基站天线的无源互调分析与研究

广东通宇通讯股份有限公司 汪常娥

1 引言

当两个或两个以上的信号通过非线性器件时，会产生除基波信号外的其余分量，称之为无源互调产物(PIM：Passive Intermodulation)。PIM产物随功率增加而增大；随阶数增大而减小。无源互调不仅影响本系统，还会干扰共站的其他系统，严重时可使得整个通信系统瘫痪。基站天线往往作为收发共用天线，发射功率大，接收灵敏度高，无源互调成为不可忽视的干扰源，天线的PIM问题越来越受到人们的关注。

2 无源互调介绍

当输入信号f1、f2，通过非线性器件产生互调信号： 1阶（f1、f2）；2阶（(f1+f2)、(f1-f2)）；3阶（(2f1±f2)、(2f2±f1)）；4阶（(3f1±f2)、(3f2±f1)、(2f1±2f2)）；5阶（(4f1±f2)、(4f2±f1)、(3f1±2f2)、(3f2±2f1)）……

其中三阶频率离有用信号最近，互调电平最大，若落到接收频带内，占据有用信道，造成信号丢失、虚假信道繁忙、语音质量下降，直接影响通信容量和质量。因此工程上最关心三阶互调，是评价天线性能的重要指标。两个43dBm信号产生一个-110dBm的互调信号，表示为-153dBc@43dBm（-110-43=-153dBc）。

3 产生原因

引起天线PIM的原因可分为非线性金属接触和非线性材料，主要包括：

（1）物料采用非线性材料：金属具有铁磁性等。

（2）表面处理不当：镀层厚度、表面粗糙度和平整度不达标等。

（3）工艺要求不达标：电缆内芯氧化，虚焊、漏焊、拉尖等。

（4）装配不规范：螺钉松动、部件间有缝隙、馈电槽没装卡座等。

3.1 非线性金属接触

非线性金属接触是产生PIM的主要原因，如不牢靠的机械接触，虚焊和表面氧化等。其因素源于金属部件的镀层厚度、粗糙度和平整度。

天线反射板上集中装配辐射单元、馈电网络、连接器及安装件等。各部件间的电流密度不同，为降低因接触非线性造成的PIM，必须增大接触面积，减小各部件与反射板间的电流密度差，或采取彻底绝缘方法。图1所示中，两金属面间并非100%完全接触，由于隧道效应，电子穿过细小裂缝，通过接触点流动，使接触面呈现非线性。

图1 非线性金属接触示意图

当两金属表面接触松动时，少数接触点连接，电流密度较大；增大接触压力，可增多接触点，减小电流密度。PIM电平随接触面积增加而减小，为获得优良PIM值，需提高表面粗糙度指标。

3.2 非线性材料

天线各部件的材料对PIM起重要影响，金属材料应具有非铁磁性，非金属材料要注意其介电常数。通过对不锈钢、镀镍、黄铜制成的金属零件做PIM试验，发现黄铜的连接器基本不受外界磁场影响，镀镍零件的互调比黄铜的高约40dBm，而不锈钢的零件受磁场影响最大。因此零部件应具有非铁磁性，禁止使用铁磁性材料，且表面处理禁止电镀镍。

综上，非线性金属接触产生的PIM具有不稳定性，不存储性，当改进接触方式后，可明显改善PIM（经验上焊接式优于压接式，压接式优于卡接式）。非线性材料产生的PIM受外界电磁场影响，有存储性，即当外界电磁场消失，互调仍存在。

4 预防与改善

PIM无法避免，只能采取措施预防与改善，从部件设计与装配方式着手。

4.1 部件设计

基站天线由多部件组装而成，包括辐射单元、馈电网络、反射板、连接器等，每部件都会影响整个天线的PIM指标。

4.1.1 辐射单元

辐射单元是基站天线的核心部件，对PIM产生的影响至关重要，工程上一般要求辐射单元的互调指标≤-115dBm@43dBm，其工艺实现分为金属压铸与PCB蚀刻。金属压铸件优点：模具成型，一致性好；精度高，不易变形；装配简单，易批量生产。缺点：设计、调试麻烦，定型前不宜开模，开模修模费用高。PCB蚀刻优点：设计、调试灵活，重量轻、成本低。缺点：加工工序多，控制无源互调相对困难。

辐射单元需要电镀，电镀分为打底和镀层处理，打底分为镀铜和镀镍。镍是铁磁性材料，不能用于有互调要求的电镀件中，须使用铜打底。铜打底后可选择镀锡或镀银。一般场合使用镀锡，特殊场合（如辐射单元内芯，连接器内导体）才镀银。镀锡分为亮锡与雾锡，亮锡晶粒大小约为2微米，雾锡晶粒大小约为4-5微米，可见亮锡有更好的表面粗糙度。

