降低天線三階無源交調的工藝方法研究

王立奎+尹燕芳+王繼志

摘 要：無源交調對通信系統性能有極大的影響。在對基站天線無源三階交調測量的基礎上，對影響三階無源交調的主要工藝因素進行分析，詳細給出了天線加工制作過程中降低無源交調的一些工藝方法。

關鍵詞： 天線;無源交調;工藝方法

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

0 引言

目前，智能手機、IPAD等移動終端設備越來越多地出現在日常生活中，流暢清晰的高質量音、視頻信號是人們迫切希望的。移動通信基站天線承載著移動通信網絡與終端設備的連接，直接決定信號的傳輸質量。由發射機和接收機產生的有源交調干擾，可通過適當的系統隔離實現最小化[1]。天線的無源交叉調制簡稱無源交調（PIM：Passive Intermodulation）基本上來自金屬接觸和材料非線性。接觸非線性是指非線性的電流與電壓接觸，如調諧螺絲、鉚釘結合處的松動、氧化和腐蝕等;材料非線性指具有固有非線性電特性的材料，如鐵磁材料和碳纖維等[2][3]。無源交調問題有很大的復雜性，對之進行精確分析和建模是非常困難的。一些研究者對其進行了近似的分析和研究，并提出降低通信系統中的無源交調的若干措施[3][4]，另外，良好的工藝、嚴格的質量控制也非常重要。本文首先介紹了無源交調的基本概念和測量裝置，分析了影響無源交調的主要工藝因素，在大量實驗調測的基礎上，給出了天線加工制作過程中降低無源交調的主要工藝方法。

1 天線的無源交調與測量裝置

天線的無源交調是指當兩個頻率為f1與f2的信號輸入到天線，由于天線的非線性，天線輻射的信號中除了頻率為f1與f2的信號外，還包含其它頻率的信號，如2f2-f1和2f1-f2（3階）等，如圖1所示，這些3階信號電平足夠大時，會造成系統性能下降。

采用SUMMITEK S1-900B型無源交調測試儀作為測試設備，設定測試頻率f1=945MHz，f2=960MHz，交調頻率2f1 - f2=930MHz，兩路信號功率電平都是43dBm.實際制作了GSM/CDMA基站天線，在調試和裝配過程中嘗試了不同的工藝方法，使測量的天線的三階交調指標小于-107dBm。

2 降低三階無源交調的工藝方法

在移動通信基站天線的所有指標中，三階無源交調指標要求達到IM3<-107dBm，這個指標較難實現，其牽涉的因素較多，包括天線組成部件，如接頭、電纜及饋電網絡等的材料，所用焊接工具電烙鐵、焊接溫度及控制，這些因素都會影響IM3。通過天線交調測試實驗，發現影響三階交調的主要因素，以便在生產實踐中控制主要環節，提高天線成品率。

2.1 焊接工具及其對IM3的影響

基站天線裝配環節過程中，需要用電烙鐵把接頭、電纜、饋電網絡及L型探針用焊錫把它們焊接起來，因而電烙鐵是天線生產不可或缺的必備工具。選擇合適的電烙鐵，正確的焊接前準備及使用后的處理，對天線三階無源交調指標具有極大的影響。最好能選擇帶三線插頭的電烙鐵，目的是使電烙鐵外殼接地，避免帶電焊點吸附碎屑雜質影響天線指標。

電烙鐵使用前，應用鐵銼挫烙鐵頭，然后用細砂紙打磨，通電加熱，蘸上松香后用烙鐵頭刃面接觸焊錫絲，以使烙鐵頭均勻地鍍上一層焊錫，這樣便于焊接并防止烙鐵頭氧化。

在生產過程中，焊接時應該注意焊錫的用量，防止烙鐵頭上焊錫過多現象。過多的錫可用布擦掉，避免處置不當，稱為三階無源交調的新來源。

焊接時由于溫度較高，在銅表面容易生成氧化物。在焊接時，氧化物很容易脫落。由于使用的電烙鐵的功率較大（通常大于100W），因此，烙鐵頭的表面，銅很容易被氧化.氧化產生的金屬碎屑很容易落入焊點之中，必然會對交調指標產生影響。實驗數據表明，用帶有氧化層的電烙鐵頭焊接，會影響IM3功率電平8～9dB，因此要適當注意焊接后電烙鐵的保管存放，盡量放在干燥的環境中，避免烙鐵頭表面緩慢氧化。

