5G 基站天線模塊焊接一體化夾具設計

摘要：通過分析5G 基站天線模塊的工藝及要求，可以看出5G 基站天線模塊是由校準網絡板組件、反射板組件、功分網絡板組件、多個隔離條、多個振子等組成，振子體積小，數量多，成品集成度高，不僅振子和功分網絡板組件的連接焊點多，且位置互相遮蔽，同時功分網絡板組件、校準網絡板組件和反射板組件、振子等元件連接更緊密，模塊元件之間空間有限，使得各元件的焊接問題成為了解決5G 基站天線模塊小批量生產的關鍵。針對存在的問題，根據現有的生產規模、組織形式，使用熱風式回流焊爐等設備，通過設計5G 基站天線模塊焊接一體化夾具，逐步將校準網絡板組件、反射板組件、功分網絡板組件、多個隔離條、多個振子裝配在焊接一體化夾具上，一次性地完成各個焊點的焊接，保證了各個焊點的焊接質量，同時也能保證生產效率滿足生產需求。關鍵詞：5G 天線;夾具;回流焊接;焊接一體化

中圖分類號：TG75文獻標志碼：A文章編號：1009-9492（2021）12-0277-05

Design of Integrated Fixture for Welding 5G Base Station Antenna Module

Liu Feng

（ COMBARF Technology（ Guangzhou ） Co. ，Ltd. ，Guangzhou 510663，China ）

Abstract：Through analyzing theprocessandrequirementof 5Gbasestationantennamodule，itcanbeseenthat 5Gbasestationantennamodule is by the calibration network board components，reflection board components，power network board components，multiple isolation，andother components of the oscillator，oscillator is small in size，large number，high product integration，not only oscillator and power network boardcomponents increase in the number of connectionsolder j ointsandposition tocover eachother，at thesametime，workpointsnetworkplatecomponent，calibrationplatecomponentandreflectionplatecomponent，oscillatorelementsareconnectedmoreclosely，thespacebetweenmodule elements is limited. The welding problem of each component has become the key to solve the small batch production of 5G base stationantenna module. In view of the existing problems，according to the existing production scale，organization form，hot air reflow furnace and otherequipment was used，the 5G basestationantennamoduleweldingintegrated fixturewasdesigned，thecalibrationnetworkboardcomponent，reflection boardcomponent，powerdistributionnetworkboardcomponent，multipleisolationbars，andmultipleoscillatorsweregraduallyassembled on the welding integrated fixture，and the welding of each welding spot wascompleted at one time. It not only ensures the weldingquality of each welding point，but also ensures the production efficiency and meets the production demand.

Key words：5G antenna;fixture;reflow welding;welding integration

0 引言

基站天線是移動通信系統的重要組成部分[1]，其質量好壞直接影響整個無相網絡的整體性能;其中對于天線內部各個零部件之間以及零部件和同軸電纜之間的連接點，基本上都是通過融化錫基釬料來實現焊接連接[2]，在一副基站天線中存在著數量眾多的焊接點，這些焊接點焊接質量的好壞，直接影響著天線整體性能指標能否達標。隨著技術的發展，5G 基站天線逐漸發展成熟，逐步展開應用。5G 基站天線采用模塊化陣列結構，模塊中的振子體積小，數量多，成品集成度高，在將校準網絡板組件、反射板組件、功分網絡板組件、隔離條、振子等組件裝配焊接在一起時，不僅振子和功分網絡板組件的連接焊點增多并且位置互相遮蔽，而且功分網絡板組件和校準網絡板組件和反射板組件、振子等元件連接更緊密，模塊元件之間空間有限，使得各元件焊接采用傳統手動焊接方法配合夾具焊接難以實現[3-5]，采用機械手或焊接機構配合相應夾具焊接，也難以滿足性能要求[6-9]。為了適應上述的新變化，需要采用和傳統不同的焊接方式來滿足產品的更高要求。

針對上述問題，本文根據現有的生產規模、組織形式，使用熱風式回流焊爐配合天線模塊一體化的焊接夾具，實現5G 基站天線模塊的裝配焊接問題，提高5G 基站天線模塊焊接質量和成品良率，同時對于此類結構的5G 基站天線模塊，均可以采用類似的工藝及工裝夾具來實現一體化的裝配焊接，逐步推廣普及，提高整個行業的5G 基站天線模塊生產水平。

