基站天线互调分析的13个维度*

2016-05-14吴卫华张申科丁勇程季杨能文黄强张远安

移动通信 2016年5期

关键词：电流密度

吴卫华张申科丁勇程季杨能文黄强张远安

【摘要】首先介绍了基站天线的结构组成，接着将影响基站天线互调的因素进行了梳理，归类为13种维度，对其进行分析，并举出实际案例和解决思路，最后归纳了基站天线互调测试系统搭建的关键点。

【关键词】基站天线互调分析传输线理论趋肤电流密度互调产物

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.05.019 中图分类号：TN82 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2016）05-0090-07

引用格式：吴卫华，张申科，丁勇，等. 基站天线互调分析的13个维度[J]. 移动通信， 2016，40（5）： 90-96.

1 引言

在无线通信系统中，基站天线是收发信机与外界传播介质之间的接口。随着无线通信的发展，网络环境的复杂多变，对基站天线的互调要求通常较高。基站天线三阶互调控制水平是衡量一个天线厂家电气、结构、工艺、来料和制造等综合实力的重要指标。

文章首先介绍了基站天线的结构组成，基站天线的主体结构由外罩、反射板、馈电网络以及振子组成。为提高基站天线三阶互调指标及其批量生产一次达通率，提高基站天线长期使用的稳定性和可靠性，需要在电气、结构、工艺、选材、制造上进行系统的定性和定量研究，本文提炼出了基站天线互调分析的13个维度：（1）传输线理论；（2）趋肤深度；（3）电流密度；（4）输入功率和互调产物的关系；（5）互调的矢量叠加原理；（6）接触的非线性；（7）材料的非线性；（8）零件的表面特性；（9）温度；（10）时间和频次；（11）应力和变形；（12）外来的PIM干扰；（13）电导通和非电导通。最后归纳总结了基站天线互调测试系统搭建的关键点。

2 基站天线的结构组成

基站天线的主体结构由外罩、反射板、馈电网络以及振子组成。天线外罩是保护基站天线系统免受外部环境影响的结构件，具有良好的电磁辐射透过性能，能够经受外部环境侵袭，常用的外罩材料主要有玻璃钢、UPVC和ASA。反射板是基站天线所有部件的安装主体，在减轻重量、提高机械强度、改善辐射性能方面起到重要作用，常用的反射板材料有5系钣金用铝合金板和6系拉伸铝合金型材板。馈电网络的作用是将射频电能按照设计要求分配到各个振子，分配的幅度比和相位差决定了垂直方向的辐射方向图和增益，馈电网络有基于同轴电缆和基于微带线这两种设计方法。振子是基站天线最重要的部件之一，其设计方案的好坏决定了天线主要的几个辐射指标的性能，振子从辐射原理上可分为微带贴片和对称振子两种方案，常用的振子材料有压铸锌合金、压铸铝合金和PCB。

基于同轴电缆的馈电网络进一步细分为端口跳线、功分器、接线端子、移相器等部件。移相器是基于同轴电缆的馈电网络最为关键的部件，作用是改变流经移相器并馈入辐射单元的信号的相位，进而改变天线所形成的垂直波束的下倾角度。根据移相原理的不同，移相器可以分为两大类：（1）物理长度可变移相器，即通过改变信号传输途径的物理长度来改变相位；（2）介质滑动型移相器，即通过改变传输线的等效介电常数来改变相位。

基于微带线的馈电网络采取了一体化的设计方法，将天线内部的功分器、移相器、跳线接头全部做在一块PCB板或金属导带上，最大限度地减少了焊点。

相对于基于微带线的馈电网络，基于同轴电缆的馈电网络设计灵活性更优，研发难度和周期较低，生产控制要求更严格，在目前基站天线升级换代比较频繁的情况下，基于同轴电缆的馈电网络是行业主流。

