基站天線的無源互調(diào)分析與研究

廣東通宇通訊股份有限公司 汪常娥

1 引言

當(dāng)兩個(gè)或兩個(gè)以上的信號(hào)通過非線性器件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生除基波信號(hào)外的其余分量，稱之為無源互調(diào)產(chǎn)物(PIM：Passive Intermodulation)。PIM產(chǎn)物隨功率增加而增大；隨階數(shù)增大而減小。無源互調(diào)不僅影響本系統(tǒng)，還會(huì)干擾共站的其他系統(tǒng)，嚴(yán)重時(shí)可使得整個(gè)通信系統(tǒng)癱瘓。基站天線往往作為收發(fā)共用天線，發(fā)射功率大，接收靈敏度高，無源互調(diào)成為不可忽視的干擾源，天線的PIM問題越來越受到人們的關(guān)注。

2 無源互調(diào)介紹

當(dāng)輸入信號(hào)f1、f2，通過非線性器件產(chǎn)生互調(diào)信號(hào)： 1階（f1、f2）；2階（(f1+f2)、(f1-f2)）；3階（(2f1±f2)、(2f2±f1)）；4階（(3f1±f2)、(3f2±f1)、(2f1±2f2)）；5階（(4f1±f2)、(4f2±f1)、(3f1±2f2)、(3f2±2f1)）……

其中三階頻率離有用信號(hào)最近，互調(diào)電平最大，若落到接收頻帶內(nèi)，占據(jù)有用信道，造成信號(hào)丟失、虛假信道繁忙、語音質(zhì)量下降，直接影響通信容量和質(zhì)量。因此工程上最關(guān)心三階互調(diào)，是評價(jià)天線性能的重要指標(biāo)。兩個(gè)43dBm信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)-110dBm的互調(diào)信號(hào)，表示為-153dBc@43dBm（-110-43=-153dBc）。

3 產(chǎn)生原因

引起天線PIM的原因可分為非線性金屬接觸和非線性材料，主要包括：

（1）物料采用非線性材料：金屬具有鐵磁性等。

（2）表面處理不當(dāng)：鍍層厚度、表面粗糙度和平整度不達(dá)標(biāo)等。

（3）工藝要求不達(dá)標(biāo)：電纜內(nèi)芯氧化，虛焊、漏焊、拉尖等。

（4）裝配不規(guī)范：螺釘松動(dòng)、部件間有縫隙、饋電槽沒裝卡座等。

3.1 非線性金屬接觸

非線性金屬接觸是產(chǎn)生PIM的主要原因，如不牢靠的機(jī)械接觸，虛焊和表面氧化等。其因素源于金屬部件的鍍層厚度、粗糙度和平整度。

天線反射板上集中裝配輻射單元、饋電網(wǎng)絡(luò)、連接器及安裝件等。各部件間的電流密度不同，為降低因接觸非線性造成的PIM，必須增大接觸面積，減小各部件與反射板間的電流密度差，或采取徹底絕緣方法。圖1所示中，兩金屬面間并非100%完全接觸，由于隧道效應(yīng)，電子穿過細(xì)小裂縫，通過接觸點(diǎn)流動(dòng)，使接觸面呈現(xiàn)非線性。

圖1 非線性金屬接觸示意圖

當(dāng)兩金屬表面接觸松動(dòng)時(shí)，少數(shù)接觸點(diǎn)連接，電流密度較大；增大接觸壓力，可增多接觸點(diǎn)，減小電流密度。PIM電平隨接觸面積增加而減小，為獲得優(yōu)良PIM值，需提高表面粗糙度指標(biāo)。

3.2 非線性材料

天線各部件的材料對PIM起重要影響，金屬材料應(yīng)具有非鐵磁性，非金屬材料要注意其介電常數(shù)。通過對不銹鋼、鍍鎳、黃銅制成的金屬零件做PIM試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)黃銅的連接器基本不受外界磁場影響，鍍鎳零件的互調(diào)比黃銅的高約40dBm，而不銹鋼的零件受磁場影響最大。因此零部件應(yīng)具有非鐵磁性，禁止使用鐵磁性材料，且表面處理禁止電鍍鎳。