1 5G 基站天線模塊的工藝分析

5G 基站天線多采用模塊化陣列結構，各個模塊結構類似，通過各個模塊拼接裝配組成整幅基站天線。5G 基站天線模塊一般是由校準網絡板組件、反射板組件、功分網絡板組件、隔離條、振子等組件組成，校準網絡板組件和功分網絡板組件均為印刷PCB板;在校準網絡板組件、功分網絡板組件上還焊接有其他電子元器件，這些電子元器件在進行各個板裝配時已經焊接完成，其中饋電針插針也已焊接在校準網絡板組件上;反射板組件是鋁合金鈑金成型件，各部尺寸及加工精度均比較好;校準網絡板組件和功分網絡板組件將反射板組件夾在中間，使3塊板貼合緊密，饋電針插針一端是焊接在校準網絡板組件上的，饋電針插針另一端穿過反射板組件，和功分網絡板組件上的定位孔配合，按需要焊接在功分網絡板組件上的焊盤上，在焊接完成后，需要用塑料鉚釘將校準網絡板組件、反射板組件和功分網絡板組件3個組件鉚接在一起，使這3個部件連接成為一個整體，固定可靠貼合緊密;這樣在這3個零件受力時，可以使作用力作用在鉚釘上，使焊接點不會受力，從而保護產品性能不受影響。

在功分網絡板組件上焊接有多個隔離條和多個振子;振子是鋁合金壓鑄件，各部尺寸和加工精度也比較好，振子有4個圓柱形臺階狀的支柱和功分網絡板組件上相應的4個定位孔配合，在孔外圈是焊盤，通過焊盤將多個振子焊接在功分網絡板組件上，振子的4個臺階狀支柱外形成的輪廓小于振子上表面外形，是上大下小的結構;隔離條是帶有定位凸起的金屬薄片，有直條形狀和彎曲形狀，定位凸起和功分網絡板組件上的定位方孔配合，通過功分網絡板組件上的焊盤將隔離條焊接在功分網絡板組件上，具體的5G 基站天線模塊結構如圖1所示。由圖及裝配要求可以看出，此5G 基站天線模塊裝配的要求不高，但是結構緊密，焊點隱蔽并且數量比較多，一次裝配固定需要完成多個零件多個焊點的焊接，采用普通焊接方式無法完成，需要使用預制焊錫料，再進行各個組件的裝配固定，然后采用熱風式回流焊爐配合天線模塊一體化的焊接夾具實現5G 基站天線模塊的裝配焊接問題。

2 工藝路線的確立

通過上述的工藝分析，根據現有的生產規模、組織形式，使用現有設備即可滿足要求。具體的工藝路線是：人工將校準網絡板組件放入夾具定位板→人工將反射板組件放入夾具定位板，疊放在校準網絡板組件上→人工將功分網絡板組件放在半自動印錫機上印刷錫膏，然后人工將印刷完成錫膏的功分網絡板組件放在反射板組件上→人工將隔離條放置在功分網絡板組件上→人工將隔離條壓板放置在隔離條上→人工將饋電針插針壓板放置在功分網絡板組件上→人工將振子導向板放置在夾具定位板上→人工將振子放置在功分網絡板組件上→人工將振子壓板放置在夾具定位板上→人工取走振子導向板→人工將夾具連同裝配完成的5G 基站天線模塊一起放入熱風式回流焊爐→完成5G 基站天線模塊的焊接→取出焊接完成的5G 基站天線模塊，即完成5G 基站天線模塊的一體化焊接，轉入后續塑料鉚釘裝配及天線模塊檢測、測試，最終完成5G 基站天線模塊的生產。

