一线天机“决不做苟且方案”

华为考察

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2010年8月,我被任命为天馈业务部部长,当时真是“压力山大”。

 

天线业务已经连续三年因网上质量问题而发生大规模整改,客户满意度很低,市场一线甚至私下调侃说“珍爱生命,远离天线”,因为卖出去的天线一旦出了问题,不仅给他们带来额外的工作,还会影响其他产品的品牌。在一次业务决策会议上,公司领导严厉地说:最后再给你们三年时间,如果还没有根本改变,就解散天馈业务和团队。

 

我们只能背水一战:要么不做,要么就做最好。我们必须证明自己。

 

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决定做single天线

我们意识到,天线已经错过了3G,不能再错过4G。2010年,LTE开始起步,友商正在为LTE储备三频天线技术,我们该如何弯道超车?跟随永远无法超越,必须要通过创新提升产品竞争力。

 

恰在此时,无线基站产品提出“五频三模”的SingleRAN方案。相应的,未来的天线也必须把原来的多面单频天线集成到一面天线中,实现一面天线支持多频的功能。于是我们提出在2013年一面天线要支持五频三制式,即支持800MHz/900MHz/1800MHz/2100MHz/2600MHz 五个频段,GSM/UMTS/LTE三种通信制式,取名为Single天线。

 

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阿姆斯特丹上空的华为Single天线

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“决不做苟且方案”

2011年9月,公司正式启动Single多频天线的开发。如果说单频天线是长江上游的支流,那么Single多频天线是就长江,奔腾的支流江水(信号)汇入长江,最后奔向茫茫大海。

 

Single多频天线与单频天线相比,其开发难度呈指数级上升,产品架构的设计是第一个拦路虎。最初我们提出两个架构方案:一是把多个频段上下堆叠。这个方案技术难度低,开发速度快,但是性能相比单频天线总和变差;二是把多个频段左右延伸。这个方案技术难度也不大,性能与单频天线总和相当,但是天线尺寸大部署困难。我对这两个方案都不满意,因为它们满足不了客户需求,客户普遍要求Single多频天线性能不下降、部署难度不增加。最后大家达成共识:决不做苟且方案。我们必须有一个更好的架构,确保Single多频天线:扩频不降性能,增频不增尺寸,加端口不加重量。

 

设计团队重新梳理思路,最后提出一个SBS(肩并肩)方案,类似于三峡大坝,分多个出水口,彼此之间隔离,提升水流速度。这是一个非常大胆的设计。

 

2011年11月,我们发起集结号,由现架设部部长“老”肖担任小组长,在3个月内论证SBS方案的可行性。

 

做单频天线开发,因为有经验可借鉴,可以直接做样机开发。但做多频天线,必须先做网络仿真再做样机。于是“老”肖找到性能部专家张博士和Nix,张博团队在上海,Nix团队在西安。当时深圳还没有大型仿真设备,需要深圳团队根据天线架构输出天线参数,传给上海和西安,作为网络仿真的输入。一个网络模型仿真一次需要一周时间。为保证仿真结果的准确性,任何参数的调整都要重来一遍仿真,工作量非常大,因此每一个人都非常有耐心,把每一个细节都要讨论透。“老”肖更是把一周分成几段,上海两天、西安两天、深圳两天,利用晚上时间赶乘飞机。三个月之后,10份完整的仿真数据呈现在大伙面前,上海团队与西安团队的仿真结果完全一致,SBS架构完全可行,其性能比上下堆叠方案提升15%以上,宽度及重量不增加部署难度。前方的路终于被照亮!

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客户与华为天线专家深入研讨设计细节

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“偏偏不信邪”

天线对无源互调的要求非常高,无源互调的输出要求小到如两个地球相碰撞,却只能产生不超过黄豆粒那么大的碎片。而NASA在上世纪发现,在卫星通信中,在射频通道的任何一个金属连接界面上,不同的金属材料、不同的镀层、甚至氧化程度和粗糙度的微小差异,在不同的接触压力下、不同的电流密度和不同的频率下产生的互调响应都是不同的。温度、湿度等各种非人力因素也会影响到天线无源互调指标。

 

