辐射发射全电波暗室测试方法分析

张峰， 戚露兴， 吴淑忠

（中兴通讯股份有限公司， 广东 深圳 201203）

0 引言

目前行业里的辐射发射通常是在半电波暗室（SAC： Semi Anechoic Chamber） 内进 行低频段（30 MHz~1 GHz） 的测试， 高频段（1 GHz 以上）的测试则需要在SAC 的地面上人工铺设吸波材料[1-4]， 这中间的搬移容易造成吸波材料损坏，且增加了测试时间。 若能够证明可以在全电波暗室（FAR： Full Anechoic Room） 进行全频段的辐射发射测试， 那么将会带来极大的便利性。 CISPR 32∶2015[1]对低频段的辐射发射测试要求中不仅有SAC 的限值要求， 同时也增加了FAR 测试的限值要求， 为测试提供了依据。 此外， 与业界权威认证机构沟通交流的结果是可以接受在FAR 中进行辐射发射测试， 但前提是场地需要进行自由空间归一化场地衰减 （ FNSA） 和场地电压驻波比（SVSWR） 的计量校准， 结果合格且EUT 布置满足标准要求。 基于此， 对标准内容进行了详细的研究分析。

1 全电波暗室用于辐射发射测试的计量要求

1.1 自由空间归一化场地衰减（FNSA）

CISPR 16-1-4∶2019[5]中规定了辐射发射FAR 的FNSA 计量方法： 在3 m 间距， 30 MHz~1 GHz 的范围内， 分别以水平和极化方式测量， 接收天线的高度固定在1.5 m， 发射天线置于转台中心的中、 前、 后、 左、 右5 个位置， 并分别在0.75、 1.5 和2.25 m 3 个高度进行测试， 构成如图1 所示的圆柱形测试空间。 要求测得的NSA 和标准理论值之差在±4 dB 之内即为合格。

图1 自由空间的NSA 法的试验布置

1.2 场地电压驻波比（SVSWR）

根据CISPR 16-1-4∶2017 中对于FAR 场地的SVSWR 的计量要求， 天线需要分别在1、 2 m 的高度上进行测量， 在测量时需要保持发射天线和接收天线高度一致。 天线之间间距为3 m， 在1~18 GHz范围内， 分别对水平和垂直两个极化方向进行测量。 发射天线置于转台中心的前、 中、 左、 右4 个位置， 每个位置包含6 个测试点， 构成如图2 所示的圆柱形测试空间。 需要沿着发射天线和接收天线之间的视轴线移动发射天线到标准规定的试验点， 然后计算这些点的SVSWR， 小于等于±6 dB 即为合格。 如果使用在SAC 地面铺设吸波材料转换为FAR 后能满足计量要求， 也可以在此场地进行测试。

图2 场地电压驻波比试验布置

2 全电波暗室用于辐射发射测试的标准要求

2.1 测试场地要求

CISPR 32∶2015 针对1 GHz 以下和1 GHz 以上的辐射发射的具体要求如表1-4 所示， 标准中对于测试的频段、 场地、 天线高度、 检波方式、 带宽和限值都有明确的说明。

表1 1 GHz 以下Class A 限值要求

表2 1 GHz 以下Class B 限值要求

表4 1GHz 以上Class B 限值要求

可以看出： 对于1 GHz 以下的测试场地， 表1-2 提到了FAR 的测量限值， 这就意味着标准允许在FAR 下进行1 GHz 以下的辐射发射测试； 至于1 GHz 以上的测试场地， 通常情况下是在SAC的地面上铺设吸波材料， 但是在表3-4 中提到的测试场地可以为FSOATS。 从CISPR 32∶2015 针对FSOATS 和FAR 的描述中可以得出： FSOATS 可以是FAR， 也可以是参考地平面上铺设了吸波材料的SAC/OATS， 因此也可以使用FAR 进行1 GHz以上的辐射发射测试。

表3 1 GHz 以上Class A 限值要求

2.2 布置要求

在CISPR 32∶2015 中， 对于在FAR 中的测试布置有以下要求： 对于离开测试区域的线缆需要在水平方向上至少暴露0.8 m， 在垂直方向上距离测试框底部最小0.8 m， 再从转台离开测试中心， 测试布置可以使用垫板来提高整个EUT 区域， 如图3 所示。 其他布置要求可以参考OATS/SAC/FSOATS 中的要求。 CISPR 32∶2015 给出的台式设备在FAR 中进行辐射发射测试的典型布置如图4所示。

