雜散輻射功率測量方法

袁世杰 馬士平 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

雜散輻射功率測量方法

袁世杰 馬士平 / 上海市計量測試技術(shù)研究院

介紹標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的傳統(tǒng)和改進的測量方法。理論與實際相結(jié)合，在測量準(zhǔn)確度一致的前提下，比較兩種測量方法的優(yōu)缺點，得到了改進的測量方法比傳統(tǒng)的測量方法更快速和高效的結(jié)論。對提高測量的專業(yè)水平和經(jīng)濟效益、促進行業(yè)的發(fā)展和科技創(chuàng)新都起到了一定的積極作用。

射頻輻射功率；雜散發(fā)射；功率替代

0 引言

隨著無線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無線電頻率的使用日趨頻繁，頻譜資源的緊缺限制了無線通信的持續(xù)發(fā)展。為了合理使用頻譜資源，讓所有無線設(shè)備都“有頻可用”，必須對頻譜資源進行合理劃分、對頻段進行精確分配，并嚴(yán)格限制通信設(shè)備的工作頻段和輻射功率大小。

有了完善的法規(guī)條款之后，要切實做到對頻譜資源的保護和合理利用，就必須對所有產(chǎn)品進行嚴(yán)格管制和監(jiān)督，使每種類型的產(chǎn)品都在分配的頻段內(nèi)發(fā)射，而在頻段之外不允許有過大的以至于影響其他設(shè)備工作的頻率出現(xiàn)。國內(nèi)的YD系列、GB系列標(biāo)準(zhǔn)，美國的FCC法規(guī)，歐洲的ETSI、EN系列標(biāo)準(zhǔn)，以及國際ITU.R類指令都開辟了獨立的章節(jié)甚至獨立的標(biāo)準(zhǔn)編號對輻射功率測試進行細致的描述。無線產(chǎn)品在經(jīng)過各國海關(guān)檢查時，都需具備權(quán)威實驗室或認(rèn)證機構(gòu)出具的輻射測試合格報告證書方可銷往世界各地。輻射功率測試的重要性由此可見一斑。

1 雜散輻射功率的測量

1.1 功率替代法

國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)對于通信設(shè)備的射頻測量方法均是規(guī)定先進行樣品測試，然后用天線替代，即定義法，俗稱“功率替代”法測試。功率替代法可分為掃描抓點和功率替代兩個步驟。

測試場地選用全電波暗室，可進行30 MHz至12.75 GHz的測試。接受天線的頻率范圍在30 MHz到1 000 MHz之間，一般使用超寬帶天線，1 000 MHz以上使用波導(dǎo)喇叭天線。替代（發(fā)射）天線用于受試設(shè)備的功率發(fā)射并被接收天線接收進行發(fā)射參數(shù)的測量，30～1 000 MHz發(fā)射時采用偶極子天線，1 000 MHz以上發(fā)射時，用喇叭天線。

1.1.1 信號掃描

按照圖1進行布置測試場地，受試設(shè)備安放于測試支架上，接收天線則在距離3 m外置于與受試設(shè)備同等高度處。

圖1 第一步：信號掃描

將受試設(shè)備置于轉(zhuǎn)臺中心，調(diào)至正常的工作模式。接受天線通過同軸電纜連接至暗室外面的接收機，保持轉(zhuǎn)臺靜止，接收機開始讀數(shù)，將測量天線在受試設(shè)備的高度處進行幅度不大的上下偏移，進一步確認(rèn)受試設(shè)備發(fā)射最大的位置。最大發(fā)射位置確認(rèn)后，保持天線不動，轉(zhuǎn)臺開始緩慢轉(zhuǎn)動360°，測試人員需在測量同時記錄所有感興趣或者可能超標(biāo)的頻率點，并同時記下其出現(xiàn)的角度，以備功率替代時測量。

1.1.2 功率替代

記錄感興趣的頻率點和數(shù)值之后，進行第二步的功率替代測試。以其中一個頻率點為例，假設(shè)第一步在頻率點F處測出的讀數(shù)為V。

將第一步時被測的受試設(shè)備移走，取而代之的是替代所用的發(fā)射天線，發(fā)射天線的信號由在暗室外部的信號源通過同軸電纜饋入，如圖2所示。將發(fā)射天線對準(zhǔn)接受天線，打開信號源的射頻輸出，接收天線開始讀數(shù)。

圖2 第二步：功率替代

將接收機或頻譜儀調(diào)諧至頻率F處，調(diào)節(jié)信號源輸出功率大小，直到收到的值等于V，記錄此時信號源輸出值的大小，假設(shè)為P，則頻率點F的替代工作結(jié)束。由以下公式可以算出受試設(shè)備在頻率點F時的真實輻射功率值的大?。?/p>

式中：PEUT— 受試設(shè)備的輻射功率大小，dBm；

P— 信號源輸出功率，dBm；

A— 連接信號源與發(fā)射天線的同軸電纜的插入損耗，dB；

G— 發(fā)射天線的增益值，單位為dBi或dBd（其中dBi是用理想點源全向天線為參考得出的天線增益dB值；dBd是用半波偶極子的天線增益為參考得出的增益dB值；dBi = dBd + 2.15）

重復(fù)以上步驟直到所有在第一步記錄下的頻率點都被替代，整個測試才算真正完成，同時受試設(shè)備是否通過測試（即雜散輻射功率有沒有超標(biāo)）才能得知。

