2021-09-09

浅谈螺丝扭矩稳定性对天线PIM指标的影响

摘要：基站天线的内部结构随着通信潮流的发展，逐渐由2G天线产品迭代至5G天线产品。其中4G天线也逐步向多模多通道发展，其内部结构也由“俭”入“奢”不断复杂化。本文探讨的就是4G天线中螺钉紧固力矩波动对产品的无源互调(Passive Inter Modulation,简称PIM)指标的影响。
关键词：扭矩；基站天线；无源互调

一、引言
金属的相互接触产生的非线性时最常见的PIM根源。当暴露在空气中的两个导体接触时，由于表面粗糙度和影响以及氧化作用会在导体接触表面产生微米量级的粗糙度和纳米量级的介质层。在两个大功率辐射场作用下非线性金属结会产生无源互调，由于双载波激励下的金属结硬气的PIM在各阶存在干扰。但是在收发系统中，靠近载波的3阶和5阶互调产物最有可能落入工作频带，对系统的危害最为严重[1]。因此需要重点关注，对于一些高稳定型的接受天线，在PIM达到-107dBm时，仍会对接收设备产生较大影响，淹没实际有用的信号，影响设备数据信号的上传下达，最终影响话务质量，造成网络传输不畅，信号波动较大。[2]

二、实验设计
2.1概述
以我司为例，在进行天线装配的过程中我们选择的是带力矩设定的电动螺丝批。在产品的生产制造过程中，电动螺丝批不可避免的受到各个环节的振动影响，螺丝批的输出力矩也会存在波动。考虑到生产的连续性，我们选择在线检测的方式来观察螺丝批输出力矩的波动对于产品PIM指标的性能影响。
2.2研究方向
验证不同力矩范围下设置同一力矩的电动螺丝批对于产品PIM指标的影响。
2.3工具选型
考虑到我司生产的实际状态，我们采用现有的两种不同力矩范围的电动螺丝批进行试验，设定的螺丝紧固力矩为2.4N·m[3]。
2.4所需工具
实验所需工具及数量参考表1。
表1 实验所用工具明细
序号设备名称规格数量备注
1 扭力测试仪 HP-100 1
2 无源互调测试仪 IBA-0901B 1
3 电动螺丝批 P1L-TKS-4500LS
1.47-4.41 N·m 1 扭力精度±5%
4 电动螺丝批 P1L-TKS-2500L
0.49-2.45 N·m 1 扭力精度±5%
5 互调暗室 5区天线制造车间 1 暗室号：19
6 扭力扳手准达NB-22.5G 1
7 测试电缆 7/16M-7/16M-HF250 1 3米
8 生产流水线 6米 1
三、实验实施步骤
3.1测试不同时间点的螺丝批力矩
Step1：校验力矩仪器测试系统（使用扭矩点检）；
Step2：设定扭力值，并将辐射单元固定在反射板上；
Step3：使用扭力测试仪进行螺丝批力矩测量，并记录；
Step4：重新设定扭力值至2.4N·m；
Step5：重新从Step2开始；
3.2测试使用不同扭矩螺丝批的产品互调值
Step1：校验互调仪器测试系统（使用标准负载对互调仪进行点检）；
Step2：测试产品互调值[4]；
Step3：记录产品互调测试，并去除紧固螺丝；
Step4：重新交付给产线进行更换新的螺丝紧固；
Step5：重新从Step2开始；
四、数据记录与分析
为了验证试验的可靠性，我们区分不同时间及操作人员重复进行试验。共计尝试了4种交叉试验方案，收集数据力矩与人员的偏差关系如下表2：
表2 力矩偏差与员工操作的关系
数量扭矩
区间

员工扳手型号 0~0.05N·m 0.05~0.1 N·m 0.1~0.15 N·m 0.15~0.2 N·m 0.2以上N·m 合计
员工甲 P1L-TKS-
4500LS 5 9 6 5 5 30
P1L-TKS-
2500L 21 9 0 0 0 30
员工乙 P1L-TKS-
4500LS 7 8 6 6 3 30
P1L-TKS-
2500L 22 8 0 0 0 30
由表2中的可以看出P1L-TKS-4500LS及P1L-TKS-2500L两款不同力矩量程的产品，在设置固定力矩的情况下，力矩表现情况存在明显差异，小量程的P1L-TKS-2500L产品力矩稳定性表现更佳。图1为针对两款电动螺丝批的力矩波动进行的单值分析[5]。
图1 P1L-TKS-4500LS 和 P1L-TKS-2500L两款产品的力矩单值差异分析

我们后续过程中针对使用两款电批生产出来的产品的PIM指标进行测量。在其他加工工艺相同的情况下，产品PIM指标也有明显的差异。小量程的P1L-TKS-2500L的电动螺丝批在设置力矩为2.4N·m的标准力矩下，产品PIM指标均值更优，差异更小，不良率更低。图2为针对两款螺丝批制造的产品PIM指标性能进行的单值分析。

图2P1L-TKS-4500LS 和 P1L-TKS-2500L两款螺丝批生产的产品PIM指标差异分析

五、结论
经以上实验分析，我们不难得出结论，在常规基站天线生产制造过程中，选用在我们标准的力矩范围附近，扭力波动小的的紧固工具，所生产的基站天线产品的PIM指标表现更为优异。在常规基站天线的产品工艺指定过程中，应当关注产品紧固工具的选型和工具的力矩输出波动性，波动性越小，产品性能更佳。
参考文献：
[1] 毛煜茹，刘莹．金属接触非线性引起的无源互调效应的数值分析[J]．电子学报，2015，（6）：46．
[2] 蒋江湖，吴少周，张世全．移动通信天线的无源互调干扰研究[J]．陕西理工学院学报（自然科学版），2011，（6）：1175．
[3] GB/T 3098.1-2000，紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱[S]
[4] YD/T2868-2015，移动通信系统无源天线测量方法[S]
[5] 刘敏.应用Minitab处理质量统计分析问题[J].橡塑技术与装备,2009,35(02):18-21.

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