3 夾具結構設計

3. 1 天線模塊定位方式的確定

5G 基站天線模塊基本是由校準網絡板組件、反射板組件、功分網絡板組件3塊大板組成，這3塊大板除了焊點連接之外，最后是采用塑料鉚釘穿過3塊大板進行固定連接，這些鉚釘孔的位置在3塊大板上的位置是固定的，另外校準網絡板組件里面的校準網絡板是PCB 板，外形尺寸和孔位尺寸都比較精確，由于校準網絡板組件在底層，所以校準網絡板組件在夾具定位板上采用外形定位，再和其中一個鉚釘孔位置的圓柱銷定位，反射板組件和功分板網絡板組件采用共有鉚釘孔位置布置典型的一面兩銷定位，其中的圓柱銷也同時對校準網絡板組件進行定位;菱形銷采用簡化的削邊銷代替，降低加工難度，圓柱銷和削邊銷都采用臺階軸的結構，在底部臺階有螺紋孔，圓柱銷和削邊銷通過和夾具定位板上相應配合位置的臺階孔配合，臺階孔里面是螺紋通孔，通過螺釘固定圓柱銷和削邊銷;削邊銷的扁位和工件長度方向垂直，即和圓柱銷與削邊銷中心連線垂直，這樣削邊銷的臺階軸也是帶扁位，定位削邊銷位置的夾具定位板上的定位臺階孔也帶扁位的，圓柱銷、削邊銷和夾具定位板上的定位孔的配合，間隙適中的動配合采用H8/f8配合關系[10]，這樣可以方便地保證削邊銷的扁位和圓柱銷與削邊銷中心連線垂直，滿足定位要求。根據5G 基站天線各模塊加工精度要求及生產實際情況，考慮到整套夾具工作在高溫和常溫下頻繁交互變化的環境，以及經常頻繁拆裝，參考文獻[11]計算，取各尺寸如圖2所示，滿足定位精度要求。

3. 2 夾具定位板組件的設計

由上述分析可知，整套夾具除了振子導向板不需要經過熱風式回流焊爐，其余零部件均需要經過熱風式回流焊爐，這就要考慮整套夾具的吸熱、散熱問題，如果吸熱大，那在規定的焊接溫度內需要的加熱時間長，影響焊接效率，這里綜合考慮現場生產情況，對應于體積較大會產生吸熱大的材料采用合成石材質，合成石材質吸熱小，絕緣防靜電，比較適合應用于此類夾具，其余采用金屬材料，這樣可以保證有合適的焊接效率和生產效率。在進行校準網絡板組件放置到夾具時，是采用外形以及配合圓柱銷進行定位，在夾具定位板上加工有定位校準網絡板組件的定位凹槽，盡量將下部挖空，以利于熱風式回流焊爐下部的熱流對天線模塊進行加熱，比較有效率地提高到焊接溫度。在夾具定位板上還固定有3個導向銷，在右上角組成一個直角形狀，在放置校準網絡板組件、反射板組件時起到粗導向的作用，從而使相應的校準網絡板組件、反射板組件放置到正確的位置，和定位銷、削邊銷實現定位配合;在夾具定位板上放置反射板組件下方，除了必要的和隔離條壓板配合壓緊的安裝高溫磁鐵位置及相應的連接結構，也盡量將下部挖空，以利于熱風式回流焊爐下部的熱流對天線模塊進行加熱，比較有效率的提高到焊接溫度。

功分網絡板組件是印刷完成錫膏后放置在反射板組件內部，然后通過和定位銷、削邊銷實現定位配合;在放置完功分網絡板組件后，這時校準網絡板組件的饋電針插針穿過反射板組件的通孔進入功分網絡板組件相應的配合孔，在配合孔處是已經印刷完錫膏的焊盤，還需要將隔離條通過定位凸起和功分網絡板組件上的凹槽配合定位放置到正確的位置上，當放置完相應的右側豎向3個隔離條后，需要用隔離條壓板將豎向的3個隔離條壓緊固定，防止移位，同樣左側的隔離條也是這樣操作，隔離條壓板是通過隔離條壓板上裝配的耐高溫磁鐵和夾具定位板的相應位置裝配的耐高溫磁鐵產生磁力而達到壓緊的作用，利用高溫磁鐵的磁力實現各個壓板的快速拆裝并在高溫時保持磁力[12]，同時由于磁力線的作用，也可以起到固定的作用，隔離條壓板上加工有和隔離條厚度相適宜的配合定位槽，同時隔離條壓板上的定位槽的高度應該使能壓緊隔離條而不會產生間隙，甚至可以是在隔離條壓板上的定位槽底部和隔離條頂部接觸時，隔離條壓板底部和功分網絡板組件上表面不接觸，留0. 1～0. 2mm 的間隙，保證能充分壓緊隔離條;在功分網絡板組件上還放置有饋電針插針壓板，在饋電針插針壓板上也裝配有耐高溫磁鐵和夾具定位板的相應位置裝配的耐高溫磁鐵產生磁力而達到壓緊的作用，使功分網絡板組件、反射板組件及校準網絡板組件貼合緊密，保證焊接質量和配合要求;在夾具定位板上還加工有和振子導向板組件配合的定位孔，在定位孔內配置有定位導向套，保證在將振子導向板組件放置到夾具定位板上后，安裝振子時使振子的4個圓柱形臺階狀的支柱和功分網絡板組件上的定位孔對正，使振子安裝順利;同時在夾具定位板上還加工有避空校準網絡板組件、反射板組件會產生干涉的地方;同時在夾具定位板上兩側還加工有方便夾具各零件取放的取手位和裝配天線模塊時需要注意的裝配標識，方便人工操作識別;具體的夾具定位板組件結構如圖3所示。