3 基站天线互调分析的13个维度

在无源互调的分析研究中，一般基于11项基础理论来研究。由于基站天线是把射频电能和电磁波能互相转化的部件，多了一个场的维度；无源腔体内所有的接触点，电导通的点必须可靠的接触，基站天线中存在大量既可以电导通，也可以不电导通的点，所以对于天线互调的分析，可以基于13项基础理论来研究：（1）传输线理论；（2）趋肤深度；（3）电流密度；（4）输入功率和互调产物的关系；（5）互调的矢量叠加原理；（6）接触的非线性；（7）材料的非线性；（8）零件的表面特性；（9）温度；（10）时间和频次；（11）应力和变形；（12）外来的PIM干扰；（13）电导通和非电导通。

焊接对基站天线的互调影响巨大，需要较大的研究深度和广度，故不在本文展开论述。

3.1 传输线理论

如图1所示，基站天线中射频电能的传输一定是在传输线中进行的，在不同的传输线中，电流经过的表面不一样，路径的截面积不一样，传输线理论是后续探讨趋肤深度、电流密度、输入功率和互调产物关系的基础，要使互调设计好、材料选对、生产工艺控制点清晰，一定要充分理解传输线理论。传输线的连续性是影响互调的关键点。传输线的主要结构形式如图1所示：

（a）同轴线（b）带状线（c）微带线

图1 传输线的主要结构形式

基站天线不同传输线之间的连接通常通过焊接完成，焊接端子、焊盘设计要符合传输线连续性要求。

3.2 趋肤深度

当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的“皮肤”部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导线内部实际上电流较小，这一现象被称为趋肤效应。

高频通路的互调，对镀层的表面质量敏感。镀层的表面质量主要由机加件或压铸件的表面粗糙度决定，同时受到电镀工艺的影响。

低频通路的互调，对镀层的厚度敏感。在电镀中采用辅助阳极，可显著改善镀层的厚度公差，可节约成本，同时又使最小镀层厚度达标。

3.3 电流密度

导线中不同点上与电流方向垂直的单位面积上流过的电流不同，为了描述每点的电流情况，有必要引入一个矢量场——电流密度，电流密度是描述电路中某点电流强弱和流动方向的物理量，它是矢量，其大小等于单位时间内通过某一单位面积的电量，方向向量为单位面积相应截面的法向量，指向由正电荷通过此截面的指向确定。在高频频域，由于趋肤效应，传导区域会更加局限于表面附近，因而促使电流密度增高，电流密度过高会产生不理想后果。图2是某高频振子表面的电流密度：

图2 高频振子表面的电流密度

电流密度的高低，对振子的互调设计有指导性作用：振子巴伦底部的对边间隙要尽量大，模具分型面的选取要有利于后续毛刺去除，关键棱边需要导R角，关键表面的质量需要严格控制，流道、渣包的设计和后续去除工艺要严格考虑。

3.4 输入功率和互调产物的关系

载波功率每增减1dB，三阶互调产物增减3dB。这样一个论断，是理解基站天线馈电网络互调参数化分析的基础：在馈电网络，能量从端口输入，通过多级功分器将不同功率比的能量传递到辐射单元，互调值的计算和比较要基于对应的载波功率。

使用同样规格辐射单元的高增益基站天线，由于比低增益基站天线使用辐射单元的数量要多，互调极限值要更优。

3.5 互调的矢量叠加原理

如图3所示，在互调测试过程中，测量的互调信号包括在不同点上产生的互调，是所有互调的矢量叠加，如被测互调、残留互调。同时由于观测互调的点是固定的，而基于被测器件的电长度，所有互调信号将根据电长度引起的相位不一致进行矢量叠加。

（a）互调叠加原理示意图（相位差0°）

（b）互调叠加原理示意图（相位差45°）

（c）互调叠加原理示意图（相位差90°）

（d）互调叠加原理示意图（相位差180°）

图3 互调叠加原理示意图

在基站天线互调测试中经常会发现，当电下倾角为0°时，一般是互调最差的点，当电下倾角为5°或10°时，互调测试值会变好。这是因为辐射单元产生的互调信号将根据电长度引起的相位不一致进行叠加，随着电下倾角度的增加，相位的差异越来越大，矢量叠加值越来越小，实际互调值变好。通过互调测试值随着电下倾角度增加变化的情况，可进行馈电网络互调故障点的初步定位。

