天線電調(diào)傳動(dòng)可靠性分析

京信通信系統(tǒng)（中國(guó)）有限公司 黃潮生

1 引言

電調(diào)是天線核心功能，傳動(dòng)是電調(diào)的根本。不同的電調(diào)傳動(dòng)方案、設(shè)計(jì)直接影響天線成本，性能，功能等，且電調(diào)傳動(dòng)有別于傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)，需要更多的考慮對(duì)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(wèn)題，傳動(dòng)的可靠性性更多基于理論設(shè)計(jì)及實(shí)際數(shù)據(jù)基礎(chǔ),下面綜合行業(yè)的技術(shù)現(xiàn)狀，從實(shí)際應(yīng)用角度列舉并分析探討電調(diào)傳動(dòng)可靠性。

2 基本傳動(dòng)設(shè)計(jì)及CAE仿真

1）傳動(dòng)零部件的力學(xué)可靠性性分析

典型的天線電調(diào)，通過(guò)基站信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，控制傳動(dòng)機(jī)構(gòu)改變移相器相位實(shí)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(dòng)，通過(guò)預(yù)設(shè)兩端擋塊判斷電調(diào)行程，再進(jìn)行角度劃分，從而實(shí)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(shí)，止動(dòng)瞬間需承受較大彎矩，破壞的后果可能使螺紋傳動(dòng)軸向力加載到移相器，破壞相位傳動(dòng)機(jī)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(jì)經(jīng)驗(yàn)及CAE算法優(yōu)勢(shì)，展開(kāi)迭代優(yōu)化，確保零部件傳動(dòng)過(guò)程的可靠性（如圖1）。

圖1

2）傳動(dòng)零部件的優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)1）中仿真分析的結(jié)果（灰色部分超過(guò)材料安全載荷），對(duì)螺桿傳動(dòng)的止檔薄弱處進(jìn)行加料與倒角優(yōu)化加強(qiáng)，減小應(yīng)力集中問(wèn)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(duì)于復(fù)雜的模型結(jié)構(gòu)而言,可以通過(guò)幾何拓補(bǔ)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(yùn)算更加收斂，降低計(jì)算量的同時(shí)提升局部精度，更能有效控制仿真數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)性，如圖3，4所示。

3）基于天線電調(diào)的螺紋傳動(dòng)計(jì)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(dòng)傳動(dòng)的電機(jī)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(zhǔn)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(dòng)穩(wěn)定性等問(wèn)題，展開(kāi)以下公式做進(jìn)一步分析。

L--移相器（螺桿）總行程；Famax--軸向負(fù)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(bǔ)償間隙；L3--后補(bǔ)償間隙；Ph--螺桿導(dǎo)程；tx--尋頻時(shí)間。

根據(jù)公式（2）（4）可看出，在負(fù)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(zhǎng)安全系數(shù)Sf趨于更小。綜合來(lái)看移相器總行程設(shè)計(jì)過(guò)長(zhǎng)，將對(duì)功率或穩(wěn)定性起到負(fù)面作用，所以對(duì)于設(shè)計(jì)較大天線電調(diào)行程而言，需考慮螺桿長(zhǎng)度帶來(lái)的時(shí)間損耗問(wèn)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(dòng)的穩(wěn)定性，但基于天線互調(diào)的限制因素，傳動(dòng)件一般選用塑料材質(zhì)，彈性模量量級(jí)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(guò)潤(rùn)滑的方式可以進(jìn)一步提升，但考慮天線戶外環(huán)境可靠性（-40℃～+70℃），需要考慮潤(rùn)滑帶來(lái)的低溫破冰及阻力矩增大等設(shè)計(jì)余量，得不償失。綜上所述，在設(shè)計(jì)初期有效控制螺紋中徑，后續(xù)工藝及維護(hù)簡(jiǎn)單，更易提升可靠性。