3. 3 隔離條壓板及饋電針插針壓板的設計

隔離條壓板主要用來對已經定位到正確位置的隔離條進行壓緊和固定，使其不會產生較大的偏移，保證焊接后位置正確，隔離條壓板上加工有和隔離條厚度相適應的定位槽，用來在壓緊隔離條時對隔離條上部進行定位，在隔離條壓板上裝配的耐高溫磁鐵和夾具定位板上相應位置裝配的耐高溫磁鐵相配合，耐高溫磁鐵和相應的配合孔的配合關系，間隙適中的動配合采用D8/h8配合關系[10]，然后用高溫膠黏結，通過磁力來對隔離條進行壓緊，在壓緊隔離條的同時也對功分網絡板組件產生壓緊作用，使功分網絡板組件和反射板組件貼合緊密，同時如上節所述，隔離條壓板底部和功分網絡板組件上表面不接觸，留0. 1～0. 2 mm的間隙，這時隔離條壓板上的定位槽底部和隔離條上部接觸壓緊;同樣饋電針插針壓板主要是用來對校準網路板組件上的饋電針插針和功分網絡板組件焊接時的壓緊，使功分網絡板組件、反射板組件、校準網絡板組件貼合緊密，饋電針插針壓板上裝配的耐高溫磁鐵和夾具定位板上相應位置裝配的耐高溫磁鐵相配合，通過磁力來壓在功分網絡板組件上，同樣也使功分網絡板組件、反射板組件、校準網絡板組件貼合緊密;在隔離條壓板和饋電針插針壓板上加工有避空焊盤的空位，以及加強熱流動的空位，使天線模塊受熱均勻，保證焊接質量。具體的隔離條壓板及饋電針插針壓板結構如圖4所示。

3. 4 振子導向板組件的設計

天線模塊裝配最后的零件是振子，振子是有4個圓柱形臺階狀的支柱，振子外形是方形，振子的4個支柱外形成的輪廓小于振子上表面外形輪廓，是上大下小的結構，4個臺階狀支柱和功分網絡板組件上相應的4個定位孔配合，在孔外圈是焊盤，用于將振子和功分網絡板組件焊接在一起;在人工裝配振子時，由于振子上面大，無法直接看到振子支柱，因此需要用振子導向板來進行輔助裝配定位，在人工裝配時，只要將振子放入振子導向板的導向方孔內，就可以將振子的4個臺階狀支柱裝配到功分網絡板組件上相應的4個孔內，逐步完成多個振子的裝配，振子外形和振子導向板的導向方孔配合間隙約為0. 1～0. 15 mm;振子導向板其中的一個對角布置有兩個臺階狀定位柱，用來和夾具定位板上的定位導向套配合，間隙適中的動配合采用H8/f8配合關系[10]，實現振子導向板組件和夾具定位板組件的定位，保證振子導向板組件和天線模塊的相互位置準確，從而能保證多個振子逐個準確裝配到功分網絡板組件上的安裝孔內;在振子導向板另外的一個對角布置有兩個支撐柱，支撐柱和夾具定位板組件上表面接觸，同時臺階狀的定位柱的臺階也和夾具定位板組件上表面接觸，使振子導向板組件和夾具定位板組件平行;同時在振子導向板上還加工有避空隔離條壓板的避空位置;以及還有后續的限位振子壓板組件的限位方槽，起到對振子壓板組件裝配時的粗限位和導向作用;為防止振子導向板裝配錯誤，在振子導向板上也做出了裝配標識;振子導向板組件是輔助安裝振子時使用，當安裝完多個振子，然后用振子壓板組件將振子壓緊之后，就可以將振子導向板組件取出，不和天線模塊一起進入熱風式回流焊爐，因此振子導向板的材料可以采用較輕的鋁合金來制作，既輕便又耐用，在振子導向板兩邊還有方便取放的把手，具體的振子導向板組件結構如圖5所示。

