淺談RSE測試環(huán)境

董思喬，石慶琳

（國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037）

淺談RSE測試環(huán)境

董思喬，石慶琳

（國家無線電監(jiān)測中心，北京 100037）

本文介紹了RSE測試場地，測試設(shè)備，以及各種設(shè)備在測試過程中的作用，給出了測試距離要求，分析了鏈路中的諧波失真以及補(bǔ)償方法，對測試原理以及測試環(huán)境中的不確定度進(jìn)行了討論。

RSE；測試環(huán)境；設(shè)備檢測

1　引言

RSE（Radiation Spurious Emission）是輻射雜散騷擾的縮寫，是指當(dāng)無線電發(fā)射設(shè)備與非輻射性純阻負(fù)載相連接或者在接收機(jī)狀態(tài)時(shí)，由無線電發(fā)射設(shè)備產(chǎn)生或放大的通過設(shè)備機(jī)殼、電源、控制設(shè)備、音頻各電纜輻射的工作頻率外上的發(fā)射。若無線電發(fā)射設(shè)備在某一頻率上的RSE過大，會導(dǎo)致工作在該頻率上的設(shè)備無法進(jìn)行正常使用，給相關(guān)業(yè)務(wù)的開展造成不良影響。RSE測試是考察無線電發(fā)射設(shè)備性能，從源頭上杜絕有害干擾的重要技術(shù)手段。

理想的測試環(huán)境是客觀準(zhǔn)確考察無線電發(fā)射設(shè)備RSE的重要保障，通過對測試環(huán)境各個(gè)環(huán)節(jié)的分析，能夠明確各個(gè)環(huán)節(jié)在測試過程中所發(fā)揮的作用，以及對測試結(jié)果產(chǎn)生的影響，這對提高測試環(huán)境的搭建水平，保證對無線電發(fā)射設(shè)備RSE進(jìn)行客觀準(zhǔn)確的定量有著重要意義。

2　測試場地

2.1全電波暗室

全電波暗室的作用為RSE測試提供場地，通過全電波暗室可以在有限的場地條件下模擬自由空間環(huán)境。全電波暗室由隔離室和吸波材料構(gòu)成。

隔離室主要有三種形式：三明治式、鋼板模塊式以及鋼板焊接式。三明治式隔離室是由兩層金屬導(dǎo)體夾實(shí)心絕緣體作為基本模塊，在模塊之間用鐵板和螺母連接以構(gòu)成。它具有成本低、裁剪方便、暗室高度可隨意調(diào)整的優(yōu)點(diǎn)；缺點(diǎn)是重量大、牢固性差、隔離度一般并隨時(shí)間惡化明顯。鋼板模塊式隔離室是由具備特殊折彎結(jié)構(gòu)的兩毫米鍍鋅鋼板塊通過螺母直接連接構(gòu)成。它的優(yōu)點(diǎn)是隔離度高且不隨時(shí)間惡化、整體性能最優(yōu)、方便擴(kuò)充和搬遷；缺點(diǎn)是成本高、模塊化結(jié)構(gòu)無法隨意調(diào)整隔離室高度，容易受建造地點(diǎn)高度的限制。鋼板焊接式隔離室是由兩毫米厚鋼板焊接而成，它的優(yōu)點(diǎn)是成本低，對施工人員的技術(shù)要求低；缺點(diǎn)是隔離度差，一旦隔離度出現(xiàn)問題難以解決，無法搬遷。

吸收體主要有三類：鐵氧體、海面吸收體和混合吸收體。鐵氧體主要用于吸收30MHz至1GHz頻段的電磁波，它占用空間小，但重量大，通常的尺寸為長寬各100mm，厚度為6mm，尺寸具有很高的精度。海面吸收體主要用于吸收100MHz至18GHz頻段的電磁波，它的回波損耗由碳含量和結(jié)構(gòu)決定，吸收頻率下限由尺寸決定。混合吸收體是在鐵氧體上懸掛海面吸收體，這種結(jié)構(gòu)主要用于寬頻測試，但它的高頻性能沒有單獨(dú)使用海面吸收體好。

常見的全電波暗室有3米、5米和10米。在測試具體設(shè)備時(shí)，應(yīng)按照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定選擇全電波暗室的大小。若標(biāo)準(zhǔn)中沒有給出具體要求，電波暗室的靜區(qū)應(yīng)盡量滿足輻射遠(yuǎn)場的測試條件，即：

式中，R為輻射遠(yuǎn)場區(qū)的邊界距離；D為接收天線物理口徑的最大尺寸；d為被測設(shè)備發(fā)射天線最大輻射尺寸；λ為發(fā)射設(shè)備的工作頻率。

