基站天线互调分析的13个维度

　　【摘 要】首先介绍了基站天线的结构组成，接着将影响基站天线互调的因素进行了梳理，归类为13种维度，对其进行分析，并举出实际案例和解决思路，最后归纳了基站天线互调测试系统搭建的关键点。
　　【关键词】基站天线 互调分析 传输线理论 趋肤 电流密度 互调产物
　　doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.05.019 中图分类号：TN82 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2016）05-0090-07
　　引用格式：吴卫华，张申科，丁勇，等. 基站天线互调分析的13个维度[J]. 移动通信， 2016，40（5）： 90-96.
　　1 引言
　　在无线通信系统中，基站天线是收发信机与外界传播介质之间的接口。随着无线通信的发展，网络环境的复杂多变，对基站天线的互调要求通常较高。基站天线三阶互调控制水平是衡量一个天线厂家电气、结构、工艺、来料和制造等综合实力的重要指标。
　　文章首先介绍了基站天线的结构组成，基站天线的主体结构由外罩、反射板、馈电网络以及振子组成。为提高基站天线三阶互调指标及其批量生产一次达通率，提高基站天线长期使用的稳定性和可靠性，需要在电气、结构、工艺、选材、制造上进行系统的定性和定量研究，本文提炼出了基站天线互调分析的13个维度：（1）传输线理论；（2）趋肤深度；（3）电流密度；（4）输入功率和互调产物的关系；（5）互调的矢量叠加原理；（6）接触的非线性；（7）材料的非线性；（8）零件的表面特性；（9）温度；（10）时间和频次；（11）应力和变形；（12）外来的PIM干扰；（13）电导通和非电导通。最后归纳总结了基站天线互调测试系统搭建的关键点。
　　2 基站天线的结构组成
　　基站天线的主体结构由外罩、反射板、馈电网络以及振子组成。天线外罩是保护基站天线系统免受外部环境影响的结构件，具有良好的电磁辐射透过性能，能够经受外部环境侵袭，常用的外罩材料主要有玻璃钢、UPVC和ASA。反射板是基站天线所有部件的安装主体，在减轻重量、提高机械强度、改善辐射性能方面起到重要作用，常用的反射板材料有5系钣金用铝合金板和6系拉伸铝合金型材板。馈电网络的作用是将射频电能按照设计要求分配到各个振子，分配的幅度比和相位差决定了垂直方向的辐射方向图和增益，馈电网络有基于同轴电缆和基于微带线这两种设计方法。振子是基站天线最重要的部件之一，其设计方案的好坏决定了天线主要的几个辐射指标的性能，振子从辐射原理上可分为微带贴片和对称振子两种方案，常用的振子材料有压铸锌合金、压铸铝合金和PCB。
　　基于同轴电缆的馈电网络进一步细分为端口跳线、功分器、接线端子、移相器等部件。移相器是基于同轴电缆的馈电网络最为关键的部件，作用是改变流经移相器并馈入辐射单元的信号的相位，进而改变天线所形成的垂直波束的下倾角度。根据移相原理的不同，移相器可以分为两大类：（1）物理长度可变移相器，即通过改变信号传输途径的物理长度来改变相位；（2）介质滑动型移相器，即通过改变传输线的等效介电常数来改变相位。
　　基于微带线的馈电网络采取了一体化的设计方法，将天线内部的功分器、移相器、跳线接头全部做在一块PCB板或金属导带上，最大限度地减少了焊点。
　　相对于基于微带线的馈电网络，基于同轴电缆的馈电网络设计灵活性更优，研发难度和周期较低，生产控制要求更严格，在目前基站天线升级换代比较频繁的情况下，基于同轴电缆的馈电网络是行业主流。
　　3 基站天线互调分析的13个维度
　　在无源互调的分析研究中，一般基于11项基础理论来研究。由于基站天线是把射频电能和电磁波能互相转化的部件，多了一个场的维度；无源腔体内所有的接触点，电导通的点必须可靠的接触，基站天线中存在大量既可以电导通，也可以不电导通的点，所以对于天线互调的分析，可以基于13项基础理论来研究：（1）传输线理论；（2）趋肤深度；（3）电流密度；（4）输入功率和互调产物的关系；（5）互调的矢量叠加原理；（6）接触的非线性；（7）材料的非线性；（8）零件的表面特性；（9）温度；（10）时间和频次；（11）应力和变形；（12）外来的PIM干扰；（13）电导通和非电导通。
　　焊接对基站天线的互调影响巨大，需要较大的研究深度和广度，故不在本文展开论述。
　　3.1 传输线理论
　　如图1所示，基站天线中射频电能的传输一定是在传输线中进行的，在不同的传输线中，电流经过的表面不一样，路径的截面积不一样，传输线理论是后续探讨趋肤深度、电流密度、输入功率和互调产物关系的基础，要使互调设计好、材料选对、生产工艺控制点清晰，一定要充分理解传输线理论。传输线的连续性是影响互调的关键点。传输线的主要结构形式如图1所示：
　　（a）同轴线 （b）带状线 （c）微带线
　　图1 传输线的主要结构形式
　　基站天线不同传输线之间的连接通常通过焊接完成，焊接端子、焊盘设计要符合传输线连续性要求。
　　3.2 趋肤深度
　　当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的＂皮肤＂部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导线内部实际上电流较小，这一现象被称为趋肤效应。
　　高频通路的互调，对镀层的表面质量敏感。镀层的表面质量主要由机加件或压铸件的表面粗糙度决定，同时受到电镀工艺的影响。
　　低频通路的互调，对镀层的厚度敏感。在电镀中采用辅助阳极，可显著改善镀层的厚度公差，可节约成本，同时又使最小镀层厚度达标。
　　3.3 电流密度
　　导线中不同点上与电流方向垂直的单位面积上流过的电流不同，为了描述每点的电流情况，有必要引入一个矢量场――电流密度，电流密度是描述电路中某点电流强弱和流动方向的物理量，它是矢量，其大小等于单位时间内通过某一单位面积的电量，方向向量为单位面积相应截面的法向量，指向由正电荷通过此截面的指向确定。在高频频域，由于趋肤效应，传导区域会更加局限于表面附近，因而促使电流密度增高，电流密度过高会产生不理想后果。图2是某高频振子表面的电流密度：
　　   （6）要接低互调负载测试连接器、跳线和PCB组件（如功分器、移相器）的互调。空载测试互调，由于被测部件的失配，能量大部分被反射回互调仪，通过功放输出端口串接的环形器后的负载吸收会造成功放寿命降低。若测试的是PCB部件，由于过载造成温升，则引起铜皮附着力恶化或局部PCB的碳化，形成互调隐患。
　　（7）对于关键部件，如端口跳线、移相器组件，要制定合理的部件级互调测试策略。避免将有重大互调质量隐患的部件装配到天线上，造成整机互调返修困难。如可进行跳线的互调预测试、移相器组件的互调预测试。
　　5 结束语
　　文章首先介绍了基站天线的结构组成，在此基础上提出并逐项剖析了基站天线互调分析的13个维度，并强调基站天线的互调需要定性和定量来分析。基站天线三阶互调控制水平是衡量一个天线厂家电气、结构、工艺、来料和制造水平等综合实力的重要指标，本文的分析研究对基站天线互调研究的进一步发展有一定的指导和借鉴意义。
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