图3 EUT 线缆布置示意图

图4 CISPR 32 台式设备的测试布置示意图

在FAR 中， 所有的测试高度都是参考测试框的底部， 通常为转台的顶部， 若地面吸波材料铺到了转台上方， 则测试框的底部为转台上方吸波材料的顶部， 测试框边缘应距离四周吸波材料最小0.5 m， 该要求与CISPR 16-2-3[6]的要求一致，其台式设备测试的典型布置如图5 所示。 CISPR 16-2-3 中指明了在FAR 的测试中， 可以使用支架将EUT 区域整体抬高， 使整个EUT 区域落在校准区域中， 该测试框要求在1.5、 2.5、 5 m （分别对应3、 5、 10 m 的测试距离） 的高度上计量。 接收天线高度应与该测试框的中心点保持一致。 此外,针对线缆长度超过1.6 m 的部分应摆放在测试区域外， 而当线缆长度小于1.6 m 时， 应分别将线长的一半置于水平方向， 一半置于垂直方向。 立式设备则要求放置在一块厚度为12 cm （介于10~14 cm之间） 的托板上， 线缆摆放也要满足EUT 框内水平和垂直方向上的暴露长度为80 cm。

图5 CISPR 16-2-3 FAR 试验空间内台式设备的典型试验布置

3 测试要求

3.1 CISPR 32 的测试要求

CISPR 32∶2015 中表明在OATS/SAC 中进行30 MHz~1 GHz 辐射发射测试时， 天线高度应该在RGP 上方1~4 m 高度升降。 对于在FAR 中进行该频段测试时除上述提到的布置要求以外， 并未对转台角度、 天线高度等做相关的规定， 具体还需要研究CISPR16-2-3 中的相关要求。 而对于1 GHz 以上的辐射发射测试， CISPR 32∶2015 中提到在FSOAT 中进行， 天线高度应包含CISPR 16-2-3 中规定的高度， 详细的测试要求可查阅标准中的5.3.2.2 章节。 因此， 在FAR 中进行全频段辐射发射测试的具体要求均可参考CISPR 16-2-3 中的测试要求。

3.2 CISPR 16-2-3 的测试要求

与在SAC 中进行30 MHz~1 GHz 辐射发射测试不同的是， CISPR 16-2-3 规定了在FAR 测试时， 用于测试的天线应是在FAR 场地校准时的天线， 天线应固定在和测试框中心高度位置持平的高度上， EUT 要求与转台一起旋转， 至少要在0°、45°、 90° 3 个角度下进行扫描， 转台可以不需要连续旋转。

对于1 GHz 以上的测试， CISPR 16-2-3：2010 中对接收天线的3 dB 波束宽度， 接收天线的扫描高度和EUT 扫描角度都做了相关要求， 具体如下所述。

a） 天线的3 dB 波束宽度

CISPR 16-2-3 对此进行了相关的描述， 如图6所示。

图6 接收天线垂直极化方向1 GHz 以上测试方法

θ3dB表示的是接收天线的最小3 dB 波束宽度。ω 表示的是接收天线3 dB 波束宽度投影到EUT 上的宽度， ω 可以通过计算得出， d 为测试距离。 通常情况下ω 需要落在吸波材料之上， 只有不能升高到吸波材料以上的立式EUT， ω 才允许落在低于吸波材料的高度， 但低于吸波材料的高度不能大于30 cm。 典型的3 种天线的波束宽度和对应的ω 值如表5 所示。

表5 3 种天线的ω 值

b） 接收天线的扫描高度

CISPR 16-2-3∶2010 中针对接收天线高度的描述， 如图7 所示， 如果ω 大于EUT 的高度， 则接收天线只需要固定在一个高度下测试即可， 天线高度应与EUT 的垂直高度中心保持一致。 但若是EUT 的尺寸较高， 或接收天线在接收高频信号的时候， 由于3 dB 波束宽度较窄， 造成ω 值小于EUT 高度， 此时需要升降天线的高度来进行扫描，从而获取到可能的所测频率信号的最大值， 一般是范围为1~4 m。 若是EUT 小于4 m， 则天线不需要升高到EUT 的顶部高度以上。

图7 天线高度描述

c） 预扫描EUT测试角度

在测试过程中，EUT 应该连续转动或者每15°以下的角度进行一次扫描， 整个测试应在360°的测试范围内， 天线的垂直和水平极化都需要测试， 如果是连续转动的， 频谱扫描时间应设置为小于或等于转台转动15°所需要的时间； 如果扫描时间内超过15°， 则应该把频段范围缩小以满足小于15°的要求。

