王普鋼 王大明 杜艷偉

摘 ?要：隨著通信行業(yè)從2G、3G到4G，再到未來的5G的發(fā)展，通信天線也隨之不斷地更新?lián)Q代。高速高質(zhì)量的通信需要高性能的天線來支持，高指標(biāo)的三階互調(diào)天線不僅是未來通信質(zhì)量和速度的保證，更是代表一個企業(yè)和一個公司工藝控制、研發(fā)水平甚至企業(yè)創(chuàng)造力的重要指標(biāo)之一;本項目重點研究在通信天線制造過程中最常用最多的連接方式——M4螺釘緊固力矩與三階互調(diào)的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：M4螺釘;緊固力矩;通信天線;三階互調(diào)

中圖分類號：TN929.5 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2019）16-0056-04

Abstract：With the development of communication industry from 2G，3G to 4G，and then to 5G in the future，the development of communications antenna also follow the constantly updated，at the same time，high speed high quality communication need high performance antenna to support，high indicators of third-order intermodulation antenna not only is the guarantee of the future communication quality and speed，but also on behalf of a business a company process control，research and development level and even enterprises an important indicator of creativity;This project focuses on the most commonly used connection mode in the manufacturing process of communication antenna——the relationship between M4 screw tightening torque and third-order intermodulation.

Keywords：M4 screw;tightening moment;communication antenna;third-order intermodulation

0 ?引 ?言

隨著通信快速發(fā)展，對作為通信中間聯(lián)絡(luò)樞紐的通信天線的指標(biāo)要求越來越高。2G時代對天線的互調(diào)幾乎無要求，3G時代才引入互調(diào)的概念并對其做初步控制，4G時已經(jīng)有一套成熟的控制分級機制，從2G、3G時代的三階互調(diào)為-90dBm級到目前普遍的-110dBm級，期間如何做到穩(wěn)定的高互調(diào)指標(biāo)要求的天線就是目前我們的研究重點。

1 ?實驗方案設(shè)計

1.1 ?概述

三階互調(diào)與螺釘?shù)姆蔷€性接觸有直接的關(guān)系。以前在定義螺釘扭矩與擰緊轉(zhuǎn)速時，只是測量了產(chǎn)品靜態(tài)的三階互調(diào)表現(xiàn)，結(jié)論是：對于M4螺釘，扭緊力矩為18～22kgf.cm，擰緊轉(zhuǎn)速1200rpm時，便可保證螺釘連接部位不產(chǎn)生高互調(diào)。而在產(chǎn)品的生命周期內(nèi)，總會不可避免地受到各種振動影響，所以需要評估產(chǎn)品擰緊后，在振動過程中的互調(diào)表現(xiàn)。

考慮到產(chǎn)品連接有多種方式，我們評估最極端的情況：只用一顆M4螺釘連接器件的情形。所以我們選用RK06振子作為驗證的樣本載體，測試產(chǎn)品1800MHz時的互調(diào)表現(xiàn)。

1.2 ?研究方向

驗證M4螺釘?shù)臄Q緊轉(zhuǎn)速對產(chǎn)品互調(diào)的影響，同時驗證M4螺釘?shù)臄Q緊力矩對產(chǎn)品互調(diào)的影響。

1.3 ?工具選型

由于不清楚螺釘轉(zhuǎn)速與螺釘力矩是否會獨立影響產(chǎn)品互調(diào)表現(xiàn)。所以采用完全要素驗證，即將現(xiàn)有的轉(zhuǎn)速與螺釘扭矩的表現(xiàn)水平歷遍。

現(xiàn)有的工具轉(zhuǎn)速有500rpm、900rpm，所以設(shè)置三種水平的轉(zhuǎn)速：30rpm（手?jǐn)Q）、500rpm（電批）、900rpm（氣批）。

1.4 ?扭矩精度

據(jù)三階互調(diào)的接觸非線性影響理論，我們知道扭矩越大（即接觸壓強越大），互調(diào)越好。但我們同時應(yīng)該考慮到螺紋孔材質(zhì)的塑性變形及蠕變，超過一定扭矩后，螺釘擰緊提供的接觸壓強會下降。我們現(xiàn)有的M4螺釘扭矩為18kgf.cm，所以計劃從18kgf.cm開始，逐步增大扭矩（步進(jìn)3～5kgf.cm，此亦為緊固工具的扭矩精度），直到互調(diào)開始變差。

