的角度看，支承座的結(jié)構(gòu)形式具有多樣性，但如果將底板平臺(tái)作為一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行考慮，每個(gè)元件處的接觸質(zhì)量就會(huì)受到系統(tǒng)的力學(xué)特性的作用而發(fā)生變化?；フ{(diào)測試時(shí)敲打天線可以發(fā)現(xiàn)互調(diào)有明顯變化的實(shí)踐是個(gè)佐證。底板平臺(tái)和天線罩之間的連接或與外部設(shè)備的連接將對底板平臺(tái)進(jìn)行作用，該種作用會(huì)導(dǎo)致底板變形，而這種變形將會(huì)使得其上各處的安裝界面的接觸質(zhì)量重新分布。所以，我們在進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局和零件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該進(jìn)行系統(tǒng)考慮，努力從結(jié)構(gòu)上消除或減弱導(dǎo)致底板變形的附加作用?？梢圆扇∫韵赂倪M(jìn)方式：(1) 盡可能消除通過支承座安裝在天線寬度方向?qū)Φ装瀹a(chǎn)生的附加轉(zhuǎn)矩作用，如果受設(shè)計(jì)空間所限，支承座處存在附加轉(zhuǎn)矩時(shí)，也應(yīng)盡可能將該轉(zhuǎn)矩設(shè)置在天線長度方向，這樣可以減弱轉(zhuǎn)矩對其他安裝截面接觸質(zhì)量的影響。(2) 可以改善成型工藝。將普通折彎機(jī)折彎成型改為鈑金沖壓成型，安裝平面之間的平行度通過折彎模保證；將折彎成型改為壓鑄成型；將折彎成型改為拉擠成型，安裝平面間的平行度通過鋁合金拉擠模具保證，必要時(shí)可以通過機(jī)加來保證，但會(huì)增加成本。

2.3 螺釘緊固對無源互調(diào)的影響及預(yù)防

金屬連接固定緊密性在以下方面會(huì)對無源互調(diào)穩(wěn)定性產(chǎn)生影響：(1) 金屬連接不緊密，造成金屬表面接觸不良。(2) 金屬連接處有污物、因涂覆形成的“電容現(xiàn)象”→金屬→絕緣物→金屬連接物的存在。(3) 射頻連接器連接的緊固狀態(tài)，連接器件之間連接不夠緊密，導(dǎo)致信號電流不連續(xù)。

基站天線內(nèi)的無源器件如移相器、濾波器、功分器等部件的腔體材料大多為鋅合金或鋁合金壓鑄件，與其配合使用的大多為M3、M4螺釘。下面從不同材料腔體濾波器采用不同大小的螺釘緊固性對無源互調(diào)穩(wěn)定性的影響進(jìn)行分析。

螺釘質(zhì)量保證：(1) 螺釘與螺紋孔的配合要求。需按GB/T197—2003《普通螺紋 公差》進(jìn)行選擇，如表2所示。(2) 螺釘螺紋尺寸要求。用千分尺測量螺紋大徑，螺紋尺寸均需滿足表2的公差范圍，用螺紋塞規(guī)和螺紋環(huán)規(guī)進(jìn)行檢測，螺釘均滿足M4.0×0.70-6g要求，全部保證螺紋環(huán)規(guī)通規(guī)通、止規(guī)止。(3) 螺紋底孔要求。要嚴(yán)格控制螺紋底孔的大小，可以適當(dāng)修改螺紋孔的選用等級；在不同材料的壓鑄鋅合金和壓鑄鋅合金的零件上加工螺紋，采用的加工底孔不同。M4螺紋采用φ3.4底孔，M3螺紋采用φ2.5的底孔。(4) 螺釘擰入力矩控制。在不同材料上的力矩要求如表3所示。

表2 螺釘、螺紋公差范圍

表3 在不同材料上的力矩?cái)?shù)據(jù) 單位：N·m

不同大小的螺釘緊固性交調(diào)數(shù)據(jù)對比：采用3種結(jié)構(gòu)及2種材料的濾波器，B頻單層(材料為鋅合金)、K頻單層(材料為鋅合金)、BK雙層(材料為鋁合金)進(jìn)行試驗(yàn)。數(shù)據(jù)如圖7和圖8所示。

