無線終端設(shè)備輻射雜散測量技術(shù)研究

陸偉繼 李越鰲 李 偉 王 鑫

（威凱檢測技術(shù)有限公司 廣州 510663）

引言

隨著新時代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展，無線終端產(chǎn)品在人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷嬉呀?jīng)很普及。無線終端產(chǎn)品為人們生活帶來極大便利，受到廣大消費者的歡迎，典型包括智能家居，移動終端等設(shè)備。而輻射雜散是衡量無線終端產(chǎn)品是否符合電磁兼容特性、符合無限大頻譜管理規(guī)范相關(guān)要求的一項重要指標。輻射雜散（簡稱RSE）是指用標準發(fā)射信號調(diào)制的過程中，載頻除外和由于切換瞬態(tài)和調(diào)制在正常的情況下所引起的邊帶以及鄰道以外離散頻率上的輻射。雜散輻射產(chǎn)生的諧波分量、交調(diào)信號等因素可能是由一些非線性元器件組成。

當前，世界各國在對無線終端類設(shè)備都有市場準入規(guī)則進行無線電頻譜管理，如中國的型號核準、美國的FCC認證、歐盟的RED認證，均要求對該項指標進行測試。

1 輻射雜散分析

在無線電設(shè)備測量中，雜散輻射測試如果達不到標準的范圍內(nèi)，那么它將會影響到其他設(shè)備的正常工作，所以說測試雜散輻射對于各種通信設(shè)備來說是非常重要的。按照輻射本質(zhì)來分析，輻射功率主要可以分為主頻功率、帶外輻射功率和雜散輻射功率。

主頻發(fā)射功率（carrier emissionpower）一般是指設(shè)備在正常的工作狀態(tài)所使用的頻率且產(chǎn)生的射頻能量，這種有用信號是設(shè)備工作時產(chǎn)生的[1]；

帶外發(fā)射功率（out-of-band emissionpower）是在調(diào)制過程中且以超出必要帶寬之外的單個或多個頻率發(fā)射，除輻射雜散之外[1]。

雜散發(fā)射功率（spurious emissionpower）是指在有效帶寬之外所產(chǎn)生的一系列或者某個發(fā)射的頻率點。因此，其在不影響信息傳輸?shù)倪^程中，發(fā)射的電平大小可以調(diào)整。雜散輻射包括諧波發(fā)射、寄生發(fā)射、變頻產(chǎn)物和互調(diào)產(chǎn)物的過程，除帶外輻射之外[1]。

根據(jù)輻射雜散的定義，帶外輻射是產(chǎn)品在工作載波頻率2.5倍寬度左右以內(nèi)的輻射，而雜散輻射是產(chǎn)品在工作載頻2.5倍寬度左右以外的輻射[3]。目前有很多特殊類產(chǎn)品的載波設(shè)備，由于載頻設(shè)備的工作方式、調(diào)制方式和帶寬比較寬的特殊情況，需要特殊原因特殊分析進行適當修改，因此導(dǎo)致不適用2.5倍法則。

按照以上三類雜散輻射的功率測量，在我們?nèi)粘Ｉ钪惺亲顬殛P(guān)注的問題，在其他通信設(shè)備工作和頻譜資源的有效利用中，雜散輻射對它們的影響是非常大的一種輻射，因此本文將圍繞雜散輻射功率展開的主要內(nèi)容。

目前對測試方法在國內(nèi)外法規(guī)有明確的規(guī)定[1,2,4]，而“功率替代”法測試，對于無線通信設(shè)備規(guī)定先測試樣品再用天線替代的輻射雜散測試方法，該方法無論是美國、歐洲還是國內(nèi)都用這樣的標準法規(guī)。這種方法不能在短時間內(nèi)測試出設(shè)備的發(fā)射量大小且頻段不在測試標準要求內(nèi)，從而能直接的觀察頻譜信號；對頻率重復(fù)率較低、信號隨時間變化測試不準確且測試速度慢和效率低；由于產(chǎn)品設(shè)備發(fā)射頻點數(shù)的多少會導(dǎo)致測試時間不穩(wěn)定；而測試數(shù)據(jù)不準確，是對產(chǎn)品設(shè)備在研發(fā)中反復(fù)測試無法達到實際的理想要求。因此，只能少量頻率的有限測試。