1.5 ?保證有效

另一方面，我們也要確認(rèn)各種螺紋材質(zhì)的破壞扭矩，以確認(rèn)螺釘扭矩的安全性（一般安全系數(shù)為1.4～1.6），避免發(fā)生螺紋材質(zhì)塑性變形及蠕變。

1.6 ?所需工具

實驗所需工具及數(shù)量如表1所示。

1.7 ?所需物料

實驗所需物料及數(shù)量如表2所示。

2 ?實驗步驟過程

2.1 ?測試不同扭矩下的互調(diào)值

Step1：校驗系統(tǒng)（互調(diào)儀點檢與扭矩點檢）;

Step2：設(shè)定扭力值，將振子裝配到底板上，并布好線;

Step3：測試振子互調(diào);

Step4：振動產(chǎn)品，并記錄振動中的互調(diào)值;

Step5：記錄產(chǎn)品測試后的數(shù)據(jù);

Step6：更新參數(shù)（扭矩、轉(zhuǎn)速、螺釘規(guī)格），重新從Step2開始;

Step7：每2小時，重復(fù)Step1。

2.2 ?測試常見材質(zhì)的破壞扭矩

Step1：選定器件;

Step2：確認(rèn)螺紋孔的公差;

Step3：準(zhǔn)備好工具，并校驗確認(rèn)工具狀態(tài);

Step4：逐步加大扭矩，并記錄下螺紋破壞時的力矩值;

Step5：重復(fù)上述步驟，以取得足夠的樣本數(shù)據(jù)。

3 ?數(shù)據(jù)記錄與處理

3.1 ?螺紋破壞扭矩確認(rèn)

為了其驗證的可靠性，我們要先取得不同材質(zhì)螺釘?shù)钠茐呐ぞ?，如?所示，同時也要取得不同材質(zhì)螺釘發(fā)生彈性變形時所對應(yīng)的扭矩，如表4所示，以保證在驗證過程中各種螺釘在使用時是沒有失效的。

從表3、表4中可以看出：

（1）組合螺釘?shù)氖ぞ貫?5kgf.cm，其失效形式為十字槽打滑。考慮安全系數(shù)應(yīng)為1.5，則組合螺釘?shù)陌踩ぷ髋ぞ貫?0kgf.cm。如果要繼續(xù)增加工作扭矩，則必須更換槽型。實際上，我們通過螺釘彈性變形的情況可知，螺釘?shù)淖畲蟀踩ぷ髋ぞ貫?7kgf.cm;

（2）對于耐落螺釘，其破壞扭矩為62～68kgf.cm，失效形式為螺紋孔滑牙。考慮安全系數(shù)應(yīng)為1.5，則耐落螺釘?shù)淖畲蟀踩ぷ髋ぞ貫?1～45kgf.cm;

（3）對于使用星形槽的普通螺釘，其破壞扭矩為63～68kgf.cm，失效形式為螺釘頭斷。同耐落螺釘，其正常工作的最大安全扭矩為41～45kgf.cm。如果要繼續(xù)增大扭矩，需要考慮提升螺釘材質(zhì)的強度。

3.2 ?組合螺釘互調(diào)測試

為了得到30kgf.cm以上的數(shù)據(jù)，在試驗過程中扭滑了很多十字槽螺釘，尤其是在進(jìn)行40kgf.cm扭矩的試驗時，擰了22顆螺釘，才得到4顆沒有滑牙的，以完成數(shù)據(jù)的收集，試驗得到的組合螺釘互調(diào)動態(tài)驗證結(jié)果如表5所示，其中，深色區(qū)域表示此條件下互調(diào)值相對穩(wěn)定。

從表5中可以看出幾個結(jié)論：

（1）組合螺釘?shù)淖罴鸦フ{(diào)表現(xiàn)依賴于螺釘緊固扭矩與緊固轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速越高，則需要越大的扭矩才能保證低互調(diào)表現(xiàn);