无源互调被业界普遍认为是天线行业的门槛,也是国外友商长期占据的技术制高点。由于Single多频天线内部连接点比单频天线多,装配更复杂,可能引起传输非线性的互调源更多,任何一个微小的非线性干扰源都可能产生互调信号。我们必须解决无源互调问题。

 

负责挑战这个问题的是老郭。他做的第一件事情,就是把故障天线拉出来反复敲打,开展海量测试和试验,收集了很多数据,但只是找出了规律,却找不到问题根因,所以无法给出解决方案。老郭一次在阅读一本关于卫星通信互调的书籍时,突然意识到书里有很多基础理论的阐述对项目有用,于是专程飞到西班牙VOLENCIA大学和作者进行了一天的交流。这次交流为后续攻关奠定了重要的理论基础。

 

夜以继日的攻关开始了。螺钉是影响互调指标的一个关键部件,在天线上,螺钉不仅仅是一个紧固件,更是射频通道的一个功能件。在研究螺钉的紧固力矩过程中,我们遭遇了一系列问题:紧固力矩过大是否会造成连接件和紧固系统本身的塑性变形甚至是蠕变?如何在整个产品的设计生命周期内稳定保持这个压力?什么样的紧固工具可以满足这样苛刻的力矩输出要求?不同的金属连接界面的交叉类型很多,无源互调响应如何测试?没有商品化的标准件测试工具,怎么办?……

 

很多人质疑华为能不能解决好无源互调问题,但老郭偏偏不信邪。为解决这些问题,他带领技术团队自制了大量的测试工具,产生了大量专利和特有技术秘密。但这样还是远远不能满足产品开发和交付的进度要求。为了赶进度,我们不能单打独斗,必须“一杯咖啡吸取宇宙的能量”,与业界专家、研究PIM的国际机构、上下游的材料和测试技术公司开展广泛的技术合作,从设计、材料选择、测试、工艺等多个方向努力,一步步地取得了突破。为解决焊接对无源互调的影响,我们聘请国际知名的焊接专家Armin Rahn博士连续3年指导我们进行焊接技术攻关。每一个微小的技术难点都不放过,2000多个日日夜夜,我们携手跨越了无数个技术难关。

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研发团队全神贯注分析问题

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千锤百炼只为一根线

如果说单频天线是一条平静的小河,多频天线就是多条河流交汇,流向错综复杂,暗流涌动。一条小船在小河中可以安全航行,在暗流涌动的大河中就很容易翻船。

 

以前在单频天线中使用良好的电缆,在Single多频天线中,对天线内部电磁环境形成了强烈的电磁干扰,把电缆动一动、弯一下就会导致用户电话噪音、掉线等异常。

 

天线电缆的电磁干扰是一门电缆和电磁的交叉学科,业界没有太多成熟研究。电缆专家与电磁屏蔽相关专家专门针对天线内部电磁场进行仿真分析,并把电缆详细解剖,最后认为必须改善屏蔽层结构。为了重新设计电缆的屏蔽层结构,反复验证了二层屏蔽、三层屏蔽和多层屏蔽,持续了几个月,结果还是存在信号干扰,都没有理想的结果。

 

有一次,部门正在开生日会吃蛋糕,电缆连接器专家小方发现水果奶油蛋糕是一层一层叠加后沾在一起的,又有蛋糕又有奶油又有水果复合在一起。他突然联想到电缆的多层屏结构,为什么不把多层的屏蔽结构复合在一起,做成薄薄的一整层呢?放下蛋糕叫了人赶紧跑到供应商现场,开展设计、试制和测试,样品测试结果出乎意料的好。于是安排量产,等把生产出来的电缆装入到天线中后,居然有一半的天线由于电缆问题导致指标不达标。小方连夜赶到现场开展分析,发现复合屏蔽层的电缆在量产过程中因切面不平整产生屏蔽层散开,直接影响性能指标。

 

就要过年了,大家一头扎进供应商生产线,和产线工人一起对每道工序逐一改进:为解决复合屏蔽层剥线时产生的散开情况,我们帮供应商设计了专用的切割工具;为了避免金属粉尘混入电缆,与供应商讨论重新设计规划了生产线和工位安排。两个月之后,电缆导致的多频天线电磁干扰问题降低为0。

 

前后历时9个多月的攻关,迭代验证了8种电缆结构方案,修改优化了18个版本,制定、完善14道加工工序,申请了2项发明专利、2项实用新型专利。

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为客户讲解华为天线产品

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坚持比别人多前进一步

 