3.6 接触的非线性

理想接触：两个接触面完全光滑，同时接触力度适当，此时电流均匀的在接触面上通过，因此电流密度很小，产生的互调最小。松动接触：两个接触面不平整，如存在划痕、毛刺等，当接触力度过小，则使接触面上存在大量不连续的区域，导致接触区域产生较大的电流密度，从而引起较强的互调电平。紧固接触：条件如松动接触，但接触力度加大，则接触不连续的区域大量减少，接触区域上的电流密度随之减小，互调电平有很大改善。较大的接触压力有利于“刺穿”可能产生非线性传导的氧化物，因此无源互调电平随有效趋肤深度内的接触面积的增加而减小。

在零轴向压力下，所有的金属接触都会产生强的交调产物，要严格控制力矩衰减，力矩衰减过大会造成轴向压力下降而恶化互调，力矩衰减可通过螺纹紧固件的防松来保证，如使用耐落胶螺钉。对金属接触来说，接触面的清洁度甚至比表面粗糙度更加重要。带有银或锡镀层的金属接触会产生较低的互调产物，带有氧化层的金属接触会产生高的互调产物。

为保证导体接触面在有效趋肤深度内，可以保持压力稳定的良好面接触，并极大减轻振动测试后的接触面“滑移”造成的接触恶化，常常采用“嵌入式”接触的方法：（1）“软”—“硬”接触，在相对接触的其中的一个导体表面电镀塑性变形能力较强的金属镀层，如镀银、镀锡；（2）“硬”—“软”—“硬”接触，在相对接触的两个导体之间，加入垫塑性变形能力较强的金属，如铜箔、铜片。

当相对接触的其中一个导体的刚度不足时（材质塑性变形能力较强、接触处的厚度较薄，都可以造成刚度不足），要确保轴向压力线方向通过有效导体接触面，尽量保证接触面在接触中只受到轴向压力，没有其他附加弯矩。只有这样，才能使拧入力矩在较大的范围内变化时，接触面还是真正意义上的“面接触”。在实际应用中的典型例子：凸包直径和螺钉盘头直径相当，DIN型连接器的互调环应尽量往外侧。

在接触面设计容屑槽减小非线性风险。由于镀层在零件边角厚度会变厚，螺钉旋入时会对螺孔有一个切削过程，会有金属屑（有镀层金属，也可能有基材金属）排出，排屑是双向的，向前的排屑落入外部可通过清洁去除，向后的排屑收纳在容屑槽内。如果没有容屑槽，在螺钉旋入的过程中，金属屑会排到螺孔的端面，在接触面之间引入接触的非线性风险。

基站天线几乎全部的金属在与金属接触中，其中一个接触面都是反射板。反射板冲裁内孔的毛刺和毛边的高度是导致接触非线性的关键因素：毛边方向（BURR SIDE）在馈电网络安装面，毛刺极限值为f级（紧密级），使电流路径直接是反射板正面到振子，电流流经的表面种类少，互调容易控制好。

避免移动型接触。在传输线的路径上，为保证传输线的连续性，所有连接和接触都应该刚性连接（焊接或有轴向压力的面接触）。不能混淆介质移相器的介质移动，移动的是介质，既不是内导体，也不是外导体。移相器的互调量级在理论上：金属移相器最差，PCB移相器相对居中，介质移相器互调最优且最稳定。

振动后产生的接触非线性。振动影响互调主要在于使各处的接触面的接触质量重新分布或是破坏传输线的连续性：（1）螺钉震松了，接触面的轴向压力减小；（2）接触面表面质量由于轴向冲击，侧向微“滑移”，表面质量恶化了；（3）不可靠的焊点（虚焊、冷焊）内部裂开，产生了“接触面”；（4）PCB焊盘受力，存在程度不同的铜箔剥离；（5）同轴电缆悬臂过长，振动造成了内导体或编织层外导体疲劳破坏，造成传输线的不连续。

