天線電調傳動可靠性分析

京信通信系統(tǒng)（中國）有限公司 黃潮生

1 引言

電調是天線核心功能，傳動是電調的根本。不同的電調傳動方案、設計直接影響天線成本，性能，功能等，且電調傳動有別于傳統(tǒng)的機械傳動，需要更多的考慮對天線電氣性能及整體的影響。如互調穩(wěn)定性，控制協(xié)議、供電功率等問題，傳動的可靠性性更多基于理論設計及實際數據基礎,下面綜合行業(yè)的技術現狀，從實際應用角度列舉并分析探討電調傳動可靠性。

2 基本傳動設計及CAE仿真

1）傳動零部件的力學可靠性性分析

典型的天線電調，通過基站信號驅動電機，控制傳動機構改變移相器相位實現傾角調整?；陔娬{精度及自鎖要求，市面上廣泛應用螺紋傳動，通過預設兩端擋塊判斷電調行程，再進行角度劃分，從而實現不同的電傾角設置。

在電調控制中，擋塊止檔位可靠性起到關鍵性的作用，在確保反復沖擊的同時，止動瞬間需承受較大彎矩，破壞的后果可能使螺紋傳動軸向力加載到移相器，破壞相位傳動機構導致天線失去電調功能，所以有必要根據典型設計經驗及CAE算法優(yōu)勢，展開迭代優(yōu)化，確保零部件傳動過程的可靠性（如圖1）。

圖1

2）傳動零部件的優(yōu)化設計

根據1）中仿真分析的結果（灰色部分超過材料安全載荷），對螺桿傳動的止檔薄弱處進行加料與倒角優(yōu)化加強，減小應力集中問題,如圖2所示。

在此之前,優(yōu)化有限元分析網格是有必要性的。對于復雜的模型結構而言,可以通過幾何拓補的方式，將四面體網格轉換為六面體網格，使數據運算更加收斂，降低計算量的同時提升局部精度，更能有效控制仿真數據的精準性，如圖3，4所示。

3）基于天線電調的螺紋傳動計算與分析

由于天線電調主要采用基站供電的方式，隨著基站技術的發(fā)展供電趨于低能耗輸出，驅動傳動的電機輸入功率在固定情況下，輸出扭矩及轉速受限且互為反比（如公式1所示）。

圖2 （應力集中程度相較降低）

圖3 （四面體網格）

圖4（六面體網格）

另一方面，基于基站AISG控制協(xié)議4分鐘內需完成校準的要求，在滿足天線傾角需求的低輸出扭矩T或推拉力的情況下，需要保障最低輸出速度N，且需綜合考慮傳動穩(wěn)定性等問題，展開以下公式做進一步分析。

L--移相器（螺桿）總行程；Famax--軸向負載載荷；d2--螺紋中徑；γ--導程角；α--螺紋牙型半角；L1--移相器有效行程；L2--前補償間隙；L3--后補償間隙；Ph--螺桿導程；tx--尋頻時間。

根據公式（2）（4）可看出，在負載一定的情況下，L與N成反比關系，即行程越大系統(tǒng)所需最低輸出速度越大。行程L越長安全系數Sf趨于更小。綜合來看移相器總行程設計過長，將對功率或穩(wěn)定性起到負面作用，所以對于設計較大天線電調行程而言，需考慮螺桿長度帶來的時間損耗問題。

另一方面，采用更高彈性模量的材料，減少摩擦系數或增大螺紋中徑等方式可以提升傳動的穩(wěn)定性，但基于天線互調的限制因素，傳動件一般選用塑料材質，彈性模量量級難以出現質的變化；塑料摩擦系數本就較為優(yōu)秀，雖通過潤滑的方式可以進一步提升，但考慮天線戶外環(huán)境可靠性（-40℃～+70℃），需要考慮潤滑帶來的低溫破冰及阻力矩增大等設計余量，得不償失。綜上所述，在設計初期有效控制螺紋中徑，后續(xù)工藝及維護簡單，更易提升可靠性。

根據（3）公式，在負載Fa一定的情況下，d2與T成正比關系，且d2增長比值大于正弦導程角的下降比例，通過數據建模圖表所示，根據公式（1）T對功率起到反向的作用。所以，螺紋中徑應該限制一定的范圍，不能無限加大。另外，螺紋中徑一定的情況下，越小的導程所需的最低輸出扭矩越小，但回到公式（2）導程卻對速度N起負面作用。

