移动通信天线无源互调产生机理与改善研究*

孙善球，肖 飞，林学进

（京信通信技术（广州）有限公司，广东 广州 510663）

0 引 言

移动通信无源互调（Passive Inter-Modulation，PIM）是射频信号路径中两个或多个射频信号因非线性特性引起的混频干扰信号，当这些信号电平足够大且落在接收频带内时，会对通信系统产生干扰。一般情况下，无源互调电平值随阶数的增加而减小，低阶无源互调更容易引起干扰，因此移动通信主要的互调干扰是三阶互调和五阶互调。

移动通信天线是无线通信网络的入口和出口，PIM是衡量移动通信天线质量及其影响移动通信网络系统性能的重要参数。通过长时间的研究得出结论——天线批量生产的互调控制水平是衡量一个天线厂家设计、工艺、来料控制及制造等综合实力和管理水平的重要指标，并在行业内达成普遍共识。因此，行业中从运营商、主设备商、天线厂家至上游供应链均非常关注天线批量生产互调控制水平。本文将重点研究移动通信天线互调产生机理及其预防和改善措施，对提升批量生产互调水平具有重要意义。

移动通信天线无源互调主要来自于两种非线性，即材料非线性和接触非线性。材料非线性指具有非线性导电特性的磁性材料，接触非线性指产生非线性电压或电流的接触，如基体致密度、微观接触面积、接触压力、氧化过程以及表面污染等都会产生非线性效应。移动通信天线内部由大量不同材质的金属零部件组成，相互间需要大量的紧固连接和焊接，金属零件、金属间的紧固连接以及金属间的焊接连接构成了三大互调源。据统计，3类互调源导致的问题占比超80%，下文将重点围绕其进行分析。

1 金属零件的无源互调产生机制及预防和改善

针对材料非线性，天线金属零件在选材时应规避磁性材料或在基材上外覆非铁磁性材料。金属零件的加工方式一般为压铸、冲压及机加，在各类加工过程中形成的毛刺、裂纹、气孔等缺陷会导致互调指标恶化。其中，压铸成型零件的基体致密度和表面质量是天线互调控制的重点和难点，基体致密度的气孔砂眼问题（见图1）因微放电而影响互调，表面质量引起的互调问题一般归因于表面效应[1]，下文基于最常用的铝合金压铸成型零件的基体致密度和表面质量展开分析。

铝合金压铸件基体致密度主要与材料、模具及成型工艺相关。材料方面，铝合金压铸时的熔化状态下会溶解空气中的氢原子，但在冷却凝固时会因溶解度下降而析出氢原子，未排出的氢在零件内部会形成气孔。模具方面，零件结构的转折、厚度突变会导致成型过程中模腔内熔液流速不均，产生紊流漩涡现象而裹气困气。成型方面，成型温度、速度、压力及冷却时间等对填充状态及质量都存在影响，其中成型温度尤为关键，过高的成型温度会让模具表面的离型剂快速挥发，气体困于模具死角，形成的局部高压阻碍成型，导致填充不致密，影响基体致密度，给后续的互调控制尤其是稳定性埋下隐患。

为改善致密度问题，材料需保证无杂质污染，避免受潮，熔融状态下不能待机过长，添加除渣剂使氧化杂质沉降，针对溶氢问题可增加除氢设备。零件结构设计需减少壁厚突变，在转折处通过圆滑过渡、渐变过渡避免紊流现象，同时可在模具上布局主次流道以加快填充速度，迫使内部气体向顶针等排气位置移动并排出。成型工艺需调节压铸机的压室空间及活塞的运动速度，提高压室内的铝液充满度，规避填充过程中因液体波动而导致的卷气问题。此外，应用真空模具、半固态成型法等新工艺也能减少气孔问题的产生。

金属零件表面需足够光滑，宏观上规避划痕、裂纹、孔洞等缺陷，微观上，微观形貌的轮廓、晶粒结构、杂质对互调量级存在影响，低轮廓、细化的晶粒、无杂质污染意味着更低的互调量级，如图2所示。压铸件常见的表面质量问题有气孔、冷隔、镀层鼓包，如图3所示。表面的气孔改善同基体内部的气体改善，具体参见上文。冷隔问题与成型工艺相关，雾状金属液喷溅到低温的模具内腔上后迅速降温结晶，形成的硬化支状物无法与后续流入的金属液熔合，导致尖点及冷隔问题，因此改善需从成型工艺方面展开优化。镀层鼓包与基体的气孔相关，电镀前工序为酸洗去氧化层，去除氧化层后致密的硬化层变薄，基体气孔中的高压气体逃逸导致镀层鼓包问题产生，改善思路参见上文有关致密度的论述。