3. 5 振子壓板組件的設計

在將多個振子裝配到功分網絡板組件上后，就完成了振子的裝配，這時振子的臺階狀支柱由功分網絡板組件上的定位孔定位，在定位孔的外圈是印刷完成錫膏的焊盤，振子最終是焊接在功分網絡板組件上的;振子的臺階狀支柱進入到功分網絡板組件上的定位孔的深度比較淺，為了防止振子在進入熱風式回流焊爐而未完成焊接的過程中，由各種原因產生的震動而松動，以及功分網絡板組件是印刷PCB 板，會存在變形翹曲的情況，這時需要對多個振子進行壓緊，不僅可以將振子緊密貼合在功分網絡板組件上，同時下壓力也可以通過振子下壓到功分網絡板組件，使功分網絡板組件緊密貼合在反射板組件上，不僅提高了振子的焊接質量，也在一定程度上提高了饋電針插針的焊接質量。

在每個振子的中心位置上方布置一個彈性元件實現對振子的壓緊，彈性元件是通過螺紋固定在支撐桿上，將一豎列的彈性元件用支撐桿連接起來，同時在支撐桿上還固定有對隔離條實行壓緊的彈性元件，使各個待焊接的振子、隔離條、功分網絡板組件、反射板組件、校準網絡板組件及饋電針插針等緊密貼合，充分保證焊接質量，通過連接桿將右邊的3個支撐桿連接起來，連接桿和支撐桿通過螺釘固定，由于天線模塊面積較大，所以振子壓板組件分為左右兩邊，采用彈性元件壓緊振子和隔離條，可以保證各個零件在存在加工和精度誤差以及變形翹曲的情況下也能壓緊各個振子和隔離條，從而對整個天線模塊的焊接、裝配質量也得到提高。在支撐桿的兩端有通過螺釘固定的支撐座，在支撐座內部安裝有耐高溫磁鐵，同時在夾具定位板組件的相應位置也安裝有耐高溫磁鐵，通過磁力使振子壓板組件固定在夾具定位板組件上，在裝配振子壓板組件時，通過振子導向板組件上的限位振子壓板組件的限位方槽，使振子壓板組件順利裝配到正確的位置，和夾具定位板通過磁力固定在一起，然后將振子導向板組件取走，就完成了天線模塊的焊接前裝配定位，隨后將裝配完成的天線模塊連帶一體化夾具一起放入熱風式回流焊爐進行焊接。具體的振子壓板組件結構如圖6所示。

4 裝配結構

經過以上的夾具各個部分的分析設計，5G 基站天線模塊焊接一體化夾具的各個部分都已設計完成，具體結構如圖7所示。

5 實驗與結果分析

5G 基站天線模塊焊接一體化夾具經過批量生產使用，裝配焊接后的5G 基站天線模塊各個焊點錫量均勻，一致性好，焊點周邊錫珠錫渣少，使5G 基站天線模塊焊接良率保持在90%以上;一體化夾具采用簡單可靠的定位、夾緊方式，操作簡單、方便、快捷，維護簡易，對批量生產交付客戶產品起到了有力的支撐。

6 結束語

本文展示了5G 基站天線模塊焊接一體化夾具的設計過程，是綜合運用所學知識并結合生產實際，設計完成的工裝夾具。首先按要求分析產品，根據產品特點確定合理的工藝流程，然后根據實際小規模批量生產的情況，并結合現有設備品種、規模，設計出合理的適應相關要求的夾具結構，使5G 基站天線模塊的焊接工作實現了一體化的焊接操作，保證了焊接的質量和生產效率，不僅較好地解決了5G 基站天線模塊小批量生產的問題，也是創新地采用熱風式回流焊爐配合一體化焊接夾具實現批量化生產。對于類似結構的5G 基站天線模塊以及對應于后續大批量生產，甚至采用人機協作的模式需要提供的裝配焊接夾具提供了有益參考。

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作者簡介：劉峰（1975-），男，大學本科，工程師，研究領域為工裝夾具、非標自動化設計，已發表論文1篇。

（編輯：王智圣）