圖5 扭矩與螺紋中徑的應力曲線關系

綜合上所述，在天線電調的螺紋傳動設計中，需要考慮功率，速度，扭矩及穩(wěn)定性帶來的問題，細節(jié)部分需考慮切換、電機加速等帶來時間損耗的問題，移相器總行程應有效控制行程，螺紋中徑與導程相互制約，需要通過有效的實際數據或假設法進行反復驗證，以得到更優(yōu)的結構設計方案。

3 環(huán)境影響的可靠性分析

目前大多數材料設置于室外環(huán)境，根據移動天線設計規(guī)范要求，天線需滿足-40℃～+70℃極端惡劣環(huán)境工作需求。此對于傳動零部件而言要求更為嚴苛，意味著在高溫或低溫下需克服材料尺寸差異，強度，傳動效率下降等綜合因素帶來的損耗問題，保障充足的輸出功率，以滿足天線電調的輸入要求。

1）材料膨脹系數的影響

由于高低溫跨幅接近110℃，設計時需要綜合考慮材料各向熱脹冷縮的特點，且不同的材料間膨脹系數各不同，為了提高天線的傳動可靠性，在結構設計初期，需要盡量選擇相同的材料作為接觸傳動件，以保障零部件的收縮比例呈正比，可以規(guī)避大部分因設計預留不足導致的傳動隱患，如接觸件材料不同或尺寸比例過大等。零部件在基本公差設計之余，需通過表1膨脹系數充分計算極限尺寸，以保障如孔軸或齒輪副等傳動結構之間配合關系，避免過盈間隙或間隙過大的情況，確保天線傳動機構的可靠性。

表1 材料線性膨脹系數

2）高低溫應力與應變分析

由于塑料材質特點，高低溫下，抗拉、彎曲、抗剪強度將出現明顯的差異。在相同的受力情況下，不同溫度，零件尺寸會出現不同程度的形變，如POM材料，熔點較低，高溫遞進的過程中，如圖6應力應變曲線隨所示，溫度變化產生的影響尤為明顯。

對于精密的螺紋或齒輪傳動來說，尺寸的變化直接影響機構的傳輸效率，嚴重將導致天線電調堵轉等風險，反觀應變曲線，相同形變下也表現材料強度的下降，如齒輪傳動在負載情況下將影響嚙合重合度或中心距，可能出現卡死或跳齒等問題，影響天線電調功能，所以在工程設計初期，工程師需通過初步評估零部件受力情況及安全系數，參考選型材料的應力應變曲線和實際經驗進行綜合判斷，預留應變余量，并進行反向校核。對不同溫度下的傳動效率變化需要有實測值作為支撐，以保障天線電調傳動在不同環(huán)境下的可靠性。

圖6 POM應力應變曲線

3）HALT可靠性驗證

在天線傳動的可靠性驗證中，需投入大量人力物力，以充足的樣機基礎發(fā)現傳動中的概率性問題（如互為質數的齒輪傳動），消耗巨大。于是從另外一個維度考慮，可采用一種更嚴苛的試驗方式，放大產品缺陷，以達到反應傳動機構的可靠性目的，并減少投入。

HALT試驗通過極端的高低溫環(huán)境、隨機的振動頻率、或獨立或疊加方式進行。尋求樣品的低溫、高溫操作及破壞極限如圖7所示。氣動振動臺，頻率范圍為2Hz～10000Hz，且振動應力為六自由度，如圖8所示。

圖7 HALT試驗目

圖8 溫度與振動的綜合測試曲線

實際驗證中證明，溫度與振動疊加更容易放大材料、工藝、結構薄弱點等缺陷，使產品批量生產前充分評估并加以改善，對天線電調傳動批量可靠性起到重要的指導性作用。

4 電機可靠性分析

1）電機的選型及應用

在電調天線設計中，電機作為傳動機構的主要輸出器件起至關重要的作用，品種繁多，所側重功能各不相同，需要綜合考慮電機的大小，扭矩，潤滑，防腐，損耗，老化，磁性衰減，反電動勢，溫升，電流、電壓等相關問題，針對不同的傳動產品，電機性能的選型，直接影響傳動的穩(wěn)定性及功能的實現，對于天線電調傳動，需要重點考慮室外環(huán)境的影響，以及基站協(xié)議、功率等限制，選型一般遵循圖9所示，并通過上述因素綜合修正，以得到更優(yōu)的驅動器件。