2 測試方法

2.1 電波暗室選擇

電波暗室（Anechoic Chamber）通常在暗室的設(shè)計功能上和雜散輻射的試驗中，測試場地分為三種，分別是全電波暗室、半電波暗室和開闊場。而這三種試驗場地是符合電磁波在自由空間的傳播規(guī)律的情況下測試雜散輻射。其中電波暗室是一個特殊屏蔽設(shè)計的六面體暗室，在內(nèi)部的四周墻壁、天花板和地板都鋪蓋上電磁波吸收材料，有效防止電磁波的射入和使其散射衰減，同時也有利于提高暗室的低頻性能，其建造場地跟地域無關(guān)；而開闊場是平坦、空曠、且有良好的導(dǎo)電率以及無任何反射物的圓形場地，由于其建造場地比較特殊，一般選擇在野外等空曠、平坦的清潔電磁環(huán)境場所。由于電磁波傳播的特性不同，同時也呈現(xiàn)出三種暗室不同的特點。在測試場地不同需要對應(yīng)不同的法規(guī)標準進行測量，而半電波暗室是開闊場的替代場地，因此可以直接沿用開闊場的測量方法。半電波暗室天線接收到的輻射功率值是受天線高度、測試距離核頻段以及樣品大小的影響，因為其輻射功率值是由直接波與反射波的矢量和疊加而成的。由于雜散輻射功率測量樣品的直射功率是在無反射無限空間內(nèi)進行測試，所以雜散輻射功率測試選擇在全電波暗室室內(nèi)測試是比較理想的場地。

2.2 直接法測量

2.2.1 校準方法

在對無線移動通信終端設(shè)備進行輻射雜散測試前應(yīng)對測試場地全電波暗室的空間鏈路損耗進行校準。其基本校準方法普遍采用替代法進行校準，布置如圖1，其基本方法如下：

圖1 功率替代法布置圖

首先，需要具備信號源、覆蓋相應(yīng)發(fā)射頻段的標準發(fā)射天線（天線增益為已知），接收天線及接收測試設(shè)備如測量接收機或者頻譜儀設(shè)備?；九渲萌缦拢?/p>

通常而言，一般實驗室采用的測試場地為3米法全電波暗室進行測試，對空間鏈路損耗采用替代法進行校準，具體步驟如下：

第一步，信號源發(fā)射一定的電平信號S，連接上發(fā)射和接收天線進行測試，在測試接收機或者頻譜儀上獲得測量值為A。則有

式中：

S—信號源發(fā)射信號電平，單位為dBm；

C—線纜損耗，單位為dB；

Gt—發(fā)射天線增益，單位為dBi或者dBd；

A—接收機或者頻譜儀上讀值，單位為dBm；

F—系統(tǒng)補償，單位為dBm。

2.2.2 測試方法

發(fā)射雜散輻射的測試基本配置如圖2所示。按照相關(guān)規(guī)范要求通過無線綜合測試儀（模擬基站）與無線通信終端通過無線方式建立通信鏈路。模擬基站的信號應(yīng)適中，不應(yīng)對測試結(jié)果判定造成影響。

圖2 在全電波暗室輻射雜散測試基本布置圖

被測設(shè)備（EUT）無線通信終端放置于全電波暗室轉(zhuǎn)臺中心位置。接收天線通常為寬帶天線，天線高度為被測物（EUT）物理中心高度。測試轉(zhuǎn)臺0～360 °旋轉(zhuǎn)，接收天線分別對水平極化和垂直極化進行測量。

利用前期校準的步驟獲得的全電波暗室的系統(tǒng)補償值進行修正，可以測量出無線通信終端的輻射雜散值。

3 輻射雜散的影響因素

輻射雜散指標的測試是衡量無線移動通信終端設(shè)備無線頻譜性能的重要指標之一，本章將從溫度、轉(zhuǎn)臺步進以及放置測試桌材料三個因素來對輻射雜散測試結(jié)果的影響進行分析。

