移動通信天線無源互調產生機理與改善研究*

孫善球，肖 飛，林學進

（京信通信技術（廣州）有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引 言

移動通信無源互調（Passive Inter-Modulation，PIM）是射頻信號路徑中兩個或多個射頻信號因非線性特性引起的混頻干擾信號，當這些信號電平足夠大且落在接收頻帶內時，會對通信系統產生干擾。一般情況下，無源互調電平值隨階數的增加而減小，低階無源互調更容易引起干擾，因此移動通信主要的互調干擾是三階互調和五階互調。

移動通信天線是無線通信網絡的入口和出口，PIM是衡量移動通信天線質量及其影響移動通信網絡系統性能的重要參數。通過長時間的研究得出結論——天線批量生產的互調控制水平是衡量一個天線廠家設計、工藝、來料控制及制造等綜合實力和管理水平的重要指標，并在行業內達成普遍共識。因此，行業中從運營商、主設備商、天線廠家至上游供應鏈均非常關注天線批量生產互調控制水平。本文將重點研究移動通信天線互調產生機理及其預防和改善措施，對提升批量生產互調水平具有重要意義。

移動通信天線無源互調主要來自于兩種非線性，即材料非線性和接觸非線性。材料非線性指具有非線性導電特性的磁性材料，接觸非線性指產生非線性電壓或電流的接觸，如基體致密度、微觀接觸面積、接觸壓力、氧化過程以及表面污染等都會產生非線性效應。移動通信天線內部由大量不同材質的金屬零部件組成，相互間需要大量的緊固連接和焊接，金屬零件、金屬間的緊固連接以及金屬間的焊接連接構成了三大互調源。據統計，3類互調源導致的問題占比超80%，下文將重點圍繞其進行分析。

1 金屬零件的無源互調產生機制及預防和改善

針對材料非線性，天線金屬零件在選材時應規避磁性材料或在基材上外覆非鐵磁性材料。金屬零件的加工方式一般為壓鑄、沖壓及機加，在各類加工過程中形成的毛刺、裂紋、氣孔等缺陷會導致互調指標惡化。其中，壓鑄成型零件的基體致密度和表面質量是天線互調控制的重點和難點，基體致密度的氣孔砂眼問題（見圖1）因微放電而影響互調，表面質量引起的互調問題一般歸因于表面效應[1]，下文基于最常用的鋁合金壓鑄成型零件的基體致密度和表面質量展開分析。

鋁合金壓鑄件基體致密度主要與材料、模具及成型工藝相關。材料方面，鋁合金壓鑄時的熔化狀態下會溶解空氣中的氫原子，但在冷卻凝固時會因溶解度下降而析出氫原子，未排出的氫在零件內部會形成氣孔。模具方面，零件結構的轉折、厚度突變會導致成型過程中模腔內熔液流速不均，產生紊流漩渦現象而裹氣困氣。成型方面，成型溫度、速度、壓力及冷卻時間等對填充狀態及質量都存在影響，其中成型溫度尤為關鍵，過高的成型溫度會讓模具表面的離型劑快速揮發，氣體困于模具死角，形成的局部高壓阻礙成型，導致填充不致密，影響基體致密度，給后續的互調控制尤其是穩定性埋下隱患。

為改善致密度問題，材料需保證無雜質污染，避免受潮，熔融狀態下不能待機過長，添加除渣劑使氧化雜質沉降，針對溶氫問題可增加除氫設備。零件結構設計需減少壁厚突變，在轉折處通過圓滑過渡、漸變過渡避免紊流現象，同時可在模具上布局主次流道以加快填充速度，迫使內部氣體向頂針等排氣位置移動并排出。成型工藝需調節壓鑄機的壓室空間及活塞的運動速度，提高壓室內的鋁液充滿度，規避填充過程中因液體波動而導致的卷氣問題。此外，應用真空模具、半固態成型法等新工藝也能減少氣孔問題的產生。

金屬零件表面需足夠光滑，宏觀上規避劃痕、裂紋、孔洞等缺陷，微觀上，微觀形貌的輪廓、晶粒結構、雜質對互調量級存在影響，低輪廓、細化的晶粒、無雜質污染意味著更低的互調量級，如圖2所示。壓鑄件常見的表面質量問題有氣孔、冷隔、鍍層鼓包，如圖3所示。表面的氣孔改善同基體內部的氣體改善，具體參見上文。冷隔問題與成型工藝相關，霧狀金屬液噴濺到低溫的模具內腔上后迅速降溫結晶，形成的硬化支狀物無法與后續流入的金屬液熔合，導致尖點及冷隔問題，因此改善需從成型工藝方面展開優化。鍍層鼓包與基體的氣孔相關，電鍍前工序為酸洗去氧化層，去除氧化層后致密的硬化層變薄，基體氣孔中的高壓氣體逃逸導致鍍層鼓包問題產生，改善思路參見上文有關致密度的論述。

