移動(dòng)通信天線無(wú)源互調(diào)產(chǎn)生機(jī)理與改善研究*

孫善球，肖 飛，林學(xué)進(jìn)

（京信通信技術(shù)（廣州）有限公司，廣東 廣州 510663）

0 引 言

移動(dòng)通信無(wú)源互調(diào)（Passive Inter-Modulation，PIM）是射頻信號(hào)路徑中兩個(gè)或多個(gè)射頻信號(hào)因非線性特性引起的混頻干擾信號(hào)，當(dāng)這些信號(hào)電平足夠大且落在接收頻帶內(nèi)時(shí)，會(huì)對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。一般情況下，無(wú)源互調(diào)電平值隨階數(shù)的增加而減小，低階無(wú)源互調(diào)更容易引起干擾，因此移動(dòng)通信主要的互調(diào)干擾是三階互調(diào)和五階互調(diào)。

移動(dòng)通信天線是無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的入口和出口，PIM是衡量移動(dòng)通信天線質(zhì)量及其影響移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能的重要參數(shù)。通過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的研究得出結(jié)論——天線批量生產(chǎn)的互調(diào)控制水平是衡量一個(gè)天線廠家設(shè)計(jì)、工藝、來(lái)料控制及制造等綜合實(shí)力和管理水平的重要指標(biāo)，并在行業(yè)內(nèi)達(dá)成普遍共識(shí)。因此，行業(yè)中從運(yùn)營(yíng)商、主設(shè)備商、天線廠家至上游供應(yīng)鏈均非常關(guān)注天線批量生產(chǎn)互調(diào)控制水平。本文將重點(diǎn)研究移動(dòng)通信天線互調(diào)產(chǎn)生機(jī)理及其預(yù)防和改善措施，對(duì)提升批量生產(chǎn)互調(diào)水平具有重要意義。

移動(dòng)通信天線無(wú)源互調(diào)主要來(lái)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(dǎo)電特性的磁性材料，接觸非線性指產(chǎn)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(guò)程以及表面污染等都會(huì)產(chǎn)生非線性效應(yīng)。移動(dòng)通信天線內(nèi)部由大量不同材質(zhì)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(gòu)成了三大互調(diào)源。據(jù)統(tǒng)計(jì)，3類互調(diào)源導(dǎo)致的問(wèn)題占比超80%，下文將重點(diǎn)圍繞其進(jìn)行分析。

1 金屬零件的無(wú)源互調(diào)產(chǎn)生機(jī)制及預(yù)防和改善

針對(duì)材料非線性，天線金屬零件在選材時(shí)應(yīng)規(guī)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(jī)加，在各類加工過(guò)程中形成的毛刺、裂紋、氣孔等缺陷會(huì)導(dǎo)致互調(diào)指標(biāo)惡化。其中，壓鑄成型零件的基體致密度和表面質(zhì)量是天線互調(diào)控制的重點(diǎn)和難點(diǎn)，基體致密度的氣孔砂眼問(wèn)題（見(jiàn)圖1）因微放電而影響互調(diào)，表面質(zhì)量引起的互調(diào)問(wèn)題一般歸因于表面效應(yīng)[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(zhì)量展開(kāi)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(guān)。材料方面，鋁合金壓鑄時(shí)的熔化狀態(tài)下會(huì)溶解空氣中的氫原子，但在冷卻凝固時(shí)會(huì)因溶解度下降而析出氫原子，未排出的氫在零件內(nèi)部會(huì)形成氣孔。模具方面，零件結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)折、厚度突變會(huì)導(dǎo)致成型過(guò)程中模腔內(nèi)熔液流速不均，產(chǎn)生紊流漩渦現(xiàn)象而裹氣困氣。成型方面，成型溫度、速度、壓力及冷卻時(shí)間等對(duì)填充狀態(tài)及質(zhì)量都存在影響，其中成型溫度尤為關(guān)鍵，過(guò)高的成型溫度會(huì)讓模具表面的離型劑快速揮發(fā)，氣體困于模具死角，形成的局部高壓阻礙成型，導(dǎo)致填充不致密，影響基體致密度，給后續(xù)的互調(diào)控制尤其是穩(wěn)定性埋下隱患。

為改善致密度問(wèn)題，材料需保證無(wú)雜質(zhì)污染，避免受潮，熔融狀態(tài)下不能待機(jī)過(guò)長(zhǎng)，添加除渣劑使氧化雜質(zhì)沉降，針對(duì)溶氫問(wèn)題可增加除氫設(shè)備。零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需減少壁厚突變，在轉(zhuǎn)折處通過(guò)圓滑過(guò)渡、漸變過(guò)渡避免紊流現(xiàn)象，同時(shí)可在模具上布局主次流道以加快填充速度，迫使內(nèi)部氣體向頂針等排氣位置移動(dòng)并排出。成型工藝需調(diào)節(jié)壓鑄機(jī)的壓室空間及活塞的運(yùn)動(dòng)速度，提高壓室內(nèi)的鋁液充滿度，規(guī)避填充過(guò)程中因液體波動(dòng)而導(dǎo)致的卷氣問(wèn)題。此外，應(yīng)用真空模具、半固態(tài)成型法等新工藝也能減少氣孔問(wèn)題的產(chǎn)生。

