杂散辐射功率测量方法

袁世杰 马士平 / 上海市计量测试技术研究院

杂散辐射功率测量方法

袁世杰 马士平 / 上海市计量测试技术研究院

介绍标准规定的传统和改进的测量方法。理论与实际相结合，在测量准确度一致的前提下，比较两种测量方法的优缺点，得到了改进的测量方法比传统的测量方法更快速和高效的结论。对提高测量的专业水平和经济效益、促进行业的发展和科技创新都起到了一定的积极作用。

射频辐射功率；杂散发射；功率替代

0 引言

随着无线通信技术的不断发展，无线电频率的使用日趋频繁，频谱资源的紧缺限制了无线通信的持续发展。为了合理使用频谱资源，让所有无线设备都“有频可用”，必须对频谱资源进行合理划分、对频段进行精确分配，并严格限制通信设备的工作频段和辐射功率大小。

有了完善的法规条款之后，要切实做到对频谱资源的保护和合理利用，就必须对所有产品进行严格管制和监督，使每种类型的产品都在分配的频段内发射，而在频段之外不允许有过大的以至于影响其他设备工作的频率出现。国内的YD系列、GB系列标准，美国的FCC法规，欧洲的ETSI、EN系列标准，以及国际ITU.R类指令都开辟了独立的章节甚至独立的标准编号对辐射功率测试进行细致的描述。无线产品在经过各国海关检查时，都需具备权威实验室或认证机构出具的辐射测试合格报告证书方可销往世界各地。辐射功率测试的重要性由此可见一斑。

1 杂散辐射功率的测量

1.1 功率替代法

国内外标准法规对于通信设备的射频测量方法均是规定先进行样品测试，然后用天线替代，即定义法，俗称“功率替代”法测试。功率替代法可分为扫描抓点和功率替代两个步骤。

测试场地选用全电波暗室，可进行30 MHz至12.75 GHz的测试。接受天线的频率范围在30 MHz到1 000 MHz之间，一般使用超宽带天线，1 000 MHz以上使用波导喇叭天线。替代（发射）天线用于受试设备的功率发射并被接收天线接收进行发射参数的测量，30～1 000 MHz发射时采用偶极子天线，1 000 MHz以上发射时，用喇叭天线。

1.1.1 信号扫描

按照图1进行布置测试场地，受试设备安放于测试支架上，接收天线则在距离3 m外置于与受试设备同等高度处。

图1 第一步：信号扫描

将受试设备置于转台中心，调至正常的工作模式。接受天线通过同轴电缆连接至暗室外面的接收机，保持转台静止，接收机开始读数，将测量天线在受试设备的高度处进行幅度不大的上下偏移，进一步确认受试设备发射最大的位置。最大发射位置确认后，保持天线不动，转台开始缓慢转动360°，测试人员需在测量同时记录所有感兴趣或者可能超标的频率点，并同时记下其出现的角度，以备功率替代时测量。

1.1.2 功率替代

记录感兴趣的频率点和数值之后，进行第二步的功率替代测试。以其中一个频率点为例，假设第一步在频率点F处测出的读数为V。

将第一步时被测的受试设备移走，取而代之的是替代所用的发射天线，发射天线的信号由在暗室外部的信号源通过同轴电缆馈入，如图2所示。将发射天线对准接受天线，打开信号源的射频输出，接收天线开始读数。

图2 第二步：功率替代

将接收机或频谱仪调谐至频率F处，调节信号源输出功率大小，直到收到的值等于V，记录此时信号源输出值的大小，假设为P，则频率点F的替代工作结束。由以下公式可以算出受试设备在频率点F时的真实辐射功率值的大小：

式中：PEUT— 受试设备的辐射功率大小，dBm；

P— 信号源输出功率，dBm；

A— 连接信号源与发射天线的同轴电缆的插入损耗，dB；

G— 发射天线的增益值，单位为dBi或dBd（其中dBi是用理想点源全向天线为参考得出的天线增益dB值；dBd是用半波偶极子的天线增益为参考得出的增益dB值；dBi = dBd + 2.15）