綜上，非線性金屬接觸產(chǎn)生的PIM具有不穩(wěn)定性，不存儲(chǔ)性，當(dāng)改進(jìn)接觸方式后，可明顯改善PIM（經(jīng)驗(yàn)上焊接式優(yōu)于壓接式，壓接式優(yōu)于卡接式）。非線性材料產(chǎn)生的PIM受外界電磁場影響，有存儲(chǔ)性，即當(dāng)外界電磁場消失，互調(diào)仍存在。

4 預(yù)防與改善

PIM無法避免，只能采取措施預(yù)防與改善，從部件設(shè)計(jì)與裝配方式著手。

4.1 部件設(shè)計(jì)

基站天線由多部件組裝而成，包括輻射單元、饋電網(wǎng)絡(luò)、反射板、連接器等，每部件都會(huì)影響整個(gè)天線的PIM指標(biāo)。

4.1.1 輻射單元

輻射單元是基站天線的核心部件，對PIM產(chǎn)生的影響至關(guān)重要，工程上一般要求輻射單元的互調(diào)指標(biāo)≤-115dBm@43dBm，其工藝實(shí)現(xiàn)分為金屬壓鑄與PCB蝕刻。金屬壓鑄件優(yōu)點(diǎn)：模具成型，一致性好；精度高，不易變形；裝配簡單，易批量生產(chǎn)。缺點(diǎn)：設(shè)計(jì)、調(diào)試麻煩，定型前不宜開模，開模修模費(fèi)用高。PCB蝕刻優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計(jì)、調(diào)試靈活，重量輕、成本低。缺點(diǎn)：加工工序多，控制無源互調(diào)相對困難。

輻射單元需要電鍍，電鍍分為打底和鍍層處理，打底分為鍍銅和鍍鎳。鎳是鐵磁性材料，不能用于有互調(diào)要求的電鍍件中，須使用銅打底。銅打底后可選擇鍍錫或鍍銀。一般場合使用鍍錫，特殊場合（如輻射單元內(nèi)芯，連接器內(nèi)導(dǎo)體）才鍍銀。鍍錫分為亮錫與霧錫，亮錫晶粒大小約為2微米，霧錫晶粒大小約為4-5微米，可見亮錫有更好的表面粗糙度。

壓鑄件形狀對PIM的影響也不可忽視，尤其應(yīng)避免“尖端放電”。通過比較分析知：對壓鑄單元的直角進(jìn)行圓弧倒角后，三階互調(diào)提高15-25dBm。

4.1.2 反射板

反射板設(shè)計(jì)需注意事項(xiàng)：

（1）反射板要注意折彎，圓角要大，避免折彎處開裂。沖切成形的構(gòu)件，根部接連處需設(shè)計(jì)工藝槽。

（2）反射板的挖孔、沖切槽邊沿等部位去毛刺。

（3）反射板上的壓鉚盡量少，壓鉚點(diǎn)需遠(yuǎn)離單元，且壓鉚處要牢固，防止部件松動(dòng)。

（4）反射板厚度適中，保證底板不變形。

4.1.3 饋電網(wǎng)絡(luò)

饋電網(wǎng)絡(luò)包括微帶傳輸線、移相器/功分器/濾波器/合路器、同軸電纜。

研究發(fā)現(xiàn)通過改善微帶線的銅箔表面粗糙度，可提高互調(diào)指標(biāo)6～10dB。PCB銅箔表面處理有噴錫、鍍錫，沉錫，沉銀等。噴錫與鍍錫的錫厚度與均勻性無法控制，且鍍錫易產(chǎn)生錫須，不適合高互調(diào)的場合。沉錫與沉銀PIM都低于-110dBm，但沉錫比沉銀小2dB。設(shè)計(jì)微帶線應(yīng)注意細(xì)節(jié)：