2 紧固连接点的无源互调产生及预防和改善

理想情况下，如果两个接触面绝对光滑且不存在影响导电的隔离层，不会产生互调问题。但是，实际接触表面在微观下粗糙且凹凸不平，在一定压力下隔离层会被刺破形成斑点接触，建立局部的金属接触导电路径。如图4所示，金属接触界面的微观不连续性导致了电特性的非线性，进而产生互调产物[2]。

基于紧固接触非线性的影响因素，如图5所示，为降低连接点的接触非线性，需从如下3个方面进行预防及控制。

2.1 接触面需保证一定的接触压强

只有在适当的高压强下，金属接触面才能刺破间隔层形成可靠的电连接，研究表明压强值为100 MPa左右时，铝材接触能保持在较好的互调量级。一般情况下，压强与螺钉轴向预紧力F及接触面积相关，紧固多采用扭矩法工艺。

螺钉轴向预紧力F的计算公式[3]如下：

式中：F为螺钉轴向预紧力；T为紧固扭矩；K为扭矩系数；D为螺钉公称直径。

在紧固设计校核强度确定扭矩后，要控制生产中螺钉轴向预紧力F的一致性。

需保证紧固扭矩T的稳定性，气批因气源等诸多因素影响其精度无法保障，推荐使用精度在±5%的电批。若条件许可，可选用能闭环监控实时扭矩的紧固设备。

扭矩系数K与螺纹几何尺寸及紧固过程中的各类摩擦相关。一般状态下，扭矩做功的能量基本被摩擦损耗，只有10%转化为轴向预紧力，增加润滑后数值可提升至15%，如图6所示[4]。摩擦损耗无法避免，生产中需控制批量物料各类摩擦系数的离散性，同时需要规避装配过程中螺钉与螺钉过孔的摩擦（甚至攻牙）导致的紧固力矩的不必要损耗。图7为某类紧固结构在30 kgf·cm扭矩下的轴向预紧力分布图，数据散差大，一致性差。在排除工具等影响因素后，可对摩擦位置进行适当润滑处理。此外，可尝试汽车行业应用成熟的紧固工艺，如转角法、扭矩-转角法以及分步拧紧法等。相对传统的扭矩控制法，新型工艺对轴向夹紧力的控制更精确。

因形位公差等因素影响，螺钉预紧力F的一部分消耗在将接触面拉齐贴平的动作中（见图8），因此需选择偏软的材料或通过结构形式优化降低结构刚度，同时需控制物料的形位公差。

因材料蠕变、热应力等因素影响，预紧力F随时间存在一定的衰减，需规避抗蠕变性能差的材料使用，如部分型号的压铸锌。当连接层中存在非金属时，为防止非金属材料蠕变导致的金属接触不可靠，除螺纹副外，规避金属接触。相关问题排查发现，某些位置螺钉盘头下加金属平垫，对互调稳定性存在影响。

在接触压力F一定的情况下，可以通过适当减小接触面积S达成高压强的要求。推荐凸台式设计，凸台在螺钉盘头的轴向投影面积之内。图9为某紧固场景在轴向预紧力为1 500 N时接触压强的分布图。大面接触型结构形式的螺钉外围区域接触压强在0～20 MPa为不可靠接触区域，当周边位置的变形传递过来时，此区域的接触情况变得不确定，形成非线性接触互调源。凸台式设计可以很好地规避此问题，非接触区域不参与接触，接触区域高压强压接。

2.2 需达成“均匀、闭环”的压接效果

非均匀的情况下，接触压强小的一侧的压接因氧化膜、污染层等的隔离而形成互调源，闭环的目的是规避高频电流流入紧固结构内部，紧固结构内部螺纹副处的接触和不可避免的攻牙碎屑都是高风险且难以避免的互调源，如图10所示。

沉头螺钉、弹平垫螺钉不利于均匀压接（见图11），可使用普通盘头螺钉的方案，相关研究表明，平垫能一定程度上改善压力分布的均匀性。此外，零件的制造缺陷会破坏均匀闭环的基本原则，如螺纹孔垂直度不良，接触面平面度不良会影响均匀压接效果，需要有严格的来料检测保证螺钉及连接零件的质量。