根據(jù)（3）公式，在負(fù)載Fa一定的情況下，d2與T成正比關(guān)系，且d2增長(zhǎng)比值大于正弦導(dǎo)程角的下降比例，通過(guò)數(shù)據(jù)建模圖表所示，根據(jù)公式（1）T對(duì)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(wú)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(duì)速度N起負(fù)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(dòng)設(shè)計(jì)中，需要考慮功率，速度，扭矩及穩(wěn)定性帶來(lái)的問(wèn)題，細(xì)節(jié)部分需考慮切換、電機(jī)加速等帶來(lái)時(shí)間損耗的問(wèn)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(guò)有效的實(shí)際數(shù)據(jù)或假設(shè)法進(jìn)行反復(fù)驗(yàn)證，以得到更優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)天線設(shè)計(jì)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(duì)于傳動(dòng)零部件而言要求更為嚴(yán)苛，意味著在高溫或低溫下需克服材料尺寸差異，強(qiáng)度，傳動(dòng)效率下降等綜合因素帶來(lái)的損耗問(wèn)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(jì)時(shí)需要綜合考慮材料各向熱脹冷縮的特點(diǎn)，且不同的材料間膨脹系數(shù)各不同，為了提高天線的傳動(dòng)可靠性，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期，需要盡量選擇相同的材料作為接觸傳動(dòng)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(jì)預(yù)留不足導(dǎo)致的傳動(dòng)隱患，如接觸件材料不同或尺寸比例過(guò)大等。零部件在基本公差設(shè)計(jì)之余，需通過(guò)表1膨脹系數(shù)充分計(jì)算極限尺寸，以保障如孔軸或齒輪副等傳動(dòng)結(jié)構(gòu)之間配合關(guān)系，避免過(guò)盈間隙或間隙過(guò)大的情況，確保天線傳動(dòng)機(jī)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(diǎn)，高低溫下，抗拉、彎曲、抗剪強(qiáng)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(huì)出現(xiàn)不同程度的形變，如POM材料，熔點(diǎn)較低，高溫遞進(jìn)的過(guò)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(duì)于精密的螺紋或齒輪傳動(dòng)來(lái)說(shuō)，尺寸的變化直接影響機(jī)構(gòu)的傳輸效率，嚴(yán)重將導(dǎo)致天線電調(diào)堵轉(zhuǎn)等風(fēng)險(xiǎn)，反觀應(yīng)變曲線，相同形變下也表現(xiàn)材料強(qiáng)度的下降，如齒輪傳動(dòng)在負(fù)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(wèn)題，影響天線電調(diào)功能，所以在工程設(shè)計(jì)初期，工程師需通過(guò)初步評(píng)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(shí)際經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合判斷，預(yù)留應(yīng)變余量，并進(jìn)行反向校核。對(duì)不同溫度下的傳動(dòng)效率變化需要有實(shí)測(cè)值作為支撐，以保障天線電調(diào)傳動(dòng)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(yàn)證

在天線傳動(dòng)的可靠性驗(yàn)證中，需投入大量人力物力，以充足的樣機(jī)基礎(chǔ)發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)中的概率性問(wèn)題（如互為質(zhì)數(shù)的齒輪傳動(dòng)），消耗巨大。于是從另外一個(gè)維度考慮，可采用一種更嚴(yán)苛的試驗(yàn)方式，放大產(chǎn)品缺陷，以達(dá)到反應(yīng)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性目的，并減少投入。

HALT試驗(yàn)通過(guò)極端的高低溫環(huán)境、隨機(jī)的振動(dòng)頻率、或獨(dú)立或疊加方式進(jìn)行。尋求樣品的低溫、高溫操作及破壞極限如圖7所示。氣動(dòng)振動(dòng)臺(tái)，頻率范圍為2Hz～10000Hz，且振動(dòng)應(yīng)力為六自由度，如圖8所示。

圖7 HALT試驗(yàn)?zāi)?/p>

圖8 溫度與振動(dòng)的綜合測(cè)試曲線

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

4 電機(jī)可靠性分析

1）電機(jī)的選型及應(yīng)用

在電調(diào)天線設(shè)計(jì)中，電機(jī)作為傳動(dòng)機(jī)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(jī)的大小，扭矩，潤(rùn)滑，防腐，損耗，老化，磁性衰減，反電動(dòng)勢(shì)，溫升，電流、電壓等相關(guān)問(wèn)題，針對(duì)不同的傳動(dòng)產(chǎn)品，電機(jī)性能的選型，直接影響傳動(dòng)的穩(wěn)定性及功能的實(shí)現(xiàn)，對(duì)于天線電調(diào)傳動(dòng)，需要重點(diǎn)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(guò)上述因素綜合修正，以得到更優(yōu)的驅(qū)動(dòng)器件。