重复以上步骤直到所有在第一步记录下的频率点都被替代，整个测试才算真正完成，同时受试设备是否通过测试（即杂散辐射功率有没有超标）才能得知。

1.2 预校准法

首先，运用电场与功率之间的理论关算进行转化，从而可以得到功率值。

将发射天线（即替代天线）的增益表示为Gt，天线的输入功率表示为Pt（mW），那么可以得到在距离该天线d（单位为m）处的功率密度值S（单位为mW/m2）为

辐射功率测量的一般是远场，而在该条件下，电场矢量E（dBμV/m）和磁场矢量H（mA/m）相互垂直，即：

综合式（1）、（2）、（3）可以得到：

一般发射（替代）天线使用的是半波偶极子天线，偶极子天线的理论增益为Gt= 1.64 dBd，那么辐射功率值Pt为

至此便得到电场与功率之间的理论关系，也就是说只要测到了电场，就能得到功率值。那么在发射天线处发射已知功率，是否也能得到固定的场强值呢？测试前先做场地校准，然后再进行测试。

假设发射信号源输入到发射天线的功率为PTX，接收设备得到的功率值为PRX，信号经过的路径损耗为AL。由以上分析可知，对于固定测试环境内的固定测试距离，AL是稳定不变的。则可得到：

对于测试过程，则需要移项：

显然，校准了AL之后，可以直接测量到样品在距离天线d处的所有频率点的杂散辐射功率的大小值，且无需单点替代。

发射天线是偶极子天线，不同频率点需要调谐不同长度，而预先校准信号经过的路径损耗即空间损耗AL需要在测试的全频段范围内进行，导致极其庞大的工作量，严重影响测试效率。解决方法是用宽带天线替代偶极子天线（图3），并在功率的计算公式中增加修正因子，即宽带天线转化为偶极子天线的增益值。另外，接收机设备测量到的是电压值，需要修正为功率值，因此可得：

式中：ERP— 杂散辐射功率大小，dBm；

接收机读数 — 接收机上的测量值，dB·V；

CL— 线缆损耗，dB；

AL— 信号经过的路径损耗(即空间损耗)，dB ;

107 — 电压值修正为功率值的差值，dB；

Gain— 宽带天线增益值，dBi；

2.15 — 宽带天线增益值dBi转换成偶极子天线增益值dBd的转换系数

图3 宽带天线校准法

校准时，先对接收发天线的电缆，信号源发适当的电平使接收仪器接收，得到一组不大的衰减值。然后分离电缆，安装两幅天线，对齐。重复刚才的操作，得到一组相对较大的衰减值。将两个衰减值相减，即为所要求的空间损耗值AL。有了衰减值AL，便可通过参数补偿直接测量受试设备的杂散辐射功率。

由于本方法包含了各种场地因素，因此测试结果是比较准确的。在一般裕量比较大，比如10 dB的情况下，可以直接判定通过，而在裕量较小，比如1 dB的情况下，仍应采用传统的偶极子功率替代法进行验证。在结果有争议时，还是需要用传统定义法来验证个别有争议的频率点。

1.3 两种测量方法的比较

传统测量方法严格遵循标准要求，测量方法和测试步骤严谨，测量结果准确，测量误差小。缺点是不能在第一时间测得产品发射量大小；不能在整个标准要求的频段内，对信号频谱进行直观的观察；对重复频率小、随时间变化信号的测量准确度差；测试效率非常低，测试速度极其缓慢；测试时间不确定，取决于产品发射量的大小、频率点数的多寡；测量结果难以数字化保存，对于研发阶段的产品的反复测量，很难达到要求；只能测试有限的频率点。

预校准法是相对比较科学的方法，考虑了暗室反射、空间损耗、测试效率等因素，基本上能达到高效测试的目的，有较好的实用性和可操作性（表1）。

表1 两种测量方法的比较

2 结语

本文比较了两种辐射杂散功率测量的方法，并分析其可行性和优缺点，最后确认预校准法较为行之有效，效率高、工作量少、准确度也能保证。电磁兼容实验室在实际的测量工作中已逐步采用预校准法，并得到不断改进和完善。

[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