若被測設(shè)備采用的是電小天線，要附加峰谷起伏判斷共同決定輻射遠(yuǎn)場的距離。若全電波暗室無法使被測設(shè)備和測試天線滿足輻射遠(yuǎn)場條件，至少應(yīng)使被測設(shè)備和測試天線滿足輻射近場條件，并測量完成后通過換算公式得出等效輻射遠(yuǎn)場條件下的測試結(jié)果。

2.2控制室

控制室是與電波暗室相連的隔離室?？刂剖覒?yīng)有良好的隔離度，能夠有效隔離室外無線電信號，這樣就可避免室外無線電信號與饋線接頭產(chǎn)生耦合使部分能量輸入到頻譜儀當(dāng)中，從而對測試結(jié)果產(chǎn)生不良影響。

3　測試設(shè)備

3.1模擬基站

在手機(jī)RSE測試過程中，需要模擬基站與手機(jī)進(jìn)行通信，使手機(jī)進(jìn)入到工作狀態(tài)，模擬基站鏈路通常由手機(jī)綜合測試儀、饋線以及螺旋天線構(gòu)成。螺旋天線放置在電波暗室轉(zhuǎn)臺的正上方，通過暗室接口與饋線相連接，饋線的另一端與綜合測試儀相連接。通過綜合測試儀的模擬基站的功能使手機(jī)與其建立通信，這樣手機(jī)便處在工作狀態(tài)下。若被測設(shè)備是無線接入設(shè)備，則不需要與模擬基站相連接。

3.2切換單元

切換單元由單刀多置的電路開關(guān)、控制單元、若干條屏蔽電路和補(bǔ)償電路組成（如圖1所示）。它的作用是連接各接收天線，屏蔽被測設(shè)備的主信號，補(bǔ)償RSE測試中由于空間損耗而衰減的RSE信號。單刀多置的電路開關(guān)可以在不改變接口與饋線的連接狀態(tài)，同時(shí)能夠變換接收天線、屏蔽電路及補(bǔ)償電路，避免了因變換接口而產(chǎn)生的校準(zhǔn)工作；控制單元按照計(jì)算機(jī)指令對各個(gè)電路開關(guān)進(jìn)行控制，使測試人員通過操作計(jì)算機(jī)測試軟件就可以選擇測試所需要使用的鏈路；屏蔽電路是由一組濾波器組成，通過各濾波器不同的通帶及阻帶用以屏蔽不同的主信號，并保證RSE信號的順利通過；補(bǔ)償電路是由一組放大器組成，通過連接線性范圍不同的放大器補(bǔ)償RSE測試中由于空間損耗而衰減的RSE信號。通過開關(guān)電路接通不同的屏蔽電路和補(bǔ)償電路可以組成不同的測試鏈路，對不同工作頻率下的被測設(shè)備進(jìn)行正常有效的RSE測試。

圖1　RES切換單元結(jié)構(gòu)示意圖

在測試過程中，RSE信號由于空間損耗和鏈路損耗后使頻譜儀捕捉難度增大，為了解決這個(gè)問題，就需要在頻譜儀前增加放大電路對RSE信號進(jìn)行補(bǔ)償。在補(bǔ)償過程中，被測設(shè)備的主信號經(jīng)過放大器后，放大器由于存在諧波失真而產(chǎn)生主信號的高次諧波。同理，二次諧波、三次諧波的RSE信號經(jīng)過放大器后，放大器由于存在諧波失真而分別產(chǎn)生二次諧波、三次諧波的RSE信號的高次諧波，即：

式中，Pn（nf1）為主信號的n次諧波下產(chǎn)生的功率；Pn（nf2）為RSE二次諧波的n次諧波下產(chǎn)生的功率；Pn（nf3）為RSE三次諧波的n次諧波下產(chǎn)生的功率；Gn為放大器增益（n=1）及由于諧波失真導(dǎo)致在n次諧波下的等效增益（n=1，2，3…）；Pf1為被測設(shè)備主信號進(jìn)入放大電路時(shí)的功率；Pf2為被測設(shè)備RSE二次諧波信號進(jìn)入放大電路時(shí)的功率；Pf3為被測設(shè)備RSE三次諧波信號進(jìn)入放大電路時(shí)的功率。整理以上式，得

式中，Pout-f2為經(jīng)過放大器后的RSE二次諧波輸出功率；Pout-f3為經(jīng)過放大器后的RSE三次諧波輸出功率。

由上式可以得知，當(dāng)?shù)诙?xiàng)等于0時(shí)，輸出端產(chǎn)生的RSE信號功率誤差最小，但在實(shí)際測試過程中，Gn是由放大器的系統(tǒng)特性決定，選定了放大器就選定了Gn。為了減小誤差，實(shí)際測試時(shí)應(yīng)使Pf1足夠小，這就需要在放大器前端加入相應(yīng)的濾波器將主信號f1濾除，濾除主信號f1后就可以保證在誤差的允許范圍內(nèi)對RSE信號進(jìn)行放大補(bǔ)償。

