降低天线三阶无源交调的工艺方法研究

王立奎+尹燕芳+王继志

摘 要：无源交调对通信系统性能有极大的影响。在对基站天线无源三阶交调测量的基础上，对影响三阶无源交调的主要工艺因素进行分析，详细给出了天线加工制作过程中降低无源交调的一些工艺方法。

关键词： 天线;无源交调;工艺方法

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.195

0 引言

目前，智能手机、IPAD等移动终端设备越来越多地出现在日常生活中，流畅清晰的高质量音、视频信号是人们迫切希望的。移动通信基站天线承载着移动通信网络与终端设备的连接，直接决定信号的传输质量。由发射机和接收机产生的有源交调干扰，可通过适当的系统隔离实现最小化[1]。天线的无源交叉调制简称无源交调（PIM：Passive Intermodulation）基本上来自金属接触和材料非线性。接触非线性是指非线性的电流与电压接触，如调谐螺丝、铆钉结合处的松动、氧化和腐蚀等;材料非线性指具有固有非线性电特性的材料，如铁磁材料和碳纤维等[2][3]。无源交调问题有很大的复杂性，对之进行精确分析和建模是非常困难的。一些研究者对其进行了近似的分析和研究，并提出降低通信系统中的无源交调的若干措施[3][4]，另外，良好的工艺、严格的质量控制也非常重要。本文首先介绍了无源交调的基本概念和测量装置，分析了影响无源交调的主要工艺因素，在大量实验调测的基础上，给出了天线加工制作过程中降低无源交调的主要工艺方法。

1 天线的无源交调与测量装置

天线的无源交调是指当两个频率为f1与f2的信号输入到天线，由于天线的非线性，天线辐射的信号中除了频率为f1与f2的信号外，还包含其它频率的信号，如2f2-f1和2f1-f2（3阶）等，如图1所示，这些3阶信号电平足够大时，会造成系统性能下降。

采用SUMMITEK S1-900B型无源交调测试仪作为测试设备，设定测试频率f1=945MHz，f2=960MHz，交调频率2f1 - f2=930MHz，两路信号功率电平都是43dBm.实际制作了GSM/CDMA基站天线，在调试和装配过程中尝试了不同的工艺方法，使测量的天线的三阶交调指标小于-107dBm。

2 降低三阶无源交调的工艺方法

在移动通信基站天线的所有指标中，三阶无源交调指标要求达到IM3<-107dBm，这个指标较难实现，其牵涉的因素较多，包括天线组成部件，如接头、电缆及馈电网络等的材料，所用焊接工具电烙铁、焊接温度及控制，这些因素都会影响IM3。通过天线交调测试实验，发现影响三阶交调的主要因素，以便在生产实践中控制主要环节，提高天线成品率。

2.1 焊接工具及其对IM3的影响

基站天线装配环节过程中，需要用电烙铁把接头、电缆、馈电网络及L型探针用焊锡把它们焊接起来，因而电烙铁是天线生产不可或缺的必备工具。选择合适的电烙铁，正确的焊接前准备及使用后的处理，对天线三阶无源交调指标具有极大的影响。最好能选择带三线插头的电烙铁，目的是使电烙铁外壳接地，避免带电焊点吸附碎屑杂质影响天线指标。

电烙铁使用前，应用铁锉挫烙铁头，然后用细砂纸打磨，通电加热，蘸上松香后用烙铁头刃面接触焊锡丝，以使烙铁头均匀地镀上一层焊锡，这样便于焊接并防止烙铁头氧化。

在生产过程中，焊接时应该注意焊锡的用量，防止烙铁头上焊锡过多现象。过多的锡可用布擦掉，避免处置不当，称为三阶无源交调的新来源。

焊接时由于温度较高，在铜表面容易生成氧化物。在焊接时，氧化物很容易脱落。由于使用的电烙铁的功率较大（通常大于100W），因此，烙铁头的表面，铜很容易被氧化.氧化产生的金属碎屑很容易落入焊点之中，必然会对交调指标产生影响。实验数据表明，用带有氧化层的电烙铁头焊接，会影响IM3功率电平8～9dB，因此要适当注意焊接后电烙铁的保管存放，尽量放在干燥的环境中，避免烙铁头表面缓慢氧化。