2 緊固連接點的無源互調產生及預防和改善

理想情況下，如果兩個接觸面絕對光滑且不存在影響導電的隔離層，不會產生互調問題。但是，實際接觸表面在微觀下粗糙且凹凸不平，在一定壓力下隔離層會被刺破形成斑點接觸，建立局部的金屬接觸導電路徑。如圖4所示，金屬接觸界面的微觀不連續性導致了電特性的非線性，進而產生互調產物[2]。

基于緊固接觸非線性的影響因素，如圖5所示，為降低連接點的接觸非線性，需從如下3個方面進行預防及控制。

2.1 接觸面需保證一定的接觸壓強

只有在適當的高壓強下，金屬接觸面才能刺破間隔層形成可靠的電連接，研究表明壓強值為100 MPa左右時，鋁材接觸能保持在較好的互調量級。一般情況下，壓強與螺釘軸向預緊力F及接觸面積相關，緊固多采用扭矩法工藝。

螺釘軸向預緊力F的計算公式[3]如下：

式中：F為螺釘軸向預緊力；T為緊固扭矩；K為扭矩系數；D為螺釘公稱直徑。

在緊固設計校核強度確定扭矩后，要控制生產中螺釘軸向預緊力F的一致性。

需保證緊固扭矩T的穩定性，氣批因氣源等諸多因素影響其精度無法保障，推薦使用精度在±5%的電批。若條件許可，可選用能閉環監控實時扭矩的緊固設備。

扭矩系數K與螺紋幾何尺寸及緊固過程中的各類摩擦相關。一般狀態下，扭矩做功的能量基本被摩擦損耗，只有10%轉化為軸向預緊力，增加潤滑后數值可提升至15%，如圖6所示[4]。摩擦損耗無法避免，生產中需控制批量物料各類摩擦系數的離散性，同時需要規避裝配過程中螺釘與螺釘過孔的摩擦（甚至攻牙）導致的緊固力矩的不必要損耗。圖7為某類緊固結構在30 kgf·cm扭矩下的軸向預緊力分布圖，數據散差大，一致性差。在排除工具等影響因素后，可對摩擦位置進行適當潤滑處理。此外，可嘗試汽車行業應用成熟的緊固工藝，如轉角法、扭矩-轉角法以及分步擰緊法等。相對傳統的扭矩控制法，新型工藝對軸向夾緊力的控制更精確。

因形位公差等因素影響，螺釘預緊力F的一部分消耗在將接觸面拉齊貼平的動作中（見圖8），因此需選擇偏軟的材料或通過結構形式優化降低結構剛度，同時需控制物料的形位公差。

因材料蠕變、熱應力等因素影響，預緊力F隨時間存在一定的衰減，需規避抗蠕變性能差的材料使用，如部分型號的壓鑄鋅。當連接層中存在非金屬時，為防止非金屬材料蠕變導致的金屬接觸不可靠，除螺紋副外，規避金屬接觸。相關問題排查發現，某些位置螺釘盤頭下加金屬平墊，對互調穩定性存在影響。

在接觸壓力F一定的情況下，可以通過適當減小接觸面積S達成高壓強的要求。推薦凸臺式設計，凸臺在螺釘盤頭的軸向投影面積之內。圖9為某緊固場景在軸向預緊力為1 500 N時接觸壓強的分布圖。大面接觸型結構形式的螺釘外圍區域接觸壓強在0～20 MPa為不可靠接觸區域，當周邊位置的變形傳遞過來時，此區域的接觸情況變得不確定，形成非線性接觸互調源。凸臺式設計可以很好地規避此問題，非接觸區域不參與接觸，接觸區域高壓強壓接。

2.2 需達成“均勻、閉環”的壓接效果

非均勻的情況下，接觸壓強小的一側的壓接因氧化膜、污染層等的隔離而形成互調源，閉環的目的是規避高頻電流流入緊固結構內部，緊固結構內部螺紋副處的接觸和不可避免的攻牙碎屑都是高風險且難以避免的互調源，如圖10所示。

沉頭螺釘、彈平墊螺釘不利于均勻壓接（見圖11），可使用普通盤頭螺釘的方案，相關研究表明，平墊能一定程度上改善壓力分布的均勻性。此外，零件的制造缺陷會破壞均勻閉環的基本原則，如螺紋孔垂直度不良，接觸面平面度不良會影響均勻壓接效果，需要有嚴格的來料檢測保證螺釘及連接零件的質量。