圖9 選型步驟圖

電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩較難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來(lái)。

2）電機(jī)的特性及可靠性

天線步進(jìn)電機(jī)的精度為步距角的3-5%，且不累積；步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；低于封閉環(huán)境，需加強(qiáng)考慮電機(jī)的溫升問(wèn)題，避免在高溫工作下影響電子器件穩(wěn)定性，步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)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(jī)矩頻特性曲線

步進(jìn)電機(jī)的起步速度一般在10～100RPM，伺服電機(jī)的起步速度一般在100～300RPM。根據(jù)電機(jī)大小和負(fù)載情況而定，應(yīng)盡量選擇扭矩較大的區(qū)域，且在實(shí)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(jī)輸出動(dòng)力的穩(wěn)定性。

3）電機(jī)常見(jiàn)問(wèn)題及原因分析

根據(jù)電機(jī)過(guò)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(wèn)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(dòng)設(shè)計(jì)中，零部件環(huán)環(huán)相扣，牽一發(fā)而動(dòng)全身，局部的細(xì)節(jié)異常將可能引發(fā)連鎖問(wèn)題，導(dǎo)致嚴(yán)重的產(chǎn)品異常，但細(xì)枝末節(jié)的問(wèn)題又錯(cuò)綜復(fù)雜。DFMEA通過(guò)發(fā)行、評(píng)價(jià)產(chǎn)品/過(guò)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(píng)估產(chǎn)品或零部件的異常，減少“事后”帶來(lái)高額“補(bǔ)救”成本。且DFMEA通過(guò)時(shí)間、經(jīng)驗(yàn)的積累，可以形成經(jīng)驗(yàn)案例，對(duì)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(jì)質(zhì)量，提高天線傳動(dòng)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(dòng)設(shè)計(jì)中，如尺寸滿足極限誤差即為合格品，且往往在研發(fā)樣機(jī)階段某項(xiàng)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(wèn)題。對(duì)于傳動(dòng)而言，超差的后果可能導(dǎo)致傳動(dòng)功能失效，所以有必要通過(guò)合格的樣品進(jìn)一歩更深入的分析及評(píng)估。CPK是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)的一種應(yīng)用，通過(guò)正態(tài)分布的數(shù)據(jù)的進(jìn)行收集并針對(duì)合格零部件或合格傳動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合分析。根據(jù)偏差量透過(guò)固定公式進(jìn)行綜合計(jì)算，從而推導(dǎo)批量生產(chǎn)可能帶來(lái)數(shù)據(jù)超差風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于天線電調(diào)傳動(dòng)系統(tǒng)，CPK的控制能在設(shè)計(jì)端有效預(yù)知并預(yù)防批量不良率，側(cè)面評(píng)估供應(yīng)商制程把控能力，預(yù)知設(shè)計(jì)人員可能存在超差風(fēng)險(xiǎn)以及概率，并進(jìn)行針對(duì)性的協(xié)調(diào)、改進(jìn)、優(yōu)化，確保傳動(dòng)零部件的批量穩(wěn)定性。

6 總結(jié)

天線電調(diào)傳動(dòng)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，涉及的影響因素及限制非常多，對(duì)于批量產(chǎn)品而言，傳動(dòng)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(dòng)零部件環(huán)環(huán)相扣，變更及維護(hù)成本高。所以在設(shè)計(jì)初期，設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分了解實(shí)際應(yīng)用情況，綜合評(píng)估傳動(dòng)的輸入與輸出條件，通過(guò)仿真或計(jì)算分析，多方面考慮環(huán)境所帶來(lái)的不確定因素，完善并收集相關(guān)較為全面的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，制定合理的，可行性更高的電調(diào)傳動(dòng)方案。總之，為了提高天線電調(diào)傳動(dòng)的可靠性，確保能始終處于良好的工作狀態(tài)，就要綜合對(duì)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行深入分析與研究，結(jié)合實(shí)際的工作狀態(tài)，提出有針對(duì)性的改善措施，形成電調(diào)傳動(dòng)可靠的技術(shù)積累與技術(shù)保障，從而實(shí)現(xiàn)更高品質(zhì)、更加穩(wěn)定、可靠的天線電調(diào)產(chǎn)品。