1.2 預(yù)校準(zhǔn)法

首先，運用電場與功率之間的理論關(guān)算進行轉(zhuǎn)化，從而可以得到功率值。

將發(fā)射天線（即替代天線）的增益表示為Gt，天線的輸入功率表示為Pt（mW），那么可以得到在距離該天線d（單位為m）處的功率密度值S（單位為mW/m2）為

輻射功率測量的一般是遠場，而在該條件下，電場矢量E（dBμV/m）和磁場矢量H（mA/m）相互垂直，即：

綜合式（1）、（2）、（3）可以得到：

一般發(fā)射（替代）天線使用的是半波偶極子天線，偶極子天線的理論增益為Gt= 1.64 dBd，那么輻射功率值Pt為

至此便得到電場與功率之間的理論關(guān)系，也就是說只要測到了電場，就能得到功率值。那么在發(fā)射天線處發(fā)射已知功率，是否也能得到固定的場強值呢？測試前先做場地校準(zhǔn)，然后再進行測試。

假設(shè)發(fā)射信號源輸入到發(fā)射天線的功率為PTX，接收設(shè)備得到的功率值為PRX，信號經(jīng)過的路徑損耗為AL。由以上分析可知，對于固定測試環(huán)境內(nèi)的固定測試距離，AL是穩(wěn)定不變的。則可得到：

對于測試過程，則需要移項：

顯然，校準(zhǔn)了AL之后，可以直接測量到樣品在距離天線d處的所有頻率點的雜散輻射功率的大小值，且無需單點替代。

發(fā)射天線是偶極子天線，不同頻率點需要調(diào)諧不同長度，而預(yù)先校準(zhǔn)信號經(jīng)過的路徑損耗即空間損耗AL需要在測試的全頻段范圍內(nèi)進行，導(dǎo)致極其龐大的工作量，嚴(yán)重影響測試效率。解決方法是用寬帶天線替代偶極子天線（圖3），并在功率的計算公式中增加修正因子，即寬帶天線轉(zhuǎn)化為偶極子天線的增益值。另外，接收機設(shè)備測量到的是電壓值，需要修正為功率值，因此可得：

式中：ERP— 雜散輻射功率大小，dBm；

接收機讀數(shù) — 接收機上的測量值，dB·V；

CL— 線纜損耗，dB；

AL— 信號經(jīng)過的路徑損耗(即空間損耗)，dB ;

107 — 電壓值修正為功率值的差值，dB；

Gain— 寬帶天線增益值，dBi；

2.15 — 寬帶天線增益值dBi轉(zhuǎn)換成偶極子天線增益值dBd的轉(zhuǎn)換系數(shù)

圖3 寬帶天線校準(zhǔn)法

校準(zhǔn)時，先對接收發(fā)天線的電纜，信號源發(fā)適當(dāng)?shù)碾娖绞菇邮諆x器接收，得到一組不大的衰減值。然后分離電纜，安裝兩幅天線，對齊。重復(fù)剛才的操作，得到一組相對較大的衰減值。將兩個衰減值相減，即為所要求的空間損耗值A(chǔ)L。有了衰減值A(chǔ)L，便可通過參數(shù)補償直接測量受試設(shè)備的雜散輻射功率。

由于本方法包含了各種場地因素，因此測試結(jié)果是比較準(zhǔn)確的。在一般裕量比較大，比如10 dB的情況下，可以直接判定通過，而在裕量較小，比如1 dB的情況下，仍應(yīng)采用傳統(tǒng)的偶極子功率替代法進行驗證。在結(jié)果有爭議時，還是需要用傳統(tǒng)定義法來驗證個別有爭議的頻率點。

1.3 兩種測量方法的比較

傳統(tǒng)測量方法嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)要求，測量方法和測試步驟嚴(yán)謹(jǐn)，測量結(jié)果準(zhǔn)確，測量誤差小。缺點是不能在第一時間測得產(chǎn)品發(fā)射量大?。徊荒茉谡麄€標(biāo)準(zhǔn)要求的頻段內(nèi)，對信號頻譜進行直觀的觀察；對重復(fù)頻率小、隨時間變化信號的測量準(zhǔn)確度差；測試效率非常低，測試速度極其緩慢；測試時間不確定，取決于產(chǎn)品發(fā)射量的大小、頻率點數(shù)的多寡；測量結(jié)果難以數(shù)字化保存，對于研發(fā)階段的產(chǎn)品的反復(fù)測量，很難達到要求；只能測試有限的頻率點。

預(yù)校準(zhǔn)法是相對比較科學(xué)的方法，考慮了暗室反射、空間損耗、測試效率等因素，基本上能達到高效測試的目的，有較好的實用性和可操作性（表1）。

表1 兩種測量方法的比較

2 結(jié)語

本文比較了兩種輻射雜散功率測量的方法，并分析其可行性和優(yōu)缺點，最后確認(rèn)預(yù)校準(zhǔn)法較為行之有效，效率高、工作量少、準(zhǔn)確度也能保證。電磁兼容實驗室在實際的測量工作中已逐步采用預(yù)校準(zhǔn)法，并得到不斷改進和完善。

[1] The International Electrotechnical Commission. CISPR 16-4: 2002［S］. Geneva： 2002.

[2] American National Standards Institute. ANSI C63.5-2004［S］.New York：2004.

[3] The International Electrotechnical Commission. CISPR 22:2008［S］. Geneva：2008.

[4] European Telecommunications Standards Institute. ETSI EN 301 908-1 V5.21（2011-05）［S］. Nice：2011.

Test method for spurious emission power measurement

Yuan Shijie，Ma Shiping
（Shanghai Institute of Measurement and Testing Technology）

This paper introduces two types of power-substitution test, which is traditional measurement method and improved measurement method. Combining the standards’ requirements and practical experience and maintaining measurement accuracy the same level, this paper compares these two measurement methods, and finds out that the improved measurement method is faster and more efficient than the traditional measurement method. This will play a positive role in promoting the development of the industry and technological innovation and in improving the professional level and economic ef fi ciency of the testing.

RF radiated power；spurious emission；power substitution