2.2 焊錫選擇與焊接溫度控制

焊錫絲的規格一般用m/n表示，m/n指焊錫絲含量中有m%的錫，n%的鉛.另外，焊錫絲中還含有一些雜質。在焊接過程中，一般是將銅焊接在一起，溫度在400以下時將生成Cu2O，在400-975間，生成CuO.氧化銅是一種銅的黑色氧化物，是一種絕緣體，氧化亞銅為一價銅的氧化物，是一種高導電率的p型半導體，由于其半導體的性質，將會增加交調的功率電平。

一般常用的細焊絲是0.5-0.75mm，粗焊絲是1.2-1.5mm.應選用適合焊點大小要求的焊錫絲.若選用不當，可能會導致焊點的焊錫過多或過少，實驗表明這會輕微提高交調功率電平0.1～0.5dB。

實驗中還發現，焊錫絲的主要成分似乎不影響天線的無源交調，相對來說，焊錫絲的雜質含量對交調的影響較大。雜質含量越小，對交調的影響越小[5]。

焊接前應消除焊接部位的氧化層，可用小刀刮去金屬引線表面的氧化層，使引線露出金屬光澤，但要防止金屬碎屑殘留。焊接前，烙鐵頭刃面上要吃錫。焊接時應將烙鐵頭刃面緊貼在焊點處，電烙鐵與水平面大約成60度，以便于熔化的錫從烙鐵頭上流到焊點上。烙鐵頭在焊點處停留的時間控制在2-3秒鐘.特別要注意烙鐵頭的停留時間：時間過短，焊錫還沒有完全熔化，容易造成虛焊;時間過長，會在焊點表面生成氧化層，成為交調的來源。若在2-3秒鐘沒有焊好，要等焊點冷卻下來后再焊，否則會產生氧化層[5]。

焊接時，要保證每個焊點焊接牢固，接觸良好。合格的焊點應是錫點光亮，圓滑而無毛刺，錫量適中，錫和被焊物融合牢固，不應有虛焊和假焊，焊點上不能有毛刺，因為毛刺將導致電流密度過于集中，是交調干擾的一個來源.對于正確的焊接，焊后只需用酒精清洗即可。當焊點有氧化層和毛刺時，必須用砂紙打磨，再用酒精清洗。endprint

2.3 雜質

天線的組成部件材料主要是由鋁和銅加工制作的，加工工具主要是鋼制品，在加工組件過程中往往有鋁屑、銅屑等金屬碎屑.這類金屬碎屑會影響天線的IM3指標，提高交調功率電平。在天線底板、鋁、銅墊件加工完成后，進入生產線裝配之前必須清洗干凈。對比實驗測試，未經清洗處理的比經過清洗處理的，IM3交調功率電平提高1-2dB。

生產車間清掃過程中產生的灰塵，生產裝配過程中人工接觸后留下的汗漬，測試裝拆過程中的細微金屬粉末顆粒等都會對交調IM3指標產生影響.空氣中的有機物、近海空氣中的鹽分會腐蝕金屬，造成天線交調指標的不穩定性，具體表現為今天IM3測試合格的天線，一周或一段時間后再測試，其IM3指標又不合格了。所以對IM3測試合格的天線焊點要做防護，以保持天線IM3指標的長期穩定性。

3 結論

天線加工工藝對交調的影響較大，多年的實驗表明，在器件、材料的制作加工過程中采用正確的工藝方法可降低交調的功率電平。

參考文獻：

[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]張世全，葛德彪.通信系統無源非線性引起的互調干擾[J].陜西師范大學學報（自然科學版），2004，32（01）：58-62.

[5]王繼志.移動通信基站天線中幾個關鍵問題的研究[D].山東科技大學，2003（05）.

作者簡介：王立奎（1970-），男，山東費縣人，碩士，高級工程師，研究方向：通信系統、信號檢測技術。endprint