（2）500rpm時，互調(diào)整體表現(xiàn)優(yōu)于其他兩種轉(zhuǎn)速水平。且其在扭矩為28kgf.cm時就能夠得到比較穩(wěn)定的互調(diào)水平;

（3）當(dāng)螺釘在用900rpm轉(zhuǎn)速扭緊時，為達(dá)到低互調(diào)水平，需要保證扭矩大于33kgf.cm;

（4）我們認(rèn)為對于M4的組合螺釘，以500rpm轉(zhuǎn)速扭 緊，保證扭矩為30±2kgf.cm，便可得到優(yōu)異的低互調(diào)表現(xiàn)。

組合螺釘在不同扭矩和不同工具轉(zhuǎn)速下互調(diào)值變化表現(xiàn)如圖1所示。圖中圓點位置表示互調(diào)初始水平，圓點大小表示動態(tài)互調(diào)穩(wěn)定性。圓點越靠上，互調(diào)值越優(yōu);圓點越小，互調(diào)越穩(wěn)定，圓點的淺色代表理想值，深色代表較差值。圖中的實線代表通信行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)，三階互調(diào)指標(biāo)<-115dBm的天線為精品。

3.3 ?耐落螺釘互調(diào)測試

耐落螺釘互調(diào)動態(tài)驗證結(jié)果如表6所示，其中，深色區(qū)域表示此條件下互調(diào)值相對穩(wěn)定。

從表6中可以看出幾個結(jié)論：

（1）耐落螺釘?shù)淖罴鸦フ{(diào)表現(xiàn)依賴于螺釘緊固扭矩與緊固轉(zhuǎn)速。其最佳工作轉(zhuǎn)速為500rpm;

（2）500rpm時，互調(diào)整體表現(xiàn)優(yōu)于其他兩種轉(zhuǎn)速水平。且其在扭矩為35kgf.cm時就能夠得到比較穩(wěn)定的互調(diào)水平;

（3）當(dāng)螺釘在用900rpm轉(zhuǎn)速扭緊時，產(chǎn)品互調(diào)表現(xiàn)較差，且互調(diào)平均波動達(dá)到1.8dBm;

（4）我們認(rèn)為，現(xiàn)階段條件下，如果不考慮產(chǎn)品的防松，現(xiàn)有耐落螺釘不是一個最佳的緊固件選擇。

耐落螺釘在不同扭矩和不同工具轉(zhuǎn)速下互調(diào)值變化表現(xiàn)如圖2所示。

4 ?結(jié) ?論

（1）螺釘?shù)幕フ{(diào)表現(xiàn)水平與螺釘緊固的速度和緊固的扭矩同時相關(guān)。在不同的轉(zhuǎn)速下，要達(dá)到優(yōu)異互調(diào)表現(xiàn)水平所需要的扭矩各不相同。簡單的對照表如表7所示。

（2）如果我們僅考慮轉(zhuǎn)速的維度，在低轉(zhuǎn)速下有利于實現(xiàn)低互調(diào)水平。結(jié)合表1—表5，同時評估作業(yè)效率，我們認(rèn)為，螺釘緊固的最佳工作轉(zhuǎn)速為500rpm。

（3）螺釘不同扭矩時，其互調(diào)表現(xiàn)水平是有差異的。所以實際中，需要嚴(yán)格控制扭矩的波動。一般緊固工具的扭矩精度為3%～5%。因此，扭矩誤差可按±2kgf.cm來要求。結(jié)合此可以得到：

1）對于組合螺釘，其最佳工作扭矩范圍為30±2kgf.cm，工作轉(zhuǎn)速500rpm;

2）對于耐落螺釘，其最佳工作扭矩范圍為35±2kgf.cm，工作轉(zhuǎn)速500rpm。

參考文獻(xiàn)：

[1] 陶春虎.緊固件的失效分析及其預(yù)防 [M].北京：航空工業(yè)出版社，2013：33-34.

[2] 張世全.無源互調(diào)干擾導(dǎo)論 [D].西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2014.

[3] 王新穩(wěn)，李萍.微波技術(shù)與天線 [M].北京：電子工業(yè)出版社，2003：193-196.

作者簡介：王普鋼（1982-），男，漢族，湖北隨州人，工程師，研究方向：產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計、產(chǎn)品工藝研究。