金屬零件表面需足夠光滑，宏觀上規(guī)避劃痕、裂紋、孔洞等缺陷，微觀上，微觀形貌的輪廓、晶粒結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)對(duì)互調(diào)量級(jí)存在影響，低輪廓、細(xì)化的晶粒、無(wú)雜質(zhì)污染意味著更低的互調(diào)量級(jí)，如圖2所示。壓鑄件常見(jiàn)的表面質(zhì)量問(wèn)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(nèi)部的氣體改善，具體參見(jiàn)上文。冷隔問(wèn)題與成型工藝相關(guān)，霧狀金屬液噴濺到低溫的模具內(nèi)腔上后迅速降溫結(jié)晶，形成的硬化支狀物無(wú)法與后續(xù)流入的金屬液熔合，導(dǎo)致尖點(diǎn)及冷隔問(wèn)題，因此改善需從成型工藝方面展開(kāi)優(yōu)化。鍍層鼓包與基體的氣孔相關(guān)，電鍍前工序?yàn)樗嵯慈パ趸瘜樱コ趸瘜雍笾旅艿挠不瘜幼儽。w氣孔中的高壓氣體逃逸導(dǎo)致鍍層鼓包問(wèn)題產(chǎn)生，改善思路參見(jiàn)上文有關(guān)致密度的論述。

2 緊固連接點(diǎn)的無(wú)源互調(diào)產(chǎn)生及預(yù)防和改善

理想情況下，如果兩個(gè)接觸面絕對(duì)光滑且不存在影響導(dǎo)電的隔離層，不會(huì)產(chǎn)生互調(diào)問(wèn)題。但是，實(shí)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(huì)被刺破形成斑點(diǎn)接觸，建立局部的金屬接觸導(dǎo)電路徑。如圖4所示，金屬接觸界面的微觀不連續(xù)性導(dǎo)致了電特性的非線性，進(jìn)而產(chǎn)生互調(diào)產(chǎn)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(diǎn)的接觸非線性，需從如下3個(gè)方面進(jìn)行預(yù)防及控制。

2.1 接觸面需保證一定的接觸壓強(qiáng)

只有在適當(dāng)?shù)母邏簭?qiáng)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(qiáng)值為100 MPa左右時(shí)，鋁材接觸能保持在較好的互調(diào)量級(jí)。一般情況下，壓強(qiáng)與螺釘軸向預(yù)緊力F及接觸面積相關(guān)，緊固多采用扭矩法工藝。

螺釘軸向預(yù)緊力F的計(jì)算公式[3]如下：

式中：F為螺釘軸向預(yù)緊力；T為緊固扭矩；K為扭矩系數(shù)；D為螺釘公稱直徑。

在緊固設(shè)計(jì)校核強(qiáng)度確定扭矩后，要控制生產(chǎn)中螺釘軸向預(yù)緊力F的一致性。

需保證緊固扭矩T的穩(wěn)定性，氣批因氣源等諸多因素影響其精度無(wú)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(huán)監(jiān)控實(shí)時(shí)扭矩的緊固設(shè)備。

扭矩系數(shù)K與螺紋幾何尺寸及緊固過(guò)程中的各類摩擦相關(guān)。一般狀態(tài)下，扭矩做功的能量基本被摩擦損耗，只有10%轉(zhuǎn)化為軸向預(yù)緊力，增加潤(rùn)滑后數(shù)值可提升至15%，如圖6所示[4]。摩擦損耗無(wú)法避免，生產(chǎn)中需控制批量物料各類摩擦系數(shù)的離散性，同時(shí)需要規(guī)避裝配過(guò)程中螺釘與螺釘過(guò)孔的摩擦（甚至攻牙）導(dǎo)致的緊固力矩的不必要損耗。圖7為某類緊固結(jié)構(gòu)在30 kgf·cm扭矩下的軸向預(yù)緊力分布圖，數(shù)據(jù)散差大，一致性差。在排除工具等影響因素后，可對(duì)摩擦位置進(jìn)行適當(dāng)潤(rùn)滑處理。此外，可嘗試汽車行業(yè)應(yīng)用成熟的緊固工藝，如轉(zhuǎn)角法、扭矩-轉(zhuǎn)角法以及分步擰緊法等。相對(duì)傳統(tǒng)的扭矩控制法，新型工藝對(duì)軸向夾緊力的控制更精確。