3.1 溫度對輻射雜散影響

本文主要研究無線終端設(shè)備的輻射雜散測試，其無線射頻模塊的電路都是由線性元器件和非線性元器件組成。當非線性元器件從通電到斷開的過程中，電路的工作周期會發(fā)生溫度變化且導(dǎo)致性能同時發(fā)生變化。因此，非線性元器件的射頻電路的變化是隨著其性能的變化而變化，而溫度的變化會對非線性元器件產(chǎn)生一定的影響，以下是對溫度因素的分析：

非線性元器件的阻抗值不為定值，而阻抗值是由溫度或者外界其因素的變化而變化。當信號輸入非線性元器件系統(tǒng)并通過之后，導(dǎo)致產(chǎn)生其他頻率引起輸出信號的波形發(fā)生改變。由于射頻電路產(chǎn)生的單倍頻諧波和雙倍頻諧波，是因其電路的非線性特性和半導(dǎo)體元器件導(dǎo)致的。

在試驗的過程中，當被測設(shè)備在長時間不斷發(fā)射信號的情況下，其內(nèi)部的元器件會導(dǎo)致溫度上升，因此，根據(jù)以上分析溫度變化會對被測設(shè)備的測試結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

本次試驗是在其他測試環(huán)境不變的條件下使用同1個樣品進行不同轉(zhuǎn)臺角度的測試，詳細測試流程如下：

1）測試開始進行，將樣機通電，并調(diào)試完成。通過軟件得知，此時EUT內(nèi)部溫度為45 ℃。對EUT進行6次測試，取6次測試結(jié)果的平均值，輻射雜散測試結(jié)果合格，結(jié)果為-60.61 dBm。

2）測試進行10 min時，通過軟件得知，此時EUT內(nèi)部溫度為50 ℃。對EUT進行6次測試，取6次測試結(jié)果的平均值，輻射雜散測試結(jié)果合格，結(jié)果為-59.25 dBm。

3）測試進行15 min時，通過軟件得知，此時EUT內(nèi)部溫度為57 ℃。對EUT進行6次測試，取6次測試結(jié)果的平均值，輻射雜散測試結(jié)果合格，結(jié)果為-62.67 dBm。

4）測試進行20 min時，通過軟件得知，此時EUT內(nèi)部溫度為64 ℃。對EUT進行6次測試，取6次測試結(jié)果的平均值，輻射雜散測試結(jié)果合格，結(jié)果為-58.24 dBm。

5）測試進行25 min時，通過軟件得知，此時EUT內(nèi)部溫度為80 ℃，對EUT進行6次測試，取6次測試結(jié)果的平均值，輻射雜散測試結(jié)果合格，結(jié)果為-48.25 dBm。

6）測試進行30 min時，通過軟件得知，此時EUT內(nèi)部溫度為100 ℃，對EUT進行6次測試，取6次測試結(jié)果的平均值，輻射雜散測試結(jié)果為-37.45 dBm。

7）樣機斷電停止信號發(fā)射五分鐘后，通過軟件可以得知樣機的內(nèi)部溫度為52 ℃。

8）樣機重新上電，讓樣機發(fā)射信號，對EUT進行6次測試，取6次測試結(jié)果的平均值，測試結(jié)果為-61.24 dBm。

最終測試結(jié)果如表1所示。

表1 溫度測試結(jié)果

由此判斷，在被測設(shè)備工作時間長，內(nèi)部溫度高的情況下，其非線性元器件的性能也會產(chǎn)生變化，從而影響了輻射雜散功率值的大小。當被測設(shè)備的內(nèi)部溫度變化不大，影響輻射雜散的功率值較??；當被測設(shè)備的內(nèi)部溫度變化較大，影響輻射雜散的功率值會不斷加大。

3.2 轉(zhuǎn)臺步進對輻射雜散影響

實驗室在電磁兼容測試中為縮短測試時間、減少測試工作量，均采用自動測試方式進行。在測試設(shè)置步進時采用15 °、30 °、45 °或者90 °的測試步進。但在實際測試過程中，由于被測物（EUT）的雜散發(fā)射信號是未知的，固定角度進行測試存在極大的風(fēng)險，可能無法符合測試規(guī)范的本意找到最大的雜散發(fā)射信號。以下將對轉(zhuǎn)臺步進角度進行分析：

