王普钢 王大明 杜艳伟
摘 要：随着通信行业从2G、3G到4G，再到未来的5G的发展，通信天线也随之不断地更新换代。高速高质量的通信需要高性能的天线来支持，高指标的三阶互调天线不仅是未来通信质量和速度的保证，更是代表一个企业和一个公司工艺控制、研发水平甚至企业创造力的重要指标之一;本项目重点研究在通信天线制造过程中最常用最多的连接方式——M4螺钉紧固力矩与三阶互调的关系。
关键词：M4螺钉;紧固力矩;通信天线;三阶互调
中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：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
随着通信快速发展，对作为通信中间联络枢纽的通信天线的指标要求越来越高。2G时代对天线的互调几乎无要求，3G时代才引入互调的概念并对其做初步控制，4G时已经有一套成熟的控制分级机制，从2G、3G时代的三阶互调为-90dBm级到目前普遍的-110dBm级，期间如何做到稳定的高互调指标要求的天线就是目前我们的研究重点。
1 实验方案设计
1.1 概述
三阶互调与螺钉的非线性接触有直接的关系。以前在定义螺钉扭矩与拧紧转速时，只是测量了产品静态的三阶互调表现，结论是：对于M4螺钉，扭紧力矩为18～22kgf.cm，拧紧转速1200rpm时，便可保证螺钉连接部位不产生高互调。而在产品的生命周期内，总会不可避免地受到各种振动影响，所以需要评估产品拧紧后，在振动过程中的互调表现。
考虑到产品连接有多种方式，我们评估最极端的情况：只用一颗M4螺钉连接器件的情形。所以我们选用RK06振子作为验证的样本载体，测试产品1800MHz时的互调表现。
1.2 研究方向
验证M4螺钉的拧紧转速对产品互调的影响，同时验证M4螺钉的拧紧力矩对产品互调的影响。
1.3 工具选型
由于不清楚螺钉转速与螺钉力矩是否会独立影响产品互调表现。所以采用完全要素验证，即将现有的转速与螺钉扭矩的表现水平历遍。
现有的工具转速有500rpm、900rpm，所以设置三种水平的转速：30rpm（手拧）、500rpm（电批）、900rpm（气批）。
1.4 扭矩精度
据三阶互调的接触非线性影响理论，我们知道扭矩越大（即接触压强越大），互调越好。但我们同时应该考虑到螺纹孔材质的塑性变形及蠕变，超过一定扭矩后，螺钉拧紧提供的接触压强会下降。我们现有的M4螺钉扭矩为18kgf.cm，所以计划从18kgf.cm开始，逐步增大扭矩（步进3～5kgf.cm，此亦为紧固工具的扭矩精度），直到互调开始变差。
1.5 保证有效
另一方面，我们也要确认各种螺纹材质的破坏扭矩，以确认螺钉扭矩的安全性（一般安全系数为1.4～1.6），避免发生螺纹材质塑性变形及蠕变。
1.6 所需工具
实验所需工具及数量如表1所示。
1.7 所需物料
实验所需物料及数量如表2所示。
2 实验步骤过程
2.1 测试不同扭矩下的互调值
Step1：校验系统（互调仪点检与扭矩点检）;
Step2：设定扭力值，将振子装配到底板上，并布好线;
Step3：测试振子互调;
Step4：振动产品，并记录振动中的互调值;
Step5：记录产品测试后的数据;
Step6：更新参数（扭矩、转速、螺钉规格），重新从Step2开始;
Step7：每2小时，重复Step1。
2.2 测试常见材质的破坏扭矩
Step1：选定器件;
Step2：确认螺纹孔的公差;
Step3：准备好工具，并校验确认工具状态;
Step4：逐步加大扭矩，并记录下螺纹破坏时的力矩值;
Step5：重复上述步骤，以取得足够的样本数据。
3 数据记录与处理
3.1 螺纹破坏扭矩确认
为了其验证的可靠性，我们要先取得不同材质螺钉的破坏扭矩，如表3所示，同时也要取得不同材质螺钉发生弹性变形时所对应的扭矩，如表4所示，以保证在验证过程中各种螺钉在使用时是没有失效的。