因形位公差等因素影響，螺釘預(yù)緊力F的一部分消耗在將接觸面拉齊貼平的動(dòng)作中（見(jiàn)圖8），因此需選擇偏軟的材料或通過(guò)結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化降低結(jié)構(gòu)剛度，同時(shí)需控制物料的形位公差。

因材料蠕變、熱應(yīng)力等因素影響，預(yù)緊力F隨時(shí)間存在一定的衰減，需規(guī)避抗蠕變性能差的材料使用，如部分型號(hào)的壓鑄鋅。當(dāng)連接層中存在非金屬時(shí)，為防止非金屬材料蠕變導(dǎo)致的金屬接觸不可靠，除螺紋副外，規(guī)避金屬接觸。相關(guān)問(wèn)題排查發(fā)現(xiàn)，某些位置螺釘盤(pán)頭下加金屬平墊，對(duì)互調(diào)穩(wěn)定性存在影響。

在接觸壓力F一定的情況下，可以通過(guò)適當(dāng)減小接觸面積S達(dá)成高壓強(qiáng)的要求。推薦凸臺(tái)式設(shè)計(jì)，凸臺(tái)在螺釘盤(pán)頭的軸向投影面積之內(nèi)。圖9為某緊固場(chǎng)景在軸向預(yù)緊力為1 500 N時(shí)接觸壓強(qiáng)的分布圖。大面接觸型結(jié)構(gòu)形式的螺釘外圍區(qū)域接觸壓強(qiáng)在0～20 MPa為不可靠接觸區(qū)域，當(dāng)周邊位置的變形傳遞過(guò)來(lái)時(shí)，此區(qū)域的接觸情況變得不確定，形成非線性接觸互調(diào)源。凸臺(tái)式設(shè)計(jì)可以很好地規(guī)避此問(wèn)題，非接觸區(qū)域不參與接觸，接觸區(qū)域高壓強(qiáng)壓接。

2.2 需達(dá)成“均勻、閉環(huán)”的壓接效果

非均勻的情況下，接觸壓強(qiáng)小的一側(cè)的壓接因氧化膜、污染層等的隔離而形成互調(diào)源，閉環(huán)的目的是規(guī)避高頻電流流入緊固結(jié)構(gòu)內(nèi)部，緊固結(jié)構(gòu)內(nèi)部螺紋副處的接觸和不可避免的攻牙碎屑都是高風(fēng)險(xiǎn)且難以避免的互調(diào)源，如圖10所示。

沉頭螺釘、彈平墊螺釘不利于均勻壓接（見(jiàn)圖11），可使用普通盤(pán)頭螺釘?shù)姆桨福嚓P(guān)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(huì)破壞均勻閉環(huán)的基本原則，如螺紋孔垂直度不良，接觸面平面度不良會(huì)影響均勻壓接效果，需要有嚴(yán)格的來(lái)料檢測(cè)保證螺釘及連接零件的質(zhì)量。

2.3 接觸表面狀態(tài)良好

首先，接觸面要確保無(wú)污染，包括物料污染及制程污染，需事前規(guī)避污染的產(chǎn)生，事后清潔往往效果有限。其次，需保證表面無(wú)凹坑及明顯的加工刀痕，控制粗糙度水平。此類問(wèn)題都對(duì)壓接效果的閉環(huán)存在影響，降低粗糙度有助于改善互調(diào)量級(jí)。最后，需關(guān)注接觸表面的硬度、強(qiáng)度等力學(xué)性能，調(diào)整接觸的兩個(gè)零件的硬度差可以改善微觀的刺破效果，進(jìn)而改善接觸界面的非線性。

3 焊接連接點(diǎn)的無(wú)源互調(diào)分析及預(yù)防和改善

天線的焊接一般指軟釬焊中的錫焊。錫焊過(guò)程中，焊料合金在熔化、潤(rùn)濕、擴(kuò)散后，會(huì)與被焊件產(chǎn)生化合連接形成IMC層（金屬間化合物）。連接界面緊密連續(xù)，互調(diào)性能優(yōu)于緊固連接，如圖12所示[5]。

如出現(xiàn)虛焊、冷焊、針孔等焊接不良現(xiàn)象，會(huì)影響連接界面的緊密連續(xù)，從而帶來(lái)接觸非線性。需要說(shuō)明的是，應(yīng)關(guān)注焊點(diǎn)表層1～2倍趨膚深度是否存在上述問(wèn)題而不是整個(gè)焊點(diǎn)，焊點(diǎn)內(nèi)部因不存在電流而無(wú)法激發(fā)出互調(diào)信號(hào)，相關(guān)實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn)。使用鎳材作為確定的互調(diào)源分別置于接線端子內(nèi)芯的外表面（鍍層）及焊點(diǎn)內(nèi)部（鍍鎳金屬片），置于焊點(diǎn)內(nèi)部的實(shí)驗(yàn)組互調(diào)量級(jí)與正常器件的互調(diào)水平一致，而置于內(nèi)芯外表面的試驗(yàn)組互調(diào)惡化25 dBm左右，如圖13和表1所示。