3.7 材料的非线性

材料的非线性造成的互调需要结合载波功率和电流密度来研究和定义。常用的铝合金、锌合金、黄铜牌号，非线性较弱，镀上5倍趋肤深度的银、锡镀层后，可基本屏蔽基材的非线性影响。由于强度、镀层附着力等原因必须使用铁磁体材料（不锈钢、钢、镍）时：在电流密度微弱的地方，经过互调验证，可使用弱磁性或已退磁材料；在电流密度中等大小的地方，可通过合适厚度的镀层来屏蔽铁磁体材料或基础镀层的非线性；在电流密度大的地方，可通过接触面的优化设计，改变电流流向来避免铁磁体产生的影响。

3.8 零件的表面特性

材料的表面特性是产生无源互调的重要因素，表面特性受氧化物组织及清洁度的影响。焊点的焊后表面清洁程度，电镀保护剂的厚度，灰尘、汗渍，都会恶化零件表面质量以影响互调。反射板表面的深划痕+表面的灰尘累积，有较大的使互调恶化的风险，可以采取如下两个措施来优化反射板板表面质量：（1）减少反射板上的压铆件设计，压铆工序是形成反射板划痕的主要渠道；（2）天线的清洁工作很难做，在反射板两个表面的静电覆膜应一直到装配前才撕掉，静电覆膜可以减缓周转储存中产生的划痕，同时可以避免灰尘的堆积。

3.9 温度

焊接的温度是影响焊接质量的关键。金属和非金属随温度不同，线膨胀系数不一致，是“三明治”（金属—非金属—金属）连接结构不稳定的主要因素之一。横截面相对长度尺寸较小的金属和非金属零件，在长度的两端固定连接，昼夜温差会造成零件产生复杂的内力，内力反复的作用会恶化接触面质量，减小接触面压力，进而影响互调。

同轴电缆受温度变化对互调有影响，弯曲半径越小，影响越明显。

3.10 时间和频次

时间越长，互调越差，需要减小互调随着时间恶化的程度。返修互调时，经常出现的一种现象是越修越差。镀锡零件随着存放时间的延长，产生“锡须”，互调逐渐恶化。连接器设计不合理，随插拔频次的增加使互调风险增加。反复的脱焊维修，造成镀层破坏、焊盘破坏，使互调恶化。同轴电缆反复弯折破坏，造成互调恶化。如果造成了难以定位的互调故障点，则无法继续返修，产品报废。

3.11 应力和变形

反射板的应力和变形是目前影响天线互调失效和不稳定的最重要因素之一。基站天线是以反射板为安装主体的，反射板自身设计强度不够会造成变形；刚度比反射板高的其他结构件在与反射板连接紧固时，也会造成反射板变形；反射板与玻璃钢天线罩的两端固定连接，由于昼夜温差季节变化的温度应力，会造成反射板变形。

应力和变形会恶化关键接触面的接触质量，进而影响互调，典型的例子就是安装板。安装板一般安装在反射板的馈电网络面，射频电流密度很小，按常理应该对互调影响很小，但在实际使用中，对互调影响非常大。安装板对互调的影响如下：安装板由于为钢板，强度非常高，安装板的折弯精度较差，造成相对面的平行度较大，在采用M6或M8螺钉紧固安装板和反射板时，会使反射板产生复杂的形变，主要影响机制有两个：（1）形变产生沿反射板平面方向的应力，反射板平面方向有位移产生，此位移会造成已经稳定接触的相对表面产生沿反射板平面方向的微量“滑移”，恶化接触面表面质量，互调恶化；（2）反射板在接触处变“凸”或变“凹”，接触面由环状面接触恶化为“点”、“线”接触，接触压力过大或过小且不稳定。互调测试中敲打安装板和反射板互调跳变是此问题的一个佐证。拧松再重新紧固这些螺钉，是改善接触面质量、调整接触面压力，返修互调的临时举措。优化安装板的设计，提高钣金件精度，努力从结构上消除或减弱安装板导致反射板变形的附加作用才是长久之计。

