袁世杰 馬士平 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

雜散輻射功率測(cè)量方法

袁世杰 馬士平 / 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

介紹標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的傳統(tǒng)和改進(jìn)的測(cè)量方法。理論與實(shí)際相結(jié)合，在測(cè)量準(zhǔn)確度一致的前提下，比較兩種測(cè)量方法的優(yōu)缺點(diǎn)，得到了改進(jìn)的測(cè)量方法比傳統(tǒng)的測(cè)量方法更快速和高效的結(jié)論。對(duì)提高測(cè)量的專業(yè)水平和經(jīng)濟(jì)效益、促進(jìn)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(wú)線通信技術(shù)的不斷發(fā)展，無(wú)線電頻率的使用日趨頻繁，頻譜資源的緊缺限制了無(wú)線通信的持續(xù)發(fā)展。為了合理使用頻譜資源，讓所有無(wú)線設(shè)備都“有頻可用”，必須對(duì)頻譜資源進(jìn)行合理劃分、對(duì)頻段進(jìn)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(shí)做到對(duì)頻譜資源的保護(hù)和合理利用，就必須對(duì)所有產(chǎn)品進(jìn)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(guò)大的以至于影響其他設(shè)備工作的頻率出現(xiàn)。國(guó)內(nèi)的YD系列、GB系列標(biāo)準(zhǔn)，美國(guó)的FCC法規(guī)，歐洲的ETSI、EN系列標(biāo)準(zhǔn)，以及國(guó)際ITU.R類指令都開辟了獨(dú)立的章節(jié)甚至獨(dú)立的標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)對(duì)輻射功率測(cè)試進(jìn)行細(xì)致的描述。無(wú)線產(chǎn)品在經(jīng)過(guò)各國(guó)海關(guān)檢查時(shí)，都需具備權(quán)威實(shí)驗(yàn)室或認(rèn)證機(jī)構(gòu)出具的輻射測(cè)試合格報(bào)告證書方可銷往世界各地。輻射功率測(cè)試的重要性由此可見一斑。

1 雜散輻射功率的測(cè)量

1.1 功率替代法

國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)對(duì)于通信設(shè)備的射頻測(cè)量方法均是規(guī)定先進(jìn)行樣品測(cè)試，然后用天線替代，即定義法，俗稱“功率替代”法測(cè)試。功率替代法可分為掃描抓點(diǎn)和功率替代兩個(gè)步驟。

測(cè)試場(chǎng)地選用全電波暗室，可進(jìn)行30 MHz至12.75 GHz的測(cè)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(jìn)行發(fā)射參數(shù)的測(cè)量，30～1 000 MHz發(fā)射時(shí)采用偶極子天線，1 000 MHz以上發(fā)射時(shí)，用喇叭天線。

1.1.1 信號(hào)掃描

按照?qǐng)D1進(jìn)行布置測(cè)試場(chǎng)地，受試設(shè)備安放于測(cè)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(hào)掃描

將受試設(shè)備置于轉(zhuǎn)臺(tái)中心，調(diào)至正常的工作模式。接受天線通過(guò)同軸電纜連接至暗室外面的接收機(jī)，保持轉(zhuǎn)臺(tái)靜止，接收機(jī)開始讀數(shù)，將測(cè)量天線在受試設(shè)備的高度處進(jìn)行幅度不大的上下偏移，進(jìn)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(dòng)，轉(zhuǎn)臺(tái)開始緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)360°，測(cè)試人員需在測(cè)量同時(shí)記錄所有感興趣或者可能超標(biāo)的頻率點(diǎn)，并同時(shí)記下其出現(xiàn)的角度，以備功率替代時(shí)測(cè)量。

1.1.2 功率替代

記錄感興趣的頻率點(diǎn)和數(shù)值之后，進(jìn)行第二步的功率替代測(cè)試。以其中一個(gè)頻率點(diǎn)為例，假設(shè)第一步在頻率點(diǎn)F處測(cè)出的讀數(shù)為V。

將第一步時(shí)被測(cè)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(hào)由在暗室外部的信號(hào)源通過(guò)同軸電纜饋入，如圖2所示。將發(fā)射天線對(duì)準(zhǔn)接受天線，打開信號(hào)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(jī)或頻譜儀調(diào)諧至頻率F處，調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出功率大小，直到收到的值等于V，記錄此時(shí)信號(hào)源輸出值的大小，假設(shè)為P，則頻率點(diǎn)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(diǎn)F時(shí)的真實(shí)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(hào)源輸出功率，dBm；

A— 連接信號(hào)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(diǎn)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(diǎn)都被替代，整個(gè)測(cè)試才算真正完成，同時(shí)受試設(shè)備是否通過(guò)測(cè)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(yùn)用電場(chǎng)與功率之間的理論關(guān)算進(jìn)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(cè)量的一般是遠(yuǎn)場(chǎng)，而在該條件下，電場(chǎng)矢量E（dBμV/m）和磁場(chǎng)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(chǎng)與功率之間的理論關(guān)系，也就是說(shuō)只要測(cè)到了電場(chǎng)，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(chǎng)強(qiáng)值呢？測(cè)試前先做場(chǎng)地校準(zhǔn)，然后再進(jìn)行測(cè)試。

假設(shè)發(fā)射信號(hào)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(hào)經(jīng)過(guò)的路徑損耗為AL。由以上分析可知，對(duì)于固定測(cè)試環(huán)境內(nèi)的固定測(cè)試距離，AL是穩(wěn)定不變的。則可得到：

對(duì)于測(cè)試過(guò)程，則需要移項(xiàng)：

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

發(fā)射天線是偶極子天線，不同頻率點(diǎn)需要調(diào)諧不同長(zhǎng)度，而預(yù)先校準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)過(guò)的路徑損耗即空間損耗AL需要在測(cè)試的全頻段范圍內(nèi)進(jìn)行，導(dǎo)致極其龐大的工作量，嚴(yán)重影響測(cè)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(jì)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(jī)設(shè)備測(cè)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(jī)讀數(shù) — 接收機(jī)上的測(cè)量值，dB·V；

CL— 線纜損耗，dB；

AL— 信號(hào)經(jīng)過(guò)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(shí)，先對(duì)接收發(fā)天線的電纜，信號(hào)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(duì)齊。重復(fù)剛才的操作，得到一組相對(duì)較大的衰減值。將兩個(gè)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(guò)參數(shù)補(bǔ)償直接測(cè)量受試設(shè)備的雜散輻射功率。

由于本方法包含了各種場(chǎng)地因素，因此測(cè)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(guò)，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(jìn)行驗(yàn)證。在結(jié)果有爭(zhēng)議時(shí)，還是需要用傳統(tǒng)定義法來(lái)驗(yàn)證個(gè)別有爭(zhēng)議的頻率點(diǎn)。

1.3 兩種測(cè)量方法的比較

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

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

表1 兩種測(cè)量方法的比較

2 結(jié)語(yǔ)

本文比較了兩種輻射雜散功率測(cè)量的方法，并分析其可行性和優(yōu)缺點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)室在實(shí)際的測(cè)量工作中已逐步采用預(yù)校準(zhǔn)法，并得到不斷改進(jìn)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