圖7 B頻單層、BK雙層濾波器互調(diào)值

圖8 K頻單層、BK雙層濾波器互調(diào)值

從圖7和圖8的對比結(jié)果可知，不同結(jié)構(gòu)、不同材質(zhì)、不同頻段的濾波器采用M4螺釘?shù)慕徽{(diào)穩(wěn)定性優(yōu)于采用M3螺釘。因此在選用緊固件時(shí)，在保證螺釘尺寸公差、螺紋底孔尺寸、扭矩大小的同時(shí)，應(yīng)選用直徑大的螺釘來提高交調(diào)的穩(wěn)定性。

2.4 電鍍對無源互調(diào)的影響及預(yù)防

(1) 金屬零件電鍍的鍍涂材料選擇不合適，如鍍鎳、含磁性材料。(2) 鍍層厚度不均勻，存在未清洗干凈的電鍍?nèi)芤?，有鍍層起泡、脫落等不良現(xiàn)象。(3) 由于肌膚效應(yīng)，零件在鍍銀、鍍銅、鍍錫時(shí)最好選擇鍍層厚度6 μm以上。(4) 銅基材電鍍純錫會(huì)生長“錫須”引起微放電而產(chǎn)生無源互調(diào)?！板a須”的產(chǎn)生是由于錫與銅之間相互擴(kuò)散，形成金屬互化物，致使錫層內(nèi)應(yīng)力的速度增長，導(dǎo)致錫原子沿著晶體邊行擴(kuò)散，形成“錫須”，同時(shí)電鍍后電鍍層的殘余應(yīng)力和在高溫、潮濕的環(huán)境下，都易導(dǎo)致“錫須”的生長。防止“錫須”的產(chǎn)生有以下措施：1) 采用在鍍液中增加鉛，如鍍鉛錫(液中加入3%～5%的鉛)合金與有鉛焊接；鍍錫(鉍)鈰合金與有鉛焊接，可延緩“錫須”的產(chǎn)生，但不環(huán)保。2) 鍍錫后再次通過表面防護(hù)，如噴、刷“三防”涂料、專用防護(hù)液(DJB-823)等，可延緩(2～3年)“錫須”的產(chǎn)生，但鍍層厚度不均勻。3) 通過消除應(yīng)力，如將產(chǎn)品在150 ℃下烘烤2 h退火處理；零件電鍍、焊接后去應(yīng)力處理后，存放在干燥、通風(fēng)環(huán)境中等，可延緩“錫須”的產(chǎn)生。

2.5 零件成型工藝質(zhì)量對無源互調(diào)的影響及預(yù)防

基站天線多數(shù)的輻射單元、功分器采用壓鑄工藝成型，因壓鑄工藝本身導(dǎo)致零件帶有如微小裂縫、縮孔、砂眼、氣泡、毛刺等缺陷，引起微放電而產(chǎn)生無源互調(diào)，因此需提高壓鑄工藝的質(zhì)量，減少零件中的砂眼，增加致密性。此類零件通常需要焊接，而光滑表面產(chǎn)生的互調(diào)產(chǎn)物電平低于粗糙的焊接表面，因此需要提高壓鑄件表面的質(zhì)量，保證表面粗糙度小于0.4 μm，且表面不得有斑點(diǎn)、凹坑、銹蝕、碎屑等雜物，以減少成型工藝對無源互調(diào)的影響。

3 結(jié)語

以上從材料選擇、零件加工、電鍍工藝控制、成型工藝等質(zhì)量控制方面提出了實(shí)現(xiàn)低交調(diào)性的一些方法，并對不當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、螺釘大小的使用進(jìn)行了客觀的分析，指出了應(yīng)避免的地方和預(yù)防措施。這僅是基站天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)典型的案例，不是全部。因而，為保證實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的低交調(diào)指標(biāo)，還應(yīng)在其他方面進(jìn)行預(yù)防。

[1]王海寧，梁建剛，王積勤，等.高功率微波條件下的無源互調(diào)問題綜述[J].微波學(xué)報(bào)，2005，21(4)

[2]賀巖峰，孫江燕，趙會(huì)然，等.無鉛純錫電鍍晶須產(chǎn)生的原因與控制對策[J].電鍍與涂飾，2005，24(3)

2014-02-24

范頌東(1967—)，女，天津人，工程師，研究方向：雷達(dá)天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及移動(dòng)基站天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。