2012年初,看到网上返回的天线外部模块的喷涂层有轻微起泡,我就去找在材料领域做了30多年的胡博士。胡博士说涂层有轻微起泡,在天线使用寿命内铝合金盒子也不会被“攻破”,不会影响模块里面的器件正常工作。但是为了增强产品的品质感和健壮性,打消客户疑虑,胡博士认为还是要解决这个问题。

 

为了让产品有更健壮的“体格”,找到一种适应各种气候和使用场景的方案,材料实验室的科学家们,一直在潜心研究腐蚀相关的材料工艺和应用场景。从2010年开始,专家们开展实地勘测,调查产品应用场景和腐蚀现状:从极寒的俄罗斯、芬兰,到极热的苏丹、尼日利亚;从高湿度的新加坡、马来西亚,到沙尘漫天的埃及、科威特;从高盐份的秘鲁、斯里兰卡等海岛国家,到高硫份的阿拉伯石油国家。两年下来累计去了30多个国家,总计2000多个典型站点。分析凝结的露水、堆积的雪、空调外机的水汽、化工厂的烟尘和污水腐蚀速度的影响和原理,甚至分析了海鸟的粪便、蚂蚁的唾液。我们还在海南专门找了一个盐份最重的地方开辟了一个观测站,放了很多样品,定期去查看腐蚀情况。

 

针对铝合金腐蚀的问题,专家们通过近三个月的检测、分析和讨论,初步判断如果改善材料中微量元素X、Y的含量比例,会较好提升防腐蚀能力,但是合金中各种元素的配比,对材料的防腐蚀性能、加工成型性能、散热性能、机械强度等都有着交错的影响。现有的材料配比经过长期改良,目前已经是行业标准材料。没有十全十美的材料,但如何合理平衡配比,取其所长就异常困难。

 

专家组居于分析,提出了优化的合金配方。胡博士和供应商的工艺工程师李师傅进行了合作。胡博士和李师傅一头扎进铸造车间,进行改模、试模。深圳的夏天,室外温度有30多度,车间里面接近50度,一进车间如蒸桑拿,胡博士和李师傅连续三个多月在现场不断实验和改进。配比验证的过程很艰辛,腐蚀性能提升了,散热又差了;散热解决了强度不过关,就是找不到平衡点。三个月后,终于验证了优化后的配方能使防腐性能提升4倍,但材料流动性尚显不佳,零件粘在模具里,不容易脱出来。胡博建议,在优化模具设计的同时建议改变A、B元素比例,以改善脱模性并提升金属液的流动性。李师傅认为这个方案与传统压铸工艺很不一样。但碍于胡博士的面子,李师傅还是去试了。试了一次后发现,脱模现象真的有明显改观,再调整了几次,接近完美。李师傅很是兴奋。

 

为了新配方新工艺能够应用到不同类型的产品,又历时11个月,在不同产品做了200多次压铸及验证,最终固化了性能和材料配比上的平衡点;把抗腐蚀性能提升4倍,散热能力提升30%,成型能力也更好,真正创造了一种新型铝合金材料。

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给天线瘦身整容

2012年,我们定下了AAU减体积、降重量的目标:天线罩重量减少1/3,天线厚度降低1/3,为此成立了两个攻关组,天线罩减重攻关组由结构专家张博负责,天线厚度降低攻关组由徳国研究所外籍专家Stefan负责。

 

把天线厚度降低1/3,就好比“国字脸”整成“锥子脸”,是一个大整容手术。Stefan接到这个任务后,一直苦思冥想解决之道,一杯接一杯地喝咖啡。在一次方案研讨时,Stefan问大家,为什么电视机能越来越薄?大家回答说是因为显示屏从CRT变成了液晶。这时大家意识到,要把天线厚度降低1/3,仅仅靠结构布局的优化是很难实现的,必须启用新的技术。解决思路越来越清晰了,Stefan团队把影响天线厚度的关键因素识别出来,创新性地提出了把天线辐射单元高度降低1/3的低剖面架构。这次的探索是在“无人区”,没有任何指引,唯有一点一滴的自己摸索。

 