加入濾波器后，由于濾波器自身存在過渡帶寬，被測設(shè)備發(fā)射的信號一旦落入過渡帶寬內(nèi)，由于受到濾波器性能的不完全影響會產(chǎn)生失真，從而無法準(zhǔn)確地測出實(shí)際值。為了降低這種影響，濾波器的過渡帶寬應(yīng)盡量設(shè)計(jì)窄些。如果是濾除某一特定的設(shè)備主信號時(shí)，濾波器的過渡帶的陡度應(yīng)大于信號邊緣的陡度。

3.3頻譜儀

頻譜儀共分為兩大類：掃頻式頻譜分析儀和實(shí)時(shí)式頻譜分析儀。

（1）掃頻式頻譜分析儀是具有顯示裝置的掃頻超外差接收機(jī)，主要用于連續(xù)信號和周期信號的頻譜分析。它工作于音頻直至亞毫米波頻段，只顯示信號的幅度而不顯示信號的相位。其工作原理是：本地振蕩器采用掃頻振蕩器，它的輸出信號與被測信號中的各個(gè)頻率分量在混頻器內(nèi)依次進(jìn)行差頻變換，所產(chǎn)生的中頻信號通過窄帶濾波器后再經(jīng)放大和檢波，加到視頻放大器作示波管的垂直偏轉(zhuǎn)信號，使屏幕上的垂直顯示正比于各頻率分量的幅值。本地振蕩器的掃頻由鋸齒波掃描發(fā)生器所產(chǎn)生的鋸齒電壓控制，鋸齒波電壓同時(shí)還用作示波管的水平掃描，從而使屏幕上的水平顯示正比于頻率。

（2）實(shí)時(shí)式頻譜分析儀是在存在被測信號的有限時(shí)間內(nèi)提取信號的全部頻譜信息進(jìn)行分析并顯示其結(jié)果的儀器。主要用于分析持續(xù)時(shí)間很短的非重復(fù)性平穩(wěn)隨機(jī)過程和暫態(tài)過程，也能分析40MHz以下的低頻和極低頻連續(xù)信號，能顯示幅度和相位。傅里葉分析儀是典型的實(shí)時(shí)式頻譜分析儀，其基本工作原理是：被分析的模擬信號經(jīng)模數(shù)變換電路變換成數(shù)字信號后，加到數(shù)字濾波器進(jìn)行傅里葉分析；由中央處理器控制的正交型數(shù)字本地振蕩器產(chǎn)生按正弦變化和按余弦變化的數(shù)字本振信號，也加到數(shù)字濾波器與被測信號作傅里葉分析。正交型數(shù)字式本振是掃頻振蕩器，當(dāng)其頻率與被測信號中的頻率相同時(shí)就有輸出，經(jīng)積分處理后得出分析結(jié)果供示波管顯示頻譜圖形。正交型本振用正弦和余弦信號得到的分析結(jié)果是復(fù)數(shù)，可以換算成幅度和相位。分析結(jié)果也可送到打印繪圖儀或通過標(biāo)準(zhǔn)接口與計(jì)算機(jī)相連。

依據(jù)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，RSE檢測范圍的上限往往大于12.75GHz，所以應(yīng)采用頻率范圍足夠?qū)挼膾哳l式頻譜分析儀。

3.4轉(zhuǎn)臺和天線

轉(zhuǎn)臺的作用是不移動測試天線和被測設(shè)備的條件下，通過旋轉(zhuǎn)被測設(shè)備測量其水平面上每一個(gè)方向發(fā)射信號功率的大小。由于頻譜儀完成一次掃描需要一定的時(shí)間，所以由于轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)過程中，通過采集被測設(shè)備的水平全向中若干個(gè)離散點(diǎn)用以近似表示水平全向，測量的最大值是若干個(gè)離散點(diǎn)中的最大值。在實(shí)際測量過程中：

式中，msum為轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一周時(shí)頻譜儀分析被測設(shè)備水平全向的總次數(shù)；Tcircle為轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)一周的時(shí)間周期；Tsweep為頻譜儀的掃描周期。

由式（9）可知：降低轉(zhuǎn)臺速度和頻譜儀的掃描時(shí)間都可以增加被測設(shè)備的采樣點(diǎn)，使測試精確度提高，但與此同時(shí)會降低測試速度。因此，為了保證測試的精確度與測試速度，應(yīng)把握好轉(zhuǎn)臺速度與頻譜儀掃描速度之間的關(guān)系。

