基站天線的無源互調分析與研究

廣東通宇通訊股份有限公司 汪常娥

1 引言

當兩個或兩個以上的信號通過非線性器件時，會產生除基波信號外的其余分量，稱之為無源互調產物(PIM：Passive Intermodulation)。PIM產物隨功率增加而增大；隨階數(shù)增大而減小。無源互調不僅影響本系統(tǒng)，還會干擾共站的其他系統(tǒng)，嚴重時可使得整個通信系統(tǒng)癱瘓?；咎炀€往往作為收發(fā)共用天線，發(fā)射功率大，接收靈敏度高，無源互調成為不可忽視的干擾源，天線的PIM問題越來越受到人們的關注。

2 無源互調介紹

當輸入信號f1、f2，通過非線性器件產生互調信號： 1階（f1、f2）；2階（(f1+f2)、(f1-f2)）；3階（(2f1±f2)、(2f2±f1)）；4階（(3f1±f2)、(3f2±f1)、(2f1±2f2)）；5階（(4f1±f2)、(4f2±f1)、(3f1±2f2)、(3f2±2f1)）……

其中三階頻率離有用信號最近，互調電平最大，若落到接收頻帶內，占據有用信道，造成信號丟失、虛假信道繁忙、語音質量下降，直接影響通信容量和質量。因此工程上最關心三階互調，是評價天線性能的重要指標。兩個43dBm信號產生一個-110dBm的互調信號，表示為-153dBc@43dBm（-110-43=-153dBc）。

3 產生原因

引起天線PIM的原因可分為非線性金屬接觸和非線性材料，主要包括：

（1）物料采用非線性材料：金屬具有鐵磁性等。

（2）表面處理不當：鍍層厚度、表面粗糙度和平整度不達標等。

（3）工藝要求不達標：電纜內芯氧化，虛焊、漏焊、拉尖等。

（4）裝配不規(guī)范：螺釘松動、部件間有縫隙、饋電槽沒裝卡座等。

3.1 非線性金屬接觸

非線性金屬接觸是產生PIM的主要原因，如不牢靠的機械接觸，虛焊和表面氧化等。其因素源于金屬部件的鍍層厚度、粗糙度和平整度。

天線反射板上集中裝配輻射單元、饋電網絡、連接器及安裝件等。各部件間的電流密度不同，為降低因接觸非線性造成的PIM，必須增大接觸面積，減小各部件與反射板間的電流密度差，或采取徹底絕緣方法。圖1所示中，兩金屬面間并非100%完全接觸，由于隧道效應，電子穿過細小裂縫，通過接觸點流動，使接觸面呈現(xiàn)非線性。

圖1 非線性金屬接觸示意圖

當兩金屬表面接觸松動時，少數(shù)接觸點連接，電流密度較大；增大接觸壓力，可增多接觸點，減小電流密度。PIM電平隨接觸面積增加而減小，為獲得優(yōu)良PIM值，需提高表面粗糙度指標。

3.2 非線性材料

天線各部件的材料對PIM起重要影響，金屬材料應具有非鐵磁性，非金屬材料要注意其介電常數(shù)。通過對不銹鋼、鍍鎳、黃銅制成的金屬零件做PIM試驗，發(fā)現(xiàn)黃銅的連接器基本不受外界磁場影響，鍍鎳零件的互調比黃銅的高約40dBm，而不銹鋼的零件受磁場影響最大。因此零部件應具有非鐵磁性，禁止使用鐵磁性材料，且表面處理禁止電鍍鎳。

綜上，非線性金屬接觸產生的PIM具有不穩(wěn)定性，不存儲性，當改進接觸方式后，可明顯改善PIM（經驗上焊接式優(yōu)于壓接式，壓接式優(yōu)于卡接式）。非線性材料產生的PIM受外界電磁場影響，有存儲性，即當外界電磁場消失，互調仍存在。

4 預防與改善

PIM無法避免，只能采取措施預防與改善，從部件設計與裝配方式著手。

4.1 部件設計

基站天線由多部件組裝而成，包括輻射單元、饋電網絡、反射板、連接器等，每部件都會影響整個天線的PIM指標。

4.1.1 輻射單元

輻射單元是基站天線的核心部件，對PIM產生的影響至關重要，工程上一般要求輻射單元的互調指標≤-115dBm@43dBm，其工藝實現(xiàn)分為金屬壓鑄與PCB蝕刻。金屬壓鑄件優(yōu)點：模具成型，一致性好；精度高，不易變形；裝配簡單，易批量生產。缺點：設計、調試麻煩，定型前不宜開模，開模修模費用高。PCB蝕刻優(yōu)點：設計、調試靈活，重量輕、成本低。缺點：加工工序多，控制無源互調相對困難。

輻射單元需要電鍍，電鍍分為打底和鍍層處理，打底分為鍍銅和鍍鎳。鎳是鐵磁性材料，不能用于有互調要求的電鍍件中，須使用銅打底。銅打底后可選擇鍍錫或鍍銀。一般場合使用鍍錫，特殊場合（如輻射單元內芯，連接器內導體）才鍍銀。鍍錫分為亮錫與霧錫，亮錫晶粒大小約為2微米，霧錫晶粒大小約為4-5微米，可見亮錫有更好的表面粗糙度。