4 实测比对

标准中对于在FAR 中进行30 MHz~1 GHz 的方法较以往常用的测试方法有较大的区别， 为了验证测试差异， 利用某样品进行了比对验证。

首先， 为了验证在FAR 与在SAC 中的测试差异， 在两个场地上对该样品进行30 MHz~1 GHz 的辐射发射测试， 分别按各自的标准要求布置。 在FAR 中， 按CISPR 16-2-3 的测试要求， 将天线高度固定在测试框中心高度持平的位置上， 设置转台的角度为0~270°， 步进45°； 在SAC 中， 设置天线高度在1~4 m 范围内扫描， 转台在0~360°中连续旋转。

此外， 在SAC 中测试标准要求转台在0~360°中连续旋转来扫描最大的测量值， CISPR16-2-3 中对于在FAR 中测试的转台角度只要求了在0°、45°、 90° 3 个角度下进行扫描， 为了分析测试角度的差异， 在FAR 中对在0~360°转台连续转动的情况也进行了测试， 接收天线的高度与标准测试要求保持一致， 固定在与测试框中心高度持平的位置上， 测试数据如表6 所示。

从表6 的数据中可以看出， 在SAC 和FAR 中的测试结果存在差异， 在FAR 中的测量值相对较小， 但Margin 并不一定， 此样品综合考虑水平和垂直方向的结果之后， 最小Margin 值差异不大。同样在FAR 中测试， 转台0~360°连续旋转， 或按0~270°范围内非连续步进45°， 二者的测量结果差距不大， 也就是说不需要连续转动0~360°， 按45°步进扫描的方式也可以找到最大测量值。

表6 比对验证数据

5 结束语

通 过 对CISPR 32∶2015、 CISPR 16-1-4：2019 和CISPR 16-2-3∶2010 标准的研究分析， 我们得出可以在FAR 环境下进行辐射发射测试， 前提是场地需要满足标准中提到的计量要求， 包括FNSA 和SVSWR； 此外， 研究总结了标准中对于在FAR 中的测试要求， 对比分析了在全电波与半电波中测试的区别， 得到了以下结论。

在FAR 中进行30 MHz~1 GHz 测试的要求如下：

1） 与在SAC 中测试要求天线高度在1~4 m 内进行扫描不同的是， 在FAR 中接收天线的高度要求固定在和测试区区域中心高度持平的位置上；

2） 测试区域的高度应为1.5、 2.5 或5 m （分别对应3、 5 或10 m 的测试距离）；

3） 在FAR 中测试不需要转台在0~360°内连续旋转， 但至少要在0°、 45°、 90° 3 个角度下进行扫描；

4） EUT 区域包含EUT、 AE 和相关线缆， 且要求离开测试区域的线缆需要在水平方向上至少暴露0.8 m， 在垂直方向上最小距离测试框底部0.8 m， 测试布置可以使用垫板来提高整个EUT 区域， 台式设备和立式设备详细摆放可参考标准中的布置图。

至于在FAR 中进行1 GHz 以上的辐射发射测试要求与在铺设吸波材料的SAC 中测试要求一致。接收天线的高度需要根据EUT 的尺寸L 和天线的3 dB 波束宽度ω 来决定， 若ω＞L， 则天线只需要在一个高度下测试即可， 高度与EUT 垂直中心保持一致； 若ω＜L，则要求在1~4 m 范围内升降天线来寻求最大的测量值。 与1 GHz 以下不同的是， 测试过程中EUT 要求在0~360°内连续旋转， 在预扫描测试过程中， EUT 应连续转动或者每15°甚至更小的角度进行一次扫描。

此外， 为了分析验证在FAR 和SAC 中进行1 GHz 以下测试的差异， 以及在FAR 中EUT 旋转角度对测试结果的影响， 利用样品进行了实测比对。 结果表明： 在FAR 中的测量值相对较小， 但结合限值要求和此样品整体测试数据来看， 最小的Margin 值差距不大； 按照0~360°范围内45°步进的方式与转台连续转动的测量值差距也不大， 45°步进的测量方法也可以找到最大的测量值。

综上所述， 本文对在FAR 内进行辐射发射测试的可行性进行了分析论证， 结合标准研究和实测的比对验证， 明确了各项技术要求， 提供了FAR辐射发射的测试依据。