天線電調(diào)傳動可靠性分析

京信通信系統(tǒng)（中國）有限公司 黃潮生

1 引言

電調(diào)是天線核心功能，傳動是電調(diào)的根本。不同的電調(diào)傳動方案、設(shè)計直接影響天線成本，性能，功能等，且電調(diào)傳動有別于傳統(tǒng)的機械傳動，需要更多的考慮對天線電氣性能及整體的影響。如互調(diào)穩(wěn)定性，控制協(xié)議、供電功率等問題，傳動的可靠性性更多基于理論設(shè)計及實際數(shù)據(jù)基礎(chǔ),下面綜合行業(yè)的技術(shù)現(xiàn)狀，從實際應(yīng)用角度列舉并分析探討電調(diào)傳動可靠性。

2 基本傳動設(shè)計及CAE仿真

1）傳動零部件的力學(xué)可靠性性分析

典型的天線電調(diào)，通過基站信號驅(qū)動電機，控制傳動機構(gòu)改變移相器相位實現(xiàn)傾角調(diào)整。基于電調(diào)精度及自鎖要求，市面上廣泛應(yīng)用螺紋傳動，通過預(yù)設(shè)兩端擋塊判斷電調(diào)行程，再進行角度劃分，從而實現(xiàn)不同的電傾角設(shè)置。

在電調(diào)控制中，擋塊止檔位可靠性起到關(guān)鍵性的作用，在確保反復(fù)沖擊的同時，止動瞬間需承受較大彎矩，破壞的后果可能使螺紋傳動軸向力加載到移相器，破壞相位傳動機構(gòu)導(dǎo)致天線失去電調(diào)功能，所以有必要根據(jù)典型設(shè)計經(jīng)驗及CAE算法優(yōu)勢，展開迭代優(yōu)化，確保零部件傳動過程的可靠性（如圖1）。

圖1

2）傳動零部件的優(yōu)化設(shè)計

根據(jù)1）中仿真分析的結(jié)果（灰色部分超過材料安全載荷），對螺桿傳動的止檔薄弱處進行加料與倒角優(yōu)化加強，減小應(yīng)力集中問題,如圖2所示。

在此之前,優(yōu)化有限元分析網(wǎng)格是有必要性的。對于復(fù)雜的模型結(jié)構(gòu)而言,可以通過幾何拓補的方式，將四面體網(wǎng)格轉(zhuǎn)換為六面體網(wǎng)格，使數(shù)據(jù)運算更加收斂，降低計算量的同時提升局部精度，更能有效控制仿真數(shù)據(jù)的精準性，如圖3，4所示。

3）基于天線電調(diào)的螺紋傳動計算與分析

由于天線電調(diào)主要采用基站供電的方式，隨著基站技術(shù)的發(fā)展供電趨于低能耗輸出，驅(qū)動傳動的電機輸入功率在固定情況下，輸出扭矩及轉(zhuǎn)速受限且互為反比（如公式1所示）。

圖2 （應(yīng)力集中程度相較降低）

圖3 （四面體網(wǎng)格）

圖4（六面體網(wǎng)格）

另一方面，基于基站AISG控制協(xié)議4分鐘內(nèi)需完成校準的要求，在滿足天線傾角需求的低輸出扭矩T或推拉力的情況下，需要保障最低輸出速度N，且需綜合考慮傳動穩(wěn)定性等問題，展開以下公式做進一步分析。

L--移相器（螺桿）總行程；Famax--軸向負載載荷；d2--螺紋中徑；γ--導(dǎo)程角；α--螺紋牙型半角；L1--移相器有效行程；L2--前補償間隙；L3--后補償間隙；Ph--螺桿導(dǎo)程；tx--尋頻時間。

根據(jù)公式（2）（4）可看出，在負載一定的情況下，L與N成反比關(guān)系，即行程越大系統(tǒng)所需最低輸出速度越大。行程L越長安全系數(shù)Sf趨于更小。綜合來看移相器總行程設(shè)計過長，將對功率或穩(wěn)定性起到負面作用，所以對于設(shè)計較大天線電調(diào)行程而言，需考慮螺桿長度帶來的時間損耗問題。

另一方面，采用更高彈性模量的材料，減少摩擦系數(shù)或增大螺紋中徑等方式可以提升傳動的穩(wěn)定性，但基于天線互調(diào)的限制因素，傳動件一般選用塑料材質(zhì)，彈性模量量級難以出現(xiàn)質(zhì)的變化；塑料摩擦系數(shù)本就較為優(yōu)秀，雖通過潤滑的方式可以進一步提升，但考慮天線戶外環(huán)境可靠性（-40℃～+70℃），需要考慮潤滑帶來的低溫破冰及阻力矩增大等設(shè)計余量，得不償失。綜上所述，在設(shè)計初期有效控制螺紋中徑，后續(xù)工藝及維護簡單，更易提升可靠性。