从表3、表4中可以看出：
（1）组合螺钉的失效扭矩为45kgf.cm，其失效形式为十字槽打滑。考虑安全系数应为1.5，则组合螺钉的安全工作扭矩为30kgf.cm。如果要继续增加工作扭矩，则必须更换槽型。实际上，我们通过螺钉弹性变形的情况可知，螺钉的最大安全工作扭矩为57kgf.cm;
（2）对于耐落螺钉，其破坏扭矩为62～68kgf.cm，失效形式为螺纹孔滑牙。考虑安全系数应为1.5，则耐落螺钉的最大安全工作扭矩为41～45kgf.cm;
（3）对于使用星形槽的普通螺钉，其破坏扭矩为63～68kgf.cm，失效形式为螺钉头断。同耐落螺钉，其正常工作的最大安全扭矩为41～45kgf.cm。如果要继续增大扭矩，需要考虑提升螺钉材质的强度。
3.2 组合螺钉互调测试
为了得到30kgf.cm以上的数据，在试验过程中扭滑了很多十字槽螺钉，尤其是在进行40kgf.cm扭矩的试验时，拧了22颗螺钉，才得到4颗没有滑牙的，以完成数据的收集，试验得到的组合螺钉互调动态验证结果如表5所示，其中，深色区域表示此条件下互调值相对稳定。
从表5中可以看出几个结论：
（1）组合螺钉的最佳互调表现依赖于螺钉紧固扭矩与紧固转速。转速越高，则需要越大的扭矩才能保证低互调表现;
（2）500rpm时，互调整体表现优于其他两种转速水平。且其在扭矩为28kgf.cm时就能够得到比较稳定的互调水平;
（3）当螺钉在用900rpm转速扭紧时，为达到低互调水平，需要保证扭矩大于33kgf.cm;
（4）我们认为对于M4的组合螺钉，以500rpm转速扭 紧，保证扭矩为30±2kgf.cm，便可得到优异的低互调表现。
组合螺钉在不同扭矩和不同工具转速下互调值变化表现如图1所示。图中圆点位置表示互调初始水平，圆点大小表示动态互调稳定性。圆点越靠上，互调值越优;圆点越小，互调越稳定，圆点的浅色代表理想值，深色代表较差值。图中的实线代表通信行业的标准，三阶互调指标<-115dBm的天线为精品。
3.3 耐落螺钉互调测试
耐落螺钉互调动态验证结果如表6所示，其中，深色区域表示此条件下互调值相对稳定。
从表6中可以看出几个结论：
（1）耐落螺钉的最佳互调表现依赖于螺钉紧固扭矩与紧固转速。其最佳工作转速为500rpm;
（2）500rpm时，互调整体表现优于其他两种转速水平。且其在扭矩为35kgf.cm时就能够得到比较稳定的互调水平;
（3）当螺钉在用900rpm转速扭紧时，产品互调表现较差，且互调平均波动达到1.8dBm;
（4）我们认为，现阶段条件下，如果不考虑产品的防松，现有耐落螺钉不是一个最佳的紧固件选择。
耐落螺钉在不同扭矩和不同工具转速下互调值变化表现如图2所示。
4 结 论
（1）螺钉的互调表现水平与螺钉紧固的速度和紧固的扭矩同时相关。在不同的转速下，要达到优异互调表现水平所需要的扭矩各不相同。简单的对照表如表7所示。
（2）如果我们仅考虑转速的维度，在低转速下有利于实现低互调水平。结合表1—表5，同时评估作业效率，我们认为，螺钉紧固的最佳工作转速为500rpm。
（3）螺钉不同扭矩时，其互调表现水平是有差异的。所以实际中，需要严格控制扭矩的波动。一般紧固工具的扭矩精度为3%～5%。因此，扭矩误差可按±2kgf.cm来要求。结合此可以得到：
1）对于组合螺钉，其最佳工作扭矩范围为30±2kgf.cm，工作转速500rpm;
2）对于耐落螺钉，其最佳工作扭矩范围为35±2kgf.cm，工作转速500rpm。
参考文献：
[1] 陶春虎.紧固件的失效分析及其预防 [M].北京：航空工业出版社，2013：33-34.
[2] 张世全.无源互调干扰导论 [D].西安：西安电子科技大学出版社，2014.
[3] 王新稳，李萍.微波技术与天线 [M].北京：电子工业出版社，2003：193-196.
作者简介：王普钢（1982-），男，汉族，湖北随州人，工程师，研究方向：产品结构设计、产品工艺研究。