2.3 接觸表面狀態良好

首先，接觸面要確保無污染，包括物料污染及制程污染，需事前規避污染的產生，事后清潔往往效果有限。其次，需保證表面無凹坑及明顯的加工刀痕，控制粗糙度水平。此類問題都對壓接效果的閉環存在影響，降低粗糙度有助于改善互調量級。最后，需關注接觸表面的硬度、強度等力學性能，調整接觸的兩個零件的硬度差可以改善微觀的刺破效果，進而改善接觸界面的非線性。

3 焊接連接點的無源互調分析及預防和改善

天線的焊接一般指軟釬焊中的錫焊。錫焊過程中，焊料合金在熔化、潤濕、擴散后，會與被焊件產生化合連接形成IMC層（金屬間化合物）。連接界面緊密連續，互調性能優于緊固連接，如圖12所示[5]。

如出現虛焊、冷焊、針孔等焊接不良現象，會影響連接界面的緊密連續，從而帶來接觸非線性。需要說明的是，應關注焊點表層1～2倍趨膚深度是否存在上述問題而不是整個焊點，焊點內部因不存在電流而無法激發出互調信號，相關實驗也證實了這一點。使用鎳材作為確定的互調源分別置于接線端子內芯的外表面（鍍層）及焊點內部（鍍鎳金屬片），置于焊點內部的實驗組互調量級與正常器件的互調水平一致，而置于內芯外表面的試驗組互調惡化25 dBm左右，如圖13和表1所示。

表1 互調源位置對焊點互調影響實驗結果

基于影響焊點互調的影響因素（見圖14），從以下3方面進行預防及控制。

3.1 焊點組織

需規避焊點外表面的裂紋、縫隙、拉尖、毛刺以及氣孔等能導致電導非線性的缺陷，各類缺陷的焊接工藝優化可參考文獻[5]。此外，對焊點及其連接的零件要做好固定設計，焊點連接的如為同軸電纜，電纜彎折位置應遠離焊點一段距離，避免機械應力對焊點的破壞產生裂紋縫隙。同時應預留錫焊流動空間，防止焊接時焊錫流入各種結構縫隙形成錫尖毛刺類缺陷，如圖15所示。

3.2 焊點外部組織

需關注免清潔助焊劑的殘留物及焊接過程中產生的錫珠錫渣，助焊劑殘留物包含大部分的松香及少量的碳化顆粒及松香酸鹽，其中碳化顆粒對焊點互調存在影響，需控制焊接溫度和焊點的重焊次數；松香酸鹽的影響未知，在焊料選型時，應選擇低鹵或無鹵的產品。錫珠錫渣問題，可以選用低飛濺型號的助焊劑改善，如采用電烙鐵焊接，可以通過剖錫工藝降低錫珠的產生。

3.3 焊點連接零件

焊點一般為高電流密度區域，對連接零件的缺陷尤為敏感，連接零件中同軸電纜的問題突出，受剝線工藝及刀具磨損等因素影響，半柔性電纜在加工后可能留下毛刺、割傷缺陷。如果焊錫不能包裹缺陷，隱患點有可能導致互調異常，如圖16所示，需管控切割進刀量和刀具壽命，確保切口平整光滑，同時使用放大鏡進行質量檢驗。此外，射頻連接頭的外導體焊點處線纜編織銅網受各種應力而松散開裂，也是比較常見的問題。

4 互調的時間相關性

在天線的壽命周期內，由于環境中熱應力、機械應力的誘導，緊固連接點可能會發生應力松弛，接觸界面的擴散、氧化以及由于蠕動造成的接觸斑點尺寸的變化，都會對互調產生一定影響，導致天線互調量級出現隨時間變化的不穩定性。圖17為某三頻天線在半年周期內無源互調指標的波動情況。

5 結 語

本文主要研究移動通信天線的無源互調產生的機理，圍繞金屬零件、金屬間的緊固連接和金屬間的焊接連接，研究互調產生的原因和機理，并從設計、選材、工藝和制程等方面提出無源互調的預防及改善措施，為行業內無源互調研究提供新的思路和方法。未來，互調產生的機理及其預防和改善措施是移動通信天線需要持續研究的課題，研究方向有很多，例如：半柔性電纜彎曲后產生的應力對互調穩定性的影響，如何通過實驗設計及對比分析，確定線纜結構、浸錫工藝、彎曲半徑、應力等因素與互調穩定性的量化關系，探索最優化的設計及工藝方案；PCB互調產生的機理研究和互調信號的探測定位；有源組合互調產生的機理、精確測量以及預防和改善措施等。