根據(jù)（3）公式，在負載Fa一定的情況下，d2與T成正比關(guān)系，且d2增長比值大于正弦導(dǎo)程角的下降比例，通過數(shù)據(jù)建模圖表所示，根據(jù)公式（1）T對功率起到反向的作用。所以，螺紋中徑應(yīng)該限制一定的范圍，不能無限加大。另外，螺紋中徑一定的情況下，越小的導(dǎo)程所需的最低輸出扭矩越小，但回到公式（2）導(dǎo)程卻對速度N起負面作用。

圖5 扭矩與螺紋中徑的應(yīng)力曲線關(guān)系

綜合上所述，在天線電調(diào)的螺紋傳動設(shè)計中，需要考慮功率，速度，扭矩及穩(wěn)定性帶來的問題，細節(jié)部分需考慮切換、電機加速等帶來時間損耗的問題，移相器總行程應(yīng)有效控制行程，螺紋中徑與導(dǎo)程相互制約，需要通過有效的實際數(shù)據(jù)或假設(shè)法進行反復(fù)驗證，以得到更優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

3 環(huán)境影響的可靠性分析

目前大多數(shù)材料設(shè)置于室外環(huán)境，根據(jù)移動天線設(shè)計規(guī)范要求，天線需滿足-40℃～+70℃極端惡劣環(huán)境工作需求。此對于傳動零部件而言要求更為嚴苛，意味著在高溫或低溫下需克服材料尺寸差異，強度，傳動效率下降等綜合因素帶來的損耗問題，保障充足的輸出功率，以滿足天線電調(diào)的輸入要求。

1）材料膨脹系數(shù)的影響

由于高低溫跨幅接近110℃，設(shè)計時需要綜合考慮材料各向熱脹冷縮的特點，且不同的材料間膨脹系數(shù)各不同，為了提高天線的傳動可靠性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計初期，需要盡量選擇相同的材料作為接觸傳動件，以保障零部件的收縮比例呈正比，可以規(guī)避大部分因設(shè)計預(yù)留不足導(dǎo)致的傳動隱患，如接觸件材料不同或尺寸比例過大等。零部件在基本公差設(shè)計之余，需通過表1膨脹系數(shù)充分計算極限尺寸，以保障如孔軸或齒輪副等傳動結(jié)構(gòu)之間配合關(guān)系，避免過盈間隙或間隙過大的情況，確保天線傳動機構(gòu)的可靠性。

表1 材料線性膨脹系數(shù)

2）高低溫應(yīng)力與應(yīng)變分析

由于塑料材質(zhì)特點，高低溫下，抗拉、彎曲、抗剪強度將出現(xiàn)明顯的差異。在相同的受力情況下，不同溫度，零件尺寸會出現(xiàn)不同程度的形變，如POM材料，熔點較低，高溫遞進的過程中，如圖6應(yīng)力應(yīng)變曲線隨所示，溫度變化產(chǎn)生的影響尤為明顯。

對于精密的螺紋或齒輪傳動來說，尺寸的變化直接影響機構(gòu)的傳輸效率，嚴重將導(dǎo)致天線電調(diào)堵轉(zhuǎn)等風險，反觀應(yīng)變曲線，相同形變下也表現(xiàn)材料強度的下降，如齒輪傳動在負載情況下將影響嚙合重合度或中心距，可能出現(xiàn)卡死或跳齒等問題，影響天線電調(diào)功能，所以在工程設(shè)計初期，工程師需通過初步評估零部件受力情況及安全系數(shù)，參考選型材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線和實際經(jīng)驗進行綜合判斷，預(yù)留應(yīng)變余量，并進行反向校核。對不同溫度下的傳動效率變化需要有實測值作為支撐，以保障天線電調(diào)傳動在不同環(huán)境下的可靠性。

圖6 POM應(yīng)力應(yīng)變曲線

3）HALT可靠性驗證

在天線傳動的可靠性驗證中，需投入大量人力物力，以充足的樣機基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)傳動中的概率性問題（如互為質(zhì)數(shù)的齒輪傳動），消耗巨大。于是從另外一個維度考慮，可采用一種更嚴苛的試驗方式，放大產(chǎn)品缺陷，以達到反應(yīng)傳動機構(gòu)的可靠性目的，并減少投入。

HALT試驗通過極端的高低溫環(huán)境、隨機的振動頻率、或獨立或疊加方式進行。尋求樣品的低溫、高溫操作及破壞極限如圖7所示。氣動振動臺，頻率范圍為2Hz～10000Hz，且振動應(yīng)力為六自由度，如圖8所示。

圖7 HALT試驗?zāi)?/p>

圖8 溫度與振動的綜合測試曲線

實際驗證中證明，溫度與振動疊加更容易放大材料、工藝、結(jié)構(gòu)薄弱點等缺陷，使產(chǎn)品批量生產(chǎn)前充分評估并加以改善，對天線電調(diào)傳動批量可靠性起到重要的指導(dǎo)性作用。

