天线电调传动可靠性分析

京信通信系统（中国）有限公司 黄潮生

1 引言

电调是天线核心功能，传动是电调的根本。不同的电调传动方案、设计直接影响天线成本，性能，功能等，且电调传动有别于传统的机械传动，需要更多的考虑对天线电气性能及整体的影响。如互调稳定性，控制协议、供电功率等问题，传动的可靠性性更多基于理论设计及实际数据基础,下面综合行业的技术现状，从实际应用角度列举并分析探讨电调传动可靠性。

2 基本传动设计及CAE仿真

1）传动零部件的力学可靠性性分析

典型的天线电调，通过基站信号驱动电机，控制传动机构改变移相器相位实现倾角调整。基于电调精度及自锁要求，市面上广泛应用螺纹传动，通过预设两端挡块判断电调行程，再进行角度划分，从而实现不同的电倾角设置。

在电调控制中，挡块止档位可靠性起到关键性的作用，在确保反复冲击的同时，止动瞬间需承受较大弯矩，破坏的后果可能使螺纹传动轴向力加载到移相器，破坏相位传动机构导致天线失去电调功能，所以有必要根据典型设计经验及CAE算法优势，展开迭代优化，确保零部件传动过程的可靠性（如图1）。

图1

2）传动零部件的优化设计

根据1）中仿真分析的结果（灰色部分超过材料安全载荷），对螺杆传动的止档薄弱处进行加料与倒角优化加强，减小应力集中问题,如图2所示。

在此之前,优化有限元分析网格是有必要性的。对于复杂的模型结构而言,可以通过几何拓补的方式，将四面体网格转换为六面体网格，使数据运算更加收敛，降低计算量的同时提升局部精度，更能有效控制仿真数据的精准性，如图3，4所示。

3）基于天线电调的螺纹传动计算与分析

由于天线电调主要采用基站供电的方式，随着基站技术的发展供电趋于低能耗输出，驱动传动的电机输入功率在固定情况下，输出扭矩及转速受限且互为反比（如公式1所示）。

图2 （应力集中程度相较降低）

图3 （四面体网格）

图4（六面体网格）

另一方面，基于基站AISG控制协议4分钟内需完成校准的要求，在满足天线倾角需求的低输出扭矩T或推拉力的情况下，需要保障最低输出速度N，且需综合考虑传动稳定性等问题，展开以下公式做进一步分析。

L--移相器（螺杆）总行程；Famax--轴向负载载荷；d2--螺纹中径；γ--导程角；α--螺纹牙型半角；L1--移相器有效行程；L2--前补偿间隙；L3--后补偿间隙；Ph--螺杆导程；tx--寻频时间。

根据公式（2）（4）可看出，在负载一定的情况下，L与N成反比关系，即行程越大系统所需最低输出速度越大。行程L越长安全系数Sf趋于更小。综合来看移相器总行程设计过长，将对功率或稳定性起到负面作用，所以对于设计较大天线电调行程而言，需考虑螺杆长度带来的时间损耗问题。

另一方面，采用更高弹性模量的材料，减少摩擦系数或增大螺纹中径等方式可以提升传动的稳定性，但基于天线互调的限制因素，传动件一般选用塑料材质，弹性模量量级难以出现质的变化；塑料摩擦系数本就较为优秀，虽通过润滑的方式可以进一步提升，但考虑天线户外环境可靠性（-40℃～+70℃），需要考虑润滑带来的低温破冰及阻力矩增大等设计余量，得不偿失。综上所述，在设计初期有效控制螺纹中径，后续工艺及维护简单，更易提升可靠性。

根据（3）公式，在负载Fa一定的情况下，d2与T成正比关系，且d2增长比值大于正弦导程角的下降比例，通过数据建模图表所示，根据公式（1）T对功率起到反向的作用。所以，螺纹中径应该限制一定的范围，不能无限加大。另外，螺纹中径一定的情况下，越小的导程所需的最低输出扭矩越小，但回到公式（2）导程却对速度N起负面作用。

图5 扭矩与螺纹中径的应力曲线关系

综合上所述，在天线电调的螺纹传动设计中，需要考虑功率，速度，扭矩及稳定性带来的问题，细节部分需考虑切换、电机加速等带来时间损耗的问题，移相器总行程应有效控制行程，螺纹中径与导程相互制约，需要通过有效的实际数据或假设法进行反复验证，以得到更优的结构设计方案。

3 环境影响的可靠性分析

目前大多数材料设置于室外环境，根据移动天线设计规范要求，天线需满足-40℃～+70℃极端恶劣环境工作需求。此对于传动零部件而言要求更为严苛，意味着在高温或低温下需克服材料尺寸差异，强度，传动效率下降等综合因素带来的损耗问题，保障充足的输出功率，以满足天线电调的输入要求。

1）材料膨胀系数的影响

由于高低温跨幅接近110℃，设计时需要综合考虑材料各向热胀冷缩的特点，且不同的材料间膨胀系数各不同，为了提高天线的传动可靠性，在结构设计初期，需要尽量选择相同的材料作为接触传动件，以保障零部件的收缩比例呈正比，可以规避大部分因设计预留不足导致的传动隐患，如接触件材料不同或尺寸比例过大等。零部件在基本公差设计之余，需通过表1膨胀系数充分计算极限尺寸，以保障如孔轴或齿轮副等传动结构之间配合关系，避免过盈间隙或间隙过大的情况，确保天线传动机构的可靠性。

表1 材料线性膨胀系数

2）高低温应力与应变分析

由于塑料材质特点，高低温下，抗拉、弯曲、抗剪强度将出现明显的差异。在相同的受力情况下，不同温度，零件尺寸会出现不同程度的形变，如POM材料，熔点较低，高温递进的过程中，如图6应力应变曲线随所示，温度变化产生的影响尤为明显。