表1 互調(diào)源位置對(duì)焊點(diǎn)互調(diào)影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于影響焊點(diǎn)互調(diào)的影響因素（見(jiàn)圖14），從以下3方面進(jìn)行預(yù)防及控制。

3.1 焊點(diǎn)組織

需規(guī)避焊點(diǎn)外表面的裂紋、縫隙、拉尖、毛刺以及氣孔等能導(dǎo)致電導(dǎo)非線性的缺陷，各類缺陷的焊接工藝優(yōu)化可參考文獻(xiàn)[5]。此外，對(duì)焊點(diǎn)及其連接的零件要做好固定設(shè)計(jì)，焊點(diǎn)連接的如為同軸電纜，電纜彎折位置應(yīng)遠(yuǎn)離焊點(diǎn)一段距離，避免機(jī)械應(yīng)力對(duì)焊點(diǎn)的破壞產(chǎn)生裂紋縫隙。同時(shí)應(yīng)預(yù)留錫焊流動(dòng)空間，防止焊接時(shí)焊錫流入各種結(jié)構(gòu)縫隙形成錫尖毛刺類缺陷，如圖15所示。

3.2 焊點(diǎn)外部組織

需關(guān)注免清潔助焊劑的殘留物及焊接過(guò)程中產(chǎn)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(duì)焊點(diǎn)互調(diào)存在影響，需控制焊接溫度和焊點(diǎn)的重焊次數(shù)；松香酸鹽的影響未知，在焊料選型時(shí)，應(yīng)選擇低鹵或無(wú)鹵的產(chǎn)品。錫珠錫渣問(wèn)題，可以選用低飛濺型號(hào)的助焊劑改善，如采用電烙鐵焊接，可以通過(guò)剖錫工藝降低錫珠的產(chǎn)生。

3.3 焊點(diǎn)連接零件

焊點(diǎn)一般為高電流密度區(qū)域，對(duì)連接零件的缺陷尤為敏感，連接零件中同軸電纜的問(wèn)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(diǎn)有可能導(dǎo)致互調(diào)異常，如圖16所示，需管控切割進(jìn)刀量和刀具壽命，確保切口平整光滑，同時(shí)使用放大鏡進(jìn)行質(zhì)量檢驗(yàn)。此外，射頻連接頭的外導(dǎo)體焊點(diǎn)處線纜編織銅網(wǎng)受各種應(yīng)力而松散開(kāi)裂，也是比較常見(jiàn)的問(wèn)題。

4 互調(diào)的時(shí)間相關(guān)性

在天線的壽命周期內(nèi)，由于環(huán)境中熱應(yīng)力、機(jī)械應(yīng)力的誘導(dǎo)，緊固連接點(diǎn)可能會(huì)發(fā)生應(yīng)力松弛，接觸界面的擴(kuò)散、氧化以及由于蠕動(dòng)造成的接觸斑點(diǎn)尺寸的變化，都會(huì)對(duì)互調(diào)產(chǎn)生一定影響，導(dǎo)致天線互調(diào)量級(jí)出現(xiàn)隨時(shí)間變化的不穩(wěn)定性。圖17為某三頻天線在半年周期內(nèi)無(wú)源互調(diào)指標(biāo)的波動(dòng)情況。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文主要研究移動(dòng)通信天線的無(wú)源互調(diào)產(chǎn)生的機(jī)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(diào)產(chǎn)生的原因和機(jī)理，并從設(shè)計(jì)、選材、工藝和制程等方面提出無(wú)源互調(diào)的預(yù)防及改善措施，為行業(yè)內(nèi)無(wú)源互調(diào)研究提供新的思路和方法。未來(lái)，互調(diào)產(chǎn)生的機(jī)理及其預(yù)防和改善措施是移動(dòng)通信天線需要持續(xù)研究的課題，研究方向有很多，例如：半柔性電纜彎曲后產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)互調(diào)穩(wěn)定性的影響，如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及對(duì)比分析，確定線纜結(jié)構(gòu)、浸錫工藝、彎曲半徑、應(yīng)力等因素與互調(diào)穩(wěn)定性的量化關(guān)系，探索最優(yōu)化的設(shè)計(jì)及工藝方案；PCB互調(diào)產(chǎn)生的機(jī)理研究和互調(diào)信號(hào)的探測(cè)定位；有源組合互調(diào)產(chǎn)生的機(jī)理、精確測(cè)量以及預(yù)防和改善措施等。