測量天線通常使用線極化的寬帶定向天線，線極化天線通過正交調(diào)整天線姿態(tài)的兩次測量可將所有極化類型的電磁波準(zhǔn)確的接收，有效避免了因極化失配導(dǎo)致的測量誤差。寬帶天線接收頻率范圍廣，兩副寬帶天線可以覆蓋RSE測試所要求的全部頻率范圍。定向天線方向性強(qiáng)，對于主方向來波接受靈敏度高，而對于其他方向來波有很好的屏蔽作用，從而對經(jīng)電波暗室衰減后的多徑反射波在接收天線處再次進(jìn)行衰減，進(jìn)而提高測試精度。

3.5計(jì)算機(jī)及測試控制軟件

使用計(jì)算機(jī)和測試控制軟件可以大大提高測試效率，通過在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行相關(guān)的測試軟件，將需要測試的各種參數(shù)預(yù)先設(shè)置好，運(yùn)行后，計(jì)算機(jī)會控制各個(gè)儀器、轉(zhuǎn)臺和天線自動完成對被測設(shè)備的測試。這樣，測試人員在測試程序運(yùn)行時(shí)可以騰出時(shí)間來對其他被測設(shè)備做一些準(zhǔn)備和后處理工作。但是，由于被測設(shè)備的各種問題導(dǎo)致的測試中斷現(xiàn)象，計(jì)算機(jī)控制的測試系統(tǒng)無法進(jìn)行排除，依然需要人為進(jìn)行故障判定和排除，所以在測試個(gè)別性能不穩(wěn)定的被測設(shè)備時(shí)，計(jì)算機(jī)自動測試便失去了效率優(yōu)勢。

4　測試鏈路分析

4.1測試原理

如圖2所示，被測設(shè)備發(fā)射信號經(jīng)暗室靜區(qū)被天線接收，經(jīng)饋線進(jìn)入切換單元后再進(jìn)入頻譜儀，頻譜儀接收到的RSE信號功率值為：

式中，Pr為頻譜儀接收到的RSE功率值；Pt為被測設(shè)備RSE發(fā)射功率；Lspa為空間損耗；Δ為極化匹配因子；Gr為接收天線增益；Lcab為饋線損耗；Linsert為切換單元插入損耗；Gamp為切換單元中功率放大器增益；C為影響測試結(jié)果的其他因素，如放大器產(chǎn)生的諧波失真、其他信號在饋線接口出產(chǎn)生的耦合等。

圖2　RSE測試原理圖

4.2不確定度計(jì)算

在RSE測試環(huán)境中，人為測量、讀數(shù)誤差、隨機(jī)誤差、測量元件精度、失配損耗、鏈路損耗、環(huán)境溫度變化、電壓變化等因素都會對不確定度產(chǎn)生影響。具體可以表示為：

式中，k為擴(kuò)展系數(shù)；u0為測量功率產(chǎn)生的不確定度；c0為測量功率不確定度的傳播系數(shù)；uc為測量元件產(chǎn)生的不確定度；cc為測量元件不確定度的傳播系數(shù)；um為失配損耗產(chǎn)生的不確定度；cm為失配損耗不確定度的傳播系數(shù)；ul為鏈路損耗產(chǎn)生的不確定度；cl為鏈路損耗不確定度的傳播系數(shù)；ut為溫度變化產(chǎn)生的不確定度；ct為溫度變化不確定度的傳播系數(shù)；uv為電壓變化產(chǎn)生的不確定度；cv為電壓變化不確定度的傳播系數(shù)。

在式（11）中，擴(kuò)展系數(shù)k通常取2，各個(gè)不確定度分量的傳播系數(shù)通常取1。對于測量功率u0、失配損耗um、鏈路損耗ul采用不確定度A類評定，其他分量采用不確定度的B類評定。

5　結(jié)束語

通過對RSE測試環(huán)境進(jìn)行討論，可以進(jìn)一步了解RSE測試對場地和設(shè)備的要求，明白各種設(shè)備在RSE測試過程中的作用，理解各個(gè)環(huán)節(jié)對測試結(jié)果產(chǎn)生積極或消極的影響，掌握整個(gè)測試鏈路的工作原理和導(dǎo)致不確定度變化的原因，這對搭建RSE測試環(huán)境，提高測試效率，改善測試方法有著重要的參考價(jià)值。

The Testing Environment of RSE

Dong Siqiao， Shi Qinglin
（State Radio Monitoring Centre， Beijing， 100037）

The test field， test equipment and utility of test equipment in RSE testing environment are introduced. requirement distance of testing is given. harmonic distortion and the way of compensate are analyzed. the measuring principle and uncertainty of testing environment are discussed.

RSE； testing environment； equipment testing

10.3969/j.issn.1672-7274.2015.03.011

TN92文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1672-7274（2015）03-0046-05

董思喬，男，1984年出生，碩士，現(xiàn)在國家無線電監(jiān)測中心工作。石慶琳，男，1987年出生，碩士，現(xiàn)在國家無線電檢測中心工作。