2.3 接触表面状态良好

首先，接触面要确保无污染，包括物料污染及制程污染，需事前规避污染的产生，事后清洁往往效果有限。其次，需保证表面无凹坑及明显的加工刀痕，控制粗糙度水平。此类问题都对压接效果的闭环存在影响，降低粗糙度有助于改善互调量级。最后，需关注接触表面的硬度、强度等力学性能，调整接触的两个零件的硬度差可以改善微观的刺破效果，进而改善接触界面的非线性。

3 焊接连接点的无源互调分析及预防和改善

天线的焊接一般指软钎焊中的锡焊。锡焊过程中，焊料合金在熔化、润湿、扩散后，会与被焊件产生化合连接形成IMC层（金属间化合物）。连接界面紧密连续，互调性能优于紧固连接，如图12所示[5]。

如出现虚焊、冷焊、针孔等焊接不良现象，会影响连接界面的紧密连续，从而带来接触非线性。需要说明的是，应关注焊点表层1～2倍趋肤深度是否存在上述问题而不是整个焊点，焊点内部因不存在电流而无法激发出互调信号，相关实验也证实了这一点。使用镍材作为确定的互调源分别置于接线端子内芯的外表面（镀层）及焊点内部（镀镍金属片），置于焊点内部的实验组互调量级与正常器件的互调水平一致，而置于内芯外表面的试验组互调恶化25 dBm左右，如图13和表1所示。

表1 互调源位置对焊点互调影响实验结果

基于影响焊点互调的影响因素（见图14），从以下3方面进行预防及控制。

3.1 焊点组织

需规避焊点外表面的裂纹、缝隙、拉尖、毛刺以及气孔等能导致电导非线性的缺陷，各类缺陷的焊接工艺优化可参考文献[5]。此外，对焊点及其连接的零件要做好固定设计，焊点连接的如为同轴电缆，电缆弯折位置应远离焊点一段距离，避免机械应力对焊点的破坏产生裂纹缝隙。同时应预留锡焊流动空间，防止焊接时焊锡流入各种结构缝隙形成锡尖毛刺类缺陷，如图15所示。

3.2 焊点外部组织

需关注免清洁助焊剂的残留物及焊接过程中产生的锡珠锡渣，助焊剂残留物包含大部分的松香及少量的碳化颗粒及松香酸盐，其中碳化颗粒对焊点互调存在影响，需控制焊接温度和焊点的重焊次数；松香酸盐的影响未知，在焊料选型时，应选择低卤或无卤的产品。锡珠锡渣问题，可以选用低飞溅型号的助焊剂改善，如采用电烙铁焊接，可以通过剖锡工艺降低锡珠的产生。

3.3 焊点连接零件

焊点一般为高电流密度区域，对连接零件的缺陷尤为敏感，连接零件中同轴电缆的问题突出，受剥线工艺及刀具磨损等因素影响，半柔性电缆在加工后可能留下毛刺、割伤缺陷。如果焊锡不能包裹缺陷，隐患点有可能导致互调异常，如图16所示，需管控切割进刀量和刀具寿命，确保切口平整光滑，同时使用放大镜进行质量检验。此外，射频连接头的外导体焊点处线缆编织铜网受各种应力而松散开裂，也是比较常见的问题。

4 互调的时间相关性

在天线的寿命周期内，由于环境中热应力、机械应力的诱导，紧固连接点可能会发生应力松弛，接触界面的扩散、氧化以及由于蠕动造成的接触斑点尺寸的变化，都会对互调产生一定影响，导致天线互调量级出现随时间变化的不稳定性。图17为某三频天线在半年周期内无源互调指标的波动情况。

5 结 语

本文主要研究移动通信天线的无源互调产生的机理，围绕金属零件、金属间的紧固连接和金属间的焊接连接，研究互调产生的原因和机理，并从设计、选材、工艺和制程等方面提出无源互调的预防及改善措施，为行业内无源互调研究提供新的思路和方法。未来，互调产生的机理及其预防和改善措施是移动通信天线需要持续研究的课题，研究方向有很多，例如：半柔性电缆弯曲后产生的应力对互调稳定性的影响，如何通过实验设计及对比分析，确定线缆结构、浸锡工艺、弯曲半径、应力等因素与互调稳定性的量化关系，探索最优化的设计及工艺方案；PCB互调产生的机理研究和互调信号的探测定位；有源组合互调产生的机理、精确测量以及预防和改善措施等。