按照新思路做出了样机,但测试效果非常差,Stefan等外籍专家没有放弃,坚信方向是对的,于是重头再来,把仿真模型与实物一点一点对比,经过近五个月的对比分析,终于找到了根因。

 

天线的外罩是天线的“盔甲”,要保护天线在大风、暴雨、暴晒、低温等极端环境下安然无恙,同时不能影响天线的信号,保障良好的电磁性能。传统天线罩是玻璃钢制成的,防护性能和电性能都很好,但是偏重。我们需要找到一种强度、电性能和玻璃钢一样好,但是重量更轻的材料。黎工是高分子材料的技术带头人,他先将目前所有的塑胶原料性能与我们的要求进行对比,发现没有一种材料能够满足我们设想的轻型天线罩材料的要求。黎工拜访了几家国内外领先的高分子材料研究机构和装备厂家,通过交流和评估,一致认为可以以一种原料为基础,调制出新的材料实现轻型天线罩,但要解决很多专业问题才行。于是2012实验室决定与几个合作伙伴联合开发这种轻型天线罩材料和工艺。在达成合作意向后,黎工与各领域的专家马上投入开发。在材料实验室反复研究材料和加工性能,以一种原材料为基础,通过调整塑胶原料和各种添加剂配比,改善性能和加工特性,不断进行测试和优化。这个过程很像家里“和面”,不断调整面粉、酵母、水、油、盐的配比,努力做出一碗大家都喜欢的面。

 

经过一年半,这种轻质新型天线罩原材料被研发出来了,但要把新材料做成天线罩又是一个挑战。

 

在试模的过程中,天线罩生产不是很顺畅,花了两个星期才完成初样。样品一到手,张博就把半圆形的天线罩放在地上,直接踩踏上去,天线罩瞬间被碾平,起身后立马回弹,天线罩没有任何损坏。大家很是振奋。测试部针对样品进行了大量专业试验,却发现在低温冲击试验时存在问题,还需要改善加工工艺。张博和黎工专门跑到厂家现场。厂家的李博士反馈说,大量产品有凹凸、暗线和填充不足的问题。张博和黎工马上在现场进行了分析,确定了冷却、退火、修模等一系列措施,并驻守在机器旁落实改进,一直盯着模具出口处,希望天线罩能顺利挤出。令人兴奋的是,外观良好尺寸合格的轻质新型天线罩正如大家期盼的效果一样呈现出来。经过一周持续挤出验证,可以达到稳定生产的状态,同时重新产出的天线罩在低温冲击试验中性能显著提升,完全满足产品使用要求。

 

天下无难事,只怕有心人。华为AAU持续减重、缩小体积,产品能力已获得客户广泛认可,全球已规模部署,2015年累计发货超过10万件。

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一个人就能轻松举起的天线-Easy Macro

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更长久地活下去

 

经历过,才能深刻理解活下去的含义。围绕客户需求,坚持创新,提供高品质产品和解决方案,持续给客户创造价值,是我们能够活下来的原因:

 

2011年,提出single多频天线,围绕网络性能设计天线;

2012年,推出全系列Single天线解决方案和业界首个Beamforming AAU;

2013年,率先推出EasyRET解决方案和SBS天线架构,引领天线行业;

2013年,率先推出800/900MHz分频5频天线,增频不增尺寸,突破LTE部署的天面瓶颈;

2013年,率先推出FA/D 3D电调天线商用产品,突破TD-LTE网络部署的天面瓶颈;

2014年,率先推出全球首款超宽频劈裂天线,开启了6扇区大规模商用时代;

2015年,率先发布G/D/P系列平台和AAU3961,突破4.5G网络部署的天面瓶颈;

2015年,无源天线实现行业第一的历史超越; AAU发货过10万,开启规模商用时代;

2016年,率先推出实现9扇区劈裂天线、六频4.5G天线的商用;

2016年,率先完成Massive MIMO外场测试,开启5G技术;

2014-2016年,凭借在天线领域创新,连续4次获得全球通信商业(GTB)大奖。

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第四届全球天线暨AAU峰会,意大利罗马

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华为联合沃达丰,德电,法电,西班牙电信发布“天线2020”白皮书

这6年,我们没有辜负期望活了下来,我们还要更长久地活下去。

300天馈业务部2015年年中全员宣讲暨跨越双十攻关表彰大会

 

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