本次試驗是在其他測試環(huán)境不變的條件下使用同1個樣品進行不同轉(zhuǎn)臺角度的測試，對EUT進行6次測試，取6次測試結(jié)果的平均值。具體測試過程如下：

1）測試開始，將樣機通電，并調(diào)試完成。設(shè)置測試步進為15 °，輻射雜散測試結(jié)果為-54.35 dBm；

2）測試開始，將樣機通電，并調(diào)試完成。設(shè)置測試步進為30 °，輻射雜散測試結(jié)果為-58.62 dBm；

3）測試開始，將樣機通電，并調(diào)試完成。設(shè)置測試步進為45 °，輻射雜散測試結(jié)果為-61.43 dBm；

4）測試開始，將樣機通電，并調(diào)試完成。設(shè)置測試步進為90 °，輻射雜散測試結(jié)果為-63.17 dBm；

5）測試開始，將樣機通電，并調(diào)試完成。設(shè)置測試步進為1 °，輻射雜散測試結(jié)果為-51.38 dBm；

6）測試開始，將樣機通電，并調(diào)試完成。設(shè)置測試步進連續(xù)角度，輻射雜散測試結(jié)果為-52.09 dBm；

最終結(jié)果如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)臺步進測試結(jié)果

由以上結(jié)果可以判斷，轉(zhuǎn)臺步進對輻射雜散的測試結(jié)果影響比較明顯。使用步進較大的方法測試的時候，不能夠準確的捕捉到輻射雜散的最大輻射功率所在的角度，因此，建議在測試時采用1度步進的方式或者連續(xù)角度方式進行準確的測量。

3.3 測試桌材料對輻射雜散影響

由于在空氣中存在一定的介電常數(shù)來源于測試桌的材質(zhì)，對于測試桌的桌面會吸收部分和反射輻射干擾源的電磁波，從而導(dǎo)致輻射雜散的測試數(shù)據(jù)不準確或偏差。目前有部分實驗室的測試桌還使用木桌，對輻射干擾測試結(jié)果的影響范圍較大，木桌本身的介電常數(shù)較大，具有較強的吸濕性，容易導(dǎo)致變形，而溫度和含水量的增加是隨著木桌的介電常數(shù)的不斷增大，且絕緣性能也收到影響。對于聚苯乙烯泡沫相比木桌較好的特性，其本身具有較低的介電常數(shù)和吸濕性，以及穩(wěn)定性比較高和較好的絕緣性等特點，有利保證測試結(jié)果的有效性和準確性。

本次實驗使用同一個樣品進行木桌、聚苯乙烯泡沫桌和無測試桌的對比測試。

采用小型泡沫作為支撐體模擬無測試桌體（模擬空氣）放置EUT。

保持其他測試環(huán)境條件不變，對EUT進行6次測試，取6次測試結(jié)果的平均值。具體測試過程如下：

1）測試開始，將樣機通電，并調(diào)試完成。將EUT放置在木桌上，輻射雜散測試結(jié)果為-62.38 dBm；

2）測試開始，將樣機通電，并調(diào)試完成。將EUT放置在聚苯乙烯泡沫桌上，輻射雜散測試結(jié)果為-54.43 dBm；

3）測試開始，將樣機通電，并調(diào)試完成。在無測試桌的情況下，輻射雜散測試結(jié)果為-53.21 dBm；

最終測試結(jié)果如表3所示。

表3 測試桌材料測試結(jié)果

由以上對比結(jié)果可知，測試桌的材料對輻射雜散的測試結(jié)果影響較為明顯。測試時，應(yīng)使用介電常數(shù)低、耐潮濕性、絕緣性優(yōu)良和穩(wěn)定性高的測試桌。

4 結(jié)束語

綜上所述，通過對溫度、轉(zhuǎn)臺步進以及放置測試桌材料三個因素來對無線通訊產(chǎn)品測量輻射雜散測試結(jié)果的對比分析表明，這三個因素對輻射雜散的測試結(jié)果影響都較為明顯。本文的對比研究的結(jié)果，對測試數(shù)據(jù)的不確定度有利于分析和評估測量輻射雜散的檢測結(jié)果，從而有助于研究輻射雜散的測量有效性具有一定的參考價值。