壓鑄件形狀對PIM的影響也不可忽視，尤其應避免“尖端放電”。通過比較分析知：對壓鑄單元的直角進行圓弧倒角后，三階互調提高15-25dBm。

4.1.2 反射板

反射板設計需注意事項：

（1）反射板要注意折彎，圓角要大，避免折彎處開裂。沖切成形的構件，根部接連處需設計工藝槽。

（2）反射板的挖孔、沖切槽邊沿等部位去毛刺。

（3）反射板上的壓鉚盡量少，壓鉚點需遠離單元，且壓鉚處要牢固，防止部件松動。

（4）反射板厚度適中，保證底板不變形。

4.1.3 饋電網絡

饋電網絡包括微帶傳輸線、移相器/功分器/濾波器/合路器、同軸電纜。

研究發(fā)現(xiàn)通過改善微帶線的銅箔表面粗糙度，可提高互調指標6～10dB。PCB銅箔表面處理有噴錫、鍍錫，沉錫，沉銀等。噴錫與鍍錫的錫厚度與均勻性無法控制，且鍍錫易產生錫須，不適合高互調的場合。沉錫與沉銀PIM都低于-110dBm，但沉錫比沉銀小2dB。設計微帶線應注意細節(jié)：

（1）避免90°直角轉彎，尖角采用弧度，蝕刻不能有“狗牙”。

（2）互調隨線長增加而增加，隨線寬增加而減小。

（3）互調與基板散熱性能有關。介質層厚度越厚，散熱效果越好，互調越小。

（4）防止微帶線受外力而變形。

微帶線與同軸電纜線的連接有兩種。一種是采用金屬接地片，再與同軸電纜線連接，加工簡單，成本較高，焊接工藝較高。另一種是在微帶線上金屬化過孔，將同軸電纜直焊在微帶線上，模型簡單、成本低，但對板材厚度有要求，須保證與電纜連接后，PCB不會機械變形。

移相器/功分器/濾波器/合路器是控制天線的相位、功率和濾波的重要部件，部件的裝配、接地方式與接地是否良好，將直接影響PIM指標。工程設計中需將這些部件與反射板徹底絕緣，切斷電流通路，減小相互間的電流分布影響；避免尖角設計，壓鑄件應采用圓弧倒角設計。

同軸電纜易于安裝被廣泛用于連接各部件，其裸露的內芯易氧化，未使用的電纜要在內芯的裸露端鍍錫，同時套上塑料帽。

4.1.4 連接器

連接器直接承載輸入的大功率信號，將直接影響天線PIM指標。連接器的組成包括外導體，內導體和絕緣介質。連接器的內芯和外導體采用焊接方式，可減少因連接器與同軸電纜間由于接觸而產生的無源互調。安裝使用中要求內導體與測試設備間應緊密結合，且內導體有一定彈性，不易變形。

4.2 裝配方式

天線部件多，裝配復雜，需注意以下事項：

（1）焊接：避免虛焊、漏焊，防止雜質溶入焊點；用恒溫電烙鐵，注意焊接時間，減少氧化物產生；焊接時保證焊點光滑。

（2）金屬接觸的表面處理：所有連接和接觸應剛性安裝，保證緊密接觸減小振動；盡量避免不同材質的金屬接觸；盡量增大金屬接觸面積。

（3）金屬屑及雜質清潔：加工和裝配會殘留鋁屑、銅屑和鐵屑，所有暴露的導電金屬表面需酒精清洗，去除金屬屑及雜質（灰塵、汗?jié)n等）。

（4）去磁處理：鉚釘及各類緊固器件應去磁處理；裝配使用無磁性工具，保證無金屬碎屑和磁性粉末等。

5 不良點排查

基站天線三階互調要求一般為≤-107dBm@43dBm，返修不良端口時，先檢查裝配是否可靠，再由初始值初步判定：

（1）60～70dBm：接頭不良，虛焊、漏焊，螺絲松動。

（2）70～107dBm：振子、零部件不良，虛焊，螺絲松動。

（3）下傾角變壞：耦合桿不良。

（4）三階互調跳動：振子接觸不良、金屬接觸不良、螺絲松動。

對以上情況，可采用以下方法改善：（a）用力矩扳手打緊螺絲，重新焊接焊點。（b）敲動天線，定位不良部件并更換。（c）逐一斷開網絡與單元焊點，測量振子三階，確定是否更換。此方法同樣適用于其他部件，如移相器、合路器等，直到三階返修后合格。

6 結束語

本文在理論基礎上分析PIM產生原因，對易產生高無PIM的地方給出設計建議，最后給出不良點排查的經驗。通過對基站天線PIM的分析與研究，旨在改善天線PIM性能。

[1]易炎高.基站電調天線無源互調研究[D].電子科技大學,2012：21-22.

[2]蔣江湖,吳少周,張世全.移動通信天線的無源互調干擾研究[J].陜西理工學院學報(自然科學版),2011(2)：46-47.

[3]郭占濤.移動通信系統(tǒng)中三階互調干擾的研究和分析[J].移動通信,2011(24)：51-52.

[4]李霄梟,崔萬照,胡天存.無源互調抑制技術研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].空間電子技術,2017(04)：81-82.

[5]張世全,葛德彪.通信系統(tǒng)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(01)：58-59.

[6]王立奎,尹燕芳,王繼志.降低天線三階無源互調的工藝方法[J].山東工業(yè)技術,2015(21)：218-219.

[7]毛春依.探究基站天線無源互調干擾的分析與預防[J].信息化建設,2015(05)：32-33.

[8]楊秀.淺談無線通信系統(tǒng)克服三階互調干擾措施的演變[J].移動通信,2011(08)：32-33.

[9]范頌東.基站天線無源互調干擾的分析與預防[J].機電信息,2014(9)：146-147.

[10]李新中,楊軍.天線無源互調干擾分析與建議[J].電信技術,2011(12)：33-34.