圖9 選型步驟圖

電機的動態(tài)力矩較難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來。

2）電機的特性及可靠性

天線步進電機的精度為步距角的3-5%，且不累積；步進電機外表允許的最高溫度取決于不同電機磁性材料的退磁點；低于封閉環(huán)境，需加強考慮電機的溫升問題，避免在高溫工作下影響電子器件穩(wěn)定性，步進電機的力矩會隨轉速的升高而下降（U=E+L(di/dt)+I*R）如圖10所示。

圖10 某電機矩頻特性曲線

步進電機的起步速度一般在10～100RPM，伺服電機的起步速度一般在100～300RPM。根據電機大小和負載情況而定，應盡量選擇扭矩較大的區(qū)域，且在實際應用中，速度的選擇應盡量避免矩頻曲線斜率較大區(qū)域，也可采用電壓與電流的匹配方案修正曲線斜率，以保障電機輸出動力的穩(wěn)定性。

3）電機常見問題及原因分析

根據電機過往異常情況梳理，并總結相應的解決措施，如表2所示。

表2 問題題及原因分析

5 其它可靠性控制

1）潛在失效模式的控制-DFMEA（Design Failure Mode and Effects Analysis）

在天線電調傳動設計中，零部件環(huán)環(huán)相扣，牽一發(fā)而動全身，局部的細節(jié)異常將可能引發(fā)連鎖問題，導致嚴重的產品異常，但細枝末節(jié)的問題又錯綜復雜。DFMEA通過發(fā)行、評價產品/過程中潛在的失效及后果，找到能避免或減少這些潛在失效發(fā)生的措施，“事前行為”的方式可以有效評估產品或零部件的異常，減少“事后”帶來高額“補救”成本。且DFMEA通過時間、經驗的積累，可以形成經驗案例，對技術人員起警惕性及參考性作用，更全面的把控產品設計質量，提高天線傳動零部件可靠性。

2）制程能力指數的控制-CPK（Process capability index）

在常規(guī)的傳動設計中，如尺寸滿足極限誤差即為合格品，且往往在研發(fā)樣機階段某項性能合格，到了批量就出現較大偏差，乃至尺寸概率性超差等問題。對于傳動而言，超差的后果可能導致傳動功能失效，所以有必要通過合格的樣品進一歩更深入的分析及評估。CPK是基于統(tǒng)計學的一種應用，通過正態(tài)分布的數據的進行收集并針對合格零部件或合格傳動數據進行整合分析。根據偏差量透過固定公式進行綜合計算，從而推導批量生產可能帶來數據超差風險。對于天線電調傳動系統(tǒng)，CPK的控制能在設計端有效預知并預防批量不良率，側面評估供應商制程把控能力，預知設計人員可能存在超差風險以及概率，并進行針對性的協(xié)調、改進、優(yōu)化，確保傳動零部件的批量穩(wěn)定性。

6 總結

天線電調傳動是一項系統(tǒng)工程，涉及的影響因素及限制非常多，對于批量產品而言，傳動的失效形式是概率性的，而出現異常后追根溯源往往困難重重，且電調傳動零部件環(huán)環(huán)相扣，變更及維護成本高。所以在設計初期，設計人員應充分了解實際應用情況，綜合評估傳動的輸入與輸出條件，通過仿真或計算分析，多方面考慮環(huán)境所帶來的不確定因素，完善并收集相關較為全面的數據進行統(tǒng)計，制定合理的，可行性更高的電調傳動方案。總之，為了提高天線電調傳動的可靠性，確保能始終處于良好的工作狀態(tài)，就要綜合對整體結構設計進行深入分析與研究，結合實際的工作狀態(tài)，提出有針對性的改善措施，形成電調傳動可靠的技術積累與技術保障，從而實現更高品質、更加穩(wěn)定、可靠的天線電調產品。