对于精密的螺纹或齿轮传动来说，尺寸的变化直接影响机构的传输效率，严重将导致天线电调堵转等风险，反观应变曲线，相同形变下也表现材料强度的下降，如齿轮传动在负载情况下将影响啮合重合度或中心距，可能出现卡死或跳齿等问题，影响天线电调功能，所以在工程设计初期，工程师需通过初步评估零部件受力情况及安全系数，参考选型材料的应力应变曲线和实际经验进行综合判断，预留应变余量，并进行反向校核。对不同温度下的传动效率变化需要有实测值作为支撑，以保障天线电调传动在不同环境下的可靠性。

图6 POM应力应变曲线

3）HALT可靠性验证

在天线传动的可靠性验证中，需投入大量人力物力，以充足的样机基础发现传动中的概率性问题（如互为质数的齿轮传动），消耗巨大。于是从另外一个维度考虑，可采用一种更严苛的试验方式，放大产品缺陷，以达到反应传动机构的可靠性目的，并减少投入。

HALT试验通过极端的高低温环境、随机的振动频率、或独立或叠加方式进行。寻求样品的低温、高温操作及破坏极限如图7所示。气动振动台，频率范围为2Hz～10000Hz，且振动应力为六自由度，如图8所示。

图7 HALT试验目

图8 温度与振动的综合测试曲线

实际验证中证明，温度与振动叠加更容易放大材料、工艺、结构薄弱点等缺陷，使产品批量生产前充分评估并加以改善，对天线电调传动批量可靠性起到重要的指导性作用。

4 电机可靠性分析

1）电机的选型及应用

在电调天线设计中，电机作为传动机构的主要输出器件起至关重要的作用，品种繁多，所侧重功能各不相同，需要综合考虑电机的大小，扭矩，润滑，防腐，损耗，老化，磁性衰减，反电动势，温升，电流、电压等相关问题，针对不同的传动产品，电机性能的选型，直接影响传动的稳定性及功能的实现，对于天线电调传动，需要重点考虑室外环境的影响，以及基站协议、功率等限制，选型一般遵循图9所示，并通过上述因素综合修正，以得到更优的驱动器件。

图9 选型步骤图

电机的动态力矩较难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来。

2）电机的特性及可靠性

天线步进电机的精度为步距角的3-5%，且不累积；步进电机外表允许的最高温度取决于不同电机磁性材料的退磁点；低于封闭环境，需加强考虑电机的温升问题，避免在高温工作下影响电子器件稳定性，步进电机的力矩会随转速的升高而下降（U=E+L(di/dt)+I*R）如图10所示。

图10 某电机矩频特性曲线

步进电机的起步速度一般在10～100RPM，伺服电机的起步速度一般在100～300RPM。根据电机大小和负载情况而定，应尽量选择扭矩较大的区域，且在实际应用中，速度的选择应尽量避免矩频曲线斜率较大区域，也可采用电压与电流的匹配方案修正曲线斜率，以保障电机输出动力的稳定性。

3）电机常见问题及原因分析

根据电机过往异常情况梳理，并总结相应的解决措施，如表2所示。

表2 问题题及原因分析

5 其它可靠性控制

1）潜在失效模式的控制-DFMEA（Design Failure Mode and Effects Analysis）

在天线电调传动设计中，零部件环环相扣，牵一发而动全身，局部的细节异常将可能引发连锁问题，导致严重的产品异常，但细枝末节的问题又错综复杂。DFMEA通过发行、评价产品/过程中潜在的失效及后果，找到能避免或减少这些潜在失效发生的措施，“事前行为”的方式可以有效评估产品或零部件的异常，减少“事后”带来高额“补救”成本。且DFMEA通过时间、经验的积累，可以形成经验案例，对技术人员起警惕性及参考性作用，更全面的把控产品设计质量，提高天线传动零部件可靠性。

2）制程能力指數的控制-CPK（Process capability index）

在常规的传动设计中，如尺寸满足极限误差即为合格品，且往往在研发样机阶段某项性能合格，到了批量就出现较大偏差，乃至尺寸概率性超差等问题。对于传动而言，超差的后果可能导致传动功能失效，所以有必要通过合格的样品进一歩更深入的分析及评估。CPK是基于统计学的一种应用，通过正态分布的数据的进行收集并针对合格零部件或合格传动数据进行整合分析。根据偏差量透过固定公式进行综合计算，从而推导批量生产可能带来数据超差风险。对于天线电调传动系统，CPK的控制能在设计端有效预知并预防批量不良率，侧面评估供应商制程把控能力，预知设计人员可能存在超差风险以及概率，并进行针对性的协调、改进、优化，确保传动零部件的批量稳定性。

6 总结

天线电调传动是一项系统工程，涉及的影响因素及限制非常多，对于批量产品而言，传动的失效形式是概率性的，而出现异常后追根溯源往往困难重重，且电调传动零部件环环相扣，变更及维护成本高。所以在设计初期，设计人员应充分了解实际应用情况，综合评估传动的输入与输出条件，通过仿真或计算分析，多方面考虑环境所带来的不确定因素，完善并收集相关较为全面的数据进行统计，制定合理的，可行性更高的电调传动方案。总之，为了提高天线电调传动的可靠性，确保能始终处于良好的工作状态，就要综合对整体结构设计进行深入分析与研究，结合实际的工作状态，提出有针对性的改善措施，形成电调传动可靠的技术积累与技术保障，从而实现更高品质、更加稳定、可靠的天线电调产品。