压铸件形状对PIM的影响也不可忽视，尤其应避免“尖端放电”。通过比较分析知：对压铸单元的直角进行圆弧倒角后，三阶互调提高15-25dBm。

4.1.2 反射板

反射板设计需注意事项：

（1）反射板要注意折弯，圆角要大，避免折弯处开裂。冲切成形的构件，根部接连处需设计工艺槽。

（2）反射板的挖孔、冲切槽边沿等部位去毛刺。

（3）反射板上的压铆尽量少，压铆点需远离单元，且压铆处要牢固，防止部件松动。

（4）反射板厚度适中，保证底板不变形。

4.1.3 馈电网络

馈电网络包括微带传输线、移相器/功分器/滤波器/合路器、同轴电缆。

研究发现通过改善微带线的铜箔表面粗糙度，可提高互调指标6～10dB。PCB铜箔表面处理有喷锡、镀锡，沉锡，沉银等。喷锡与镀锡的锡厚度与均匀性无法控制，且镀锡易产生锡须，不适合高互调的场合。沉锡与沉银PIM都低于-110dBm，但沉锡比沉银小2dB。设计微带线应注意细节：

（1）避免90°直角转弯，尖角采用弧度，蚀刻不能有“狗牙”。

（2）互调随线长增加而增加，随线宽增加而减小。

（3）互调与基板散热性能有关。介质层厚度越厚，散热效果越好，互调越小。

（4）防止微带线受外力而变形。

微带线与同轴电缆线的连接有两种。一种是采用金属接地片，再与同轴电缆线连接，加工简单，成本较高，焊接工艺较高。另一种是在微带线上金属化过孔，将同轴电缆直焊在微带线上，模型简单、成本低，但对板材厚度有要求，须保证与电缆连接后，PCB不会机械变形。

移相器/功分器/滤波器/合路器是控制天线的相位、功率和滤波的重要部件，部件的装配、接地方式与接地是否良好，将直接影响PIM指标。工程设计中需将这些部件与反射板彻底绝缘，切断电流通路，减小相互间的电流分布影响；避免尖角设计，压铸件应采用圆弧倒角设计。

同轴电缆易于安装被广泛用于连接各部件，其裸露的内芯易氧化，未使用的电缆要在内芯的裸露端镀锡，同时套上塑料帽。

4.1.4 连接器

连接器直接承载输入的大功率信号，将直接影响天线PIM指标。连接器的组成包括外导体，内导体和绝缘介质。连接器的内芯和外导体采用焊接方式，可减少因连接器与同轴电缆间由于接触而产生的无源互调。安装使用中要求内导体与测试设备间应紧密结合，且内导体有一定弹性，不易变形。

4.2 装配方式

天线部件多，装配复杂，需注意以下事项：

（1）焊接：避免虚焊、漏焊，防止杂质溶入焊点；用恒温电烙铁，注意焊接时间，减少氧化物产生；焊接时保证焊点光滑。

（2）金属接触的表面处理：所有连接和接触应刚性安装，保证紧密接触减小振动；尽量避免不同材质的金属接触；尽量增大金属接触面积。

（3）金属屑及杂质清洁：加工和装配会残留铝屑、铜屑和铁屑，所有暴露的导电金属表面需酒精清洗，去除金属屑及杂质（灰尘、汗渍等）。

（4）去磁处理：铆钉及各类紧固器件应去磁处理；装配使用无磁性工具，保证无金属碎屑和磁性粉末等。

5 不良点排查

基站天线三阶互调要求一般为≤-107dBm@43dBm，返修不良端口时，先检查装配是否可靠，再由初始值初步判定：

（1）60～70dBm：接头不良，虚焊、漏焊，螺丝松动。

（2）70～107dBm：振子、零部件不良，虚焊，螺丝松动。

（3）下倾角变坏：耦合杆不良。

（4）三阶互调跳动：振子接触不良、金属接触不良、螺丝松动。

对以上情况，可采用以下方法改善：（a）用力矩扳手打紧螺丝，重新焊接焊点。（b）敲动天线，定位不良部件并更换。（c）逐一断开网络与单元焊点，测量振子三阶，确定是否更换。此方法同样适用于其他部件，如移相器、合路器等，直到三阶返修后合格。

6 结束语

本文在理论基础上分析PIM产生原因，对易产生高无PIM的地方给出设计建议，最后给出不良点排查的经验。通过对基站天线PIM的分析与研究，旨在改善天线PIM性能。

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