2.2 焊锡选择与焊接温度控制

焊锡丝的规格一般用m/n表示，m/n指焊锡丝含量中有m%的锡，n%的铅.另外，焊锡丝中还含有一些杂质。在焊接过程中，一般是将铜焊接在一起，温度在400以下时将生成Cu2O，在400-975间，生成CuO.氧化铜是一种铜的黑色氧化物，是一种绝缘体，氧化亚铜为一价铜的氧化物，是一种高导电率的p型半导体，由于其半导体的性质，将会增加交调的功率电平。

一般常用的细焊丝是0.5-0.75mm，粗焊丝是1.2-1.5mm.应选用适合焊点大小要求的焊锡丝.若选用不当，可能会导致焊点的焊锡过多或过少，实验表明这会轻微提高交调功率电平0.1～0.5dB。

实验中还发现，焊锡丝的主要成分似乎不影响天线的无源交调，相对来说，焊锡丝的杂质含量对交调的影响较大。杂质含量越小，对交调的影响越小[5]。

焊接前应消除焊接部位的氧化层，可用小刀刮去金属引线表面的氧化层，使引线露出金属光泽，但要防止金属碎屑残留。焊接前，烙铁头刃面上要吃锡。焊接时应将烙铁头刃面紧贴在焊点处，电烙铁与水平面大约成60度，以便于熔化的锡从烙铁头上流到焊点上。烙铁头在焊点处停留的时间控制在2-3秒钟.特别要注意烙铁头的停留时间：时间过短，焊锡还没有完全熔化，容易造成虚焊;时间过长，会在焊点表面生成氧化层，成为交调的来源。若在2-3秒钟没有焊好，要等焊点冷却下来后再焊，否则会产生氧化层[5]。

焊接时，要保证每个焊点焊接牢固，接触良好。合格的焊点应是锡点光亮，圆滑而无毛刺，锡量适中，锡和被焊物融合牢固，不应有虚焊和假焊，焊点上不能有毛刺，因为毛刺将导致电流密度过于集中，是交调干扰的一个来源.对于正确的焊接，焊后只需用酒精清洗即可。当焊点有氧化层和毛刺时，必须用砂纸打磨，再用酒精清洗。endprint

2.3 杂质

天线的组成部件材料主要是由铝和铜加工制作的，加工工具主要是钢制品，在加工组件过程中往往有铝屑、铜屑等金属碎屑.这类金属碎屑会影响天线的IM3指标，提高交调功率电平。在天线底板、铝、铜垫件加工完成后，进入生产线装配之前必须清洗干净。对比实验测试，未经清洗处理的比经过清洗处理的，IM3交调功率电平提高1-2dB。

生产车间清扫过程中产生的灰尘，生产装配过程中人工接触后留下的汗渍，测试装拆过程中的细微金属粉末颗粒等都会对交调IM3指标产生影响.空气中的有机物、近海空气中的盐分会腐蚀金属，造成天线交调指标的不稳定性，具体表现为今天IM3测试合格的天线，一周或一段时间后再测试，其IM3指标又不合格了。所以对IM3测试合格的天线焊点要做防护，以保持天线IM3指标的长期稳定性。

3 结论

天线加工工艺对交调的影响较大，多年的实验表明，在器件、材料的制作加工过程中采用正确的工艺方法可降低交调的功率电平。

参考文献：

[1]Qiu Chenxi，Shen Haiying，Soltani Sohraab，Sapra Karan. CEDAR： An optimal and distributed strategy for packet recovery in wireless networks. INFOCOM， 2013 Proceedings IEEE，

[2]Arazm， F. Benson， F.A. Nonlinearities in Metal Contacts at Microwave Frequencies. Electromagnetic Compatibility[J].IEEE Transactions on. Vol. EMC -22， No.3， 1980： 142-149.

[3]Lui，P.L. Passive intermodulation interference in communication systems[J]. Electronics and Communications Engineering Journal. Vol.2， No.3， 1990： 109-118.

[4]张世全，葛德彪.通信系统无源非线性引起的互调干扰[J].陕西师范大学学报（自然科学版），2004，32（01）：58-62.

[5]王继志.移动通信基站天线中几个关键问题的研究[D].山东科技大学，2003（05）.

作者简介：王立奎（1970-），男，山东费县人，硕士，高级工程师，研究方向：通信系统、信号检测技术。endprint