3.12 外来的PIM干扰

在互调微波暗室中的待测天线，距吸波材料要有一定距离，能确保吸波材料感应回波不产生互调。互调测试平台要使用非金属材料避免外来的PIM干扰。天线所有的安装附件，要使用热浸锌或退磁的不锈钢材料，避免外来的PIM干扰。劣质的手糊美化天线玻璃钢外罩、碳纤维等非线性物质的聚集，也会造成互调恶化。如果内测互调指标合格的天线，在外部测试或工程使用中出现互调异常，则要关注外来的PIM干扰。

3.13 电导通和非电导通

不在传输线上，最好避免直接电导通，如果受限于安装条件，不可避免地出现电导通，则一定要参照传输线上接触的非线性来分析。由于防雷接地的需要，天线在靠近端口的地方要有可靠的低电阻接地，有3种接地形式：（1）连接器法兰接地；（2）同轴电缆外导体接地；（3）第一级的功分器围框接地。当馈线上有感应雷时，通过3种接地形式→反射板→安装板→下角臂→抱杆→钢结构通信塔塔身→钢结构通信塔塔身和基础的金属搭接→基础钢筋笼→接大地，来泄掉感应雷击。

高频辐射单元和反射板是否直接电导通，行业中有两种趋势，各有优劣，分析如下：（1）高频辐射单元和反射板直接电导通，天线理论极限互调水平要比非直接电导通好约5dBm，天线抗感应雷击效果好，但这需要严格质量管控的物料和制程较多，目前为行业主流趋势；（2）高频辐射单元利用塑料卡扣安装，不直接和反射板电导通，天线理论极限互调水平要比直接电导通差约5dBm，但是可以规避反射板应变、接触面恶化、力矩衰减等互调风险点，有利于提高互调的稳定性，国外厂家应用较多；（3）高频辐射单元和反射板是否直接电导通，还会对较多的电气指标产生正面或负面影响，需要综合考虑，多频多端口天线中已有厂家通过调整高频辐射单元与反射板电导通或非电导通来优化电气指标。

其他馈电网络部件固定在反射板上的方式是使用塑料卡扣连接替代螺钉连接，可极大减小互调风险点。

4 基站天线互调测试系统的搭建

基站天线互调测试系统的搭建包括以下要点：

（1）互调仪的输出功率要有较高的精度，互调测试同轴电缆的长度不宜过长，避免实际到达天线端口的功率偏低，互调测试值偏高。

（2）要求互调测试系统（互调仪、跳线、低互调负载）的残余互调余量要大于10dBm，当被测部件的实际互调电平接近测试系统的残余互调电平时，由于两者的矢量合成，互调电平的测量不确定度就会变大。

（3）反复拆卸的端口在使用一段时间后，需要进行例行的端口清洁，射频端口的紧固应使用按推荐值校准的力矩扳手紧固。

（4）互调测试系统的跳线在测试过程中需保持合理的弯曲半径。

（5）互调测试系统的跳线不得对两端连接器产生过大的剪力，过大的剪力会造成内导体的偏心受力，引起插孔内导体的偏心接触，互调测试值不稳定。

（6）要接低互调负载测试连接器、跳线和PCB组件（如功分器、移相器）的互调。空载测试互调，由于被测部件的失配，能量大部分被反射回互调仪，通过功放输出端口串接的环形器后的负载吸收会造成功放寿命降低。若测试的是PCB部件，由于过载造成温升，则引起铜皮附着力恶化或局部PCB的碳化，形成互调隐患。

（7）对于关键部件，如端口跳线、移相器组件，要制定合理的部件级互调测试策略。避免将有重大互调质量隐患的部件装配到天线上，造成整机互调返修困难。如可进行跳线的互调预测试、移相器组件的互调预测试。

5 结束语

文章首先介绍了基站天线的结构组成，在此基础上提出并逐项剖析了基站天线互调分析的13个维度，并强调基站天线的互调需要定性和定量来分析。基站天线三阶互调控制水平是衡量一个天线厂家电气、结构、工艺、来料和制造水平等综合实力的重要指标，本文的分析研究对基站天线互调研究的进一步发展有一定的指导和借鉴意义。