（1）避免90°直角轉(zhuǎn)彎，尖角采用弧度，蝕刻不能有“狗牙”。

（2）互調(diào)隨線長增加而增加，隨線寬增加而減小。

（3）互調(diào)與基板散熱性能有關(guān)。介質(zhì)層厚度越厚，散熱效果越好，互調(diào)越小。

（4）防止微帶線受外力而變形。

微帶線與同軸電纜線的連接有兩種。一種是采用金屬接地片，再與同軸電纜線連接，加工簡單，成本較高，焊接工藝較高。另一種是在微帶線上金屬化過孔，將同軸電纜直焊在微帶線上，模型簡單、成本低，但對板材厚度有要求，須保證與電纜連接后，PCB不會(huì)機(jī)械變形。

移相器/功分器/濾波器/合路器是控制天線的相位、功率和濾波的重要部件，部件的裝配、接地方式與接地是否良好，將直接影響PIM指標(biāo)。工程設(shè)計(jì)中需將這些部件與反射板徹底絕緣，切斷電流通路，減小相互間的電流分布影響；避免尖角設(shè)計(jì)，壓鑄件應(yīng)采用圓弧倒角設(shè)計(jì)。

同軸電纜易于安裝被廣泛用于連接各部件，其裸露的內(nèi)芯易氧化，未使用的電纜要在內(nèi)芯的裸露端鍍錫，同時(shí)套上塑料帽。

4.1.4 連接器

連接器直接承載輸入的大功率信號(hào)，將直接影響天線PIM指標(biāo)。連接器的組成包括外導(dǎo)體，內(nèi)導(dǎo)體和絕緣介質(zhì)。連接器的內(nèi)芯和外導(dǎo)體采用焊接方式，可減少因連接器與同軸電纜間由于接觸而產(chǎn)生的無源互調(diào)。安裝使用中要求內(nèi)導(dǎo)體與測試設(shè)備間應(yīng)緊密結(jié)合，且內(nèi)導(dǎo)體有一定彈性，不易變形。

4.2 裝配方式

天線部件多，裝配復(fù)雜，需注意以下事項(xiàng)：

（1）焊接：避免虛焊、漏焊，防止雜質(zhì)溶入焊點(diǎn)；用恒溫電烙鐵，注意焊接時(shí)間，減少氧化物產(chǎn)生；焊接時(shí)保證焊點(diǎn)光滑。

（2）金屬接觸的表面處理：所有連接和接觸應(yīng)剛性安裝，保證緊密接觸減小振動(dòng)；盡量避免不同材質(zhì)的金屬接觸；盡量增大金屬接觸面積。

（3）金屬屑及雜質(zhì)清潔：加工和裝配會(huì)殘留鋁屑、銅屑和鐵屑，所有暴露的導(dǎo)電金屬表面需酒精清洗，去除金屬屑及雜質(zhì)（灰塵、汗?jié)n等）。

（4）去磁處理：鉚釘及各類緊固器件應(yīng)去磁處理；裝配使用無磁性工具，保證無金屬碎屑和磁性粉末等。

5 不良點(diǎn)排查

基站天線三階互調(diào)要求一般為≤-107dBm@43dBm，返修不良端口時(shí)，先檢查裝配是否可靠，再由初始值初步判定：

（1）60～70dBm：接頭不良，虛焊、漏焊，螺絲松動(dòng)。

（2）70～107dBm：振子、零部件不良，虛焊，螺絲松動(dòng)。

（3）下傾角變壞：耦合桿不良。

（4）三階互調(diào)跳動(dòng)：振子接觸不良、金屬接觸不良、螺絲松動(dòng)。

對以上情況，可采用以下方法改善：（a）用力矩扳手打緊螺絲，重新焊接焊點(diǎn)。（b）敲動(dòng)天線，定位不良部件并更換。（c）逐一斷開網(wǎng)絡(luò)與單元焊點(diǎn)，測量振子三階，確定是否更換。此方法同樣適用于其他部件，如移相器、合路器等，直到三階返修后合格。

6 結(jié)束語

本文在理論基礎(chǔ)上分析PIM產(chǎn)生原因，對易產(chǎn)生高無PIM的地方給出設(shè)計(jì)建議，最后給出不良點(diǎn)排查的經(jīng)驗(yàn)。通過對基站天線PIM的分析與研究，旨在改善天線PIM性能。

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