4 電機可靠性分析

1）電機的選型及應(yīng)用

在電調(diào)天線設(shè)計中，電機作為傳動機構(gòu)的主要輸出器件起至關(guān)重要的作用，品種繁多，所側(cè)重功能各不相同，需要綜合考慮電機的大小，扭矩，潤滑，防腐，損耗，老化，磁性衰減，反電動勢，溫升，電流、電壓等相關(guān)問題，針對不同的傳動產(chǎn)品，電機性能的選型，直接影響傳動的穩(wěn)定性及功能的實現(xiàn)，對于天線電調(diào)傳動，需要重點考慮室外環(huán)境的影響，以及基站協(xié)議、功率等限制，選型一般遵循圖9所示，并通過上述因素綜合修正，以得到更優(yōu)的驅(qū)動器件。

圖9 選型步驟圖

電機的動態(tài)力矩較難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負載的2-3倍，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來。

2）電機的特性及可靠性

天線步進電機的精度為步距角的3-5%，且不累積；步進電機外表允許的最高溫度取決于不同電機磁性材料的退磁點；低于封閉環(huán)境，需加強考慮電機的溫升問題，避免在高溫工作下影響電子器件穩(wěn)定性，步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降（U=E+L(di/dt)+I*R）如圖10所示。

圖10 某電機矩頻特性曲線

步進電機的起步速度一般在10～100RPM，伺服電機的起步速度一般在100～300RPM。根據(jù)電機大小和負載情況而定，應(yīng)盡量選擇扭矩較大的區(qū)域，且在實際應(yīng)用中，速度的選擇應(yīng)盡量避免矩頻曲線斜率較大區(qū)域，也可采用電壓與電流的匹配方案修正曲線斜率，以保障電機輸出動力的穩(wěn)定性。

3）電機常見問題及原因分析

根據(jù)電機過往異常情況梳理，并總結(jié)相應(yīng)的解決措施，如表2所示。

表2 問題題及原因分析

5 其它可靠性控制

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

在天線電調(diào)傳動設(shè)計中，零部件環(huán)環(huán)相扣，牽一發(fā)而動全身，局部的細節(jié)異常將可能引發(fā)連鎖問題，導(dǎo)致嚴重的產(chǎn)品異常，但細枝末節(jié)的問題又錯綜復(fù)雜。DFMEA通過發(fā)行、評價產(chǎn)品/過程中潛在的失效及后果，找到能避免或減少這些潛在失效發(fā)生的措施，“事前行為”的方式可以有效評估產(chǎn)品或零部件的異常，減少“事后”帶來高額“補救”成本。且DFMEA通過時間、經(jīng)驗的積累，可以形成經(jīng)驗案例，對技術(shù)人員起警惕性及參考性作用，更全面的把控產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量，提高天線傳動零部件可靠性。

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

在常規(guī)的傳動設(shè)計中，如尺寸滿足極限誤差即為合格品，且往往在研發(fā)樣機階段某項性能合格，到了批量就出現(xiàn)較大偏差，乃至尺寸概率性超差等問題。對于傳動而言，超差的后果可能導(dǎo)致傳動功能失效，所以有必要通過合格的樣品進一歩更深入的分析及評估。CPK是基于統(tǒng)計學(xué)的一種應(yīng)用，通過正態(tài)分布的數(shù)據(jù)的進行收集并針對合格零部件或合格傳動數(shù)據(jù)進行整合分析。根據(jù)偏差量透過固定公式進行綜合計算，從而推導(dǎo)批量生產(chǎn)可能帶來數(shù)據(jù)超差風險。對于天線電調(diào)傳動系統(tǒng)，CPK的控制能在設(shè)計端有效預(yù)知并預(yù)防批量不良率，側(cè)面評估供應(yīng)商制程把控能力，預(yù)知設(shè)計人員可能存在超差風險以及概率，并進行針對性的協(xié)調(diào)、改進、優(yōu)化，確保傳動零部件的批量穩(wěn)定性。

6 總結(jié)

天線電調(diào)傳動是一項系統(tǒng)工程，涉及的影響因素及限制非常多，對于批量產(chǎn)品而言，傳動的失效形式是概率性的，而出現(xiàn)異常后追根溯源往往困難重重，且電調(diào)傳動零部件環(huán)環(huán)相扣，變更及維護成本高。所以在設(shè)計初期，設(shè)計人員應(yīng)充分了解實際應(yīng)用情況，綜合評估傳動的輸入與輸出條件，通過仿真或計算分析，多方面考慮環(huán)境所帶來的不確定因素，完善并收集相關(guān)較為全面的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，制定合理的，可行性更高的電調(diào)傳動方案。總之，為了提高天線電調(diào)傳動的可靠性，確保能始終處于良好的工作狀態(tài)，就要綜合對整體結(jié)構(gòu)設(shè)計進行深入分析與研究，結(jié)合實際的工作狀態(tài)，提出有針對性的改善措施，形成電調(diào)傳動可靠的技術(shù)積累與技術(shù)保障，從而實現(xiàn)更高品質(zhì)、更加穩(wěn)定、可靠的天線電調(diào)產(chǎn)品。