無線終端設備輻射雜散測量技術研究

陸偉繼 李越鰲 李 偉 王 鑫

（威凱檢測技術有限公司 廣州 510663）

引言

隨著新時代物聯網技術的不斷發展，無線終端產品在人們日常生活的方方面面已經很普及。無線終端產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，移動終端等設備。而輻射雜散是衡量無線終端產品是否符合電磁兼容特性、符合無限大頻譜管理規范相關要求的一項重要指標。輻射雜散（簡稱RSE）是指用標準發射信號調制的過程中，載頻除外和由于切換瞬態和調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。雜散輻射產生的諧波分量、交調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備都有市場準入規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

在無線電設備測量中，雜散輻射測試如果達不到標準的范圍內，那么它將會影響到其他設備的正常工作，所以說測試雜散輻射對于各種通信設備來說是非常重要的。按照輻射本質來分析，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。

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

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

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

根據輻射雜散的定義，帶外輻射是產品在工作載波頻率2.5倍寬度左右以內的輻射，而雜散輻射是產品在工作載頻2.5倍寬度左右以外的輻射[3]。目前有很多特殊類產品的載波設備，由于載頻設備的工作方式、調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，在我們日常生活中是最為關注的問題，在其他通信設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容。

目前對測試方法在國內外法規有明確的規定[1,2,4]，而“功率替代”法測試，對于無線通信設備規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、歐洲還是國內都用這樣的標準法規。這種方法不能在短時間內測試出設備的發射量大小且頻段不在測試標準要求內，從而能直接的觀察頻譜信號；對頻率重復率較低、信號隨時間變化測試不準確且測試速度慢和效率低；由于產品設備發射頻點數的多少會導致測試時間不穩定；而測試數據不準確，是對產品設備在研發中反復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計的六面體暗室，在內部的四周墻壁、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；而開闊場是平坦、空曠、且有良好的導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、平坦的清潔電磁環境場所。由于電磁波傳播的特性不同，同時也呈現出三種暗室不同的特點。在測試場地不同需要對應不同的法規標準進行測量，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進行測試，所以雜散輻射功率測試選擇在全電波暗室室內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備進行輻射雜散測試前應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、覆蓋相應發射頻段的標準發射天線（天線增益為已知），接收天線及接收測試設備如測量接收機或者頻譜儀設備。基本配置如下：

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，信號源發射一定的電平信號S，連接上發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—信號源發射信號電平，單位為dBm；

C—線纜損耗，單位為dB；

Gt—發射天線增益，單位為dBi或者dBd；

A—接收機或者頻譜儀上讀值，單位為dBm；

F—系統補償，單位為dBm。

2.2.2 測試方法

發射雜散輻射的測試基本配置如圖2所示。按照相關規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。模擬基站的信號應適中，不應對測試結果判定造成影響。

圖2 在全電波暗室輻射雜散測試基本布置圖

被測設備（EUT）無線通信終端放置于全電波暗室轉臺中心位置。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。測試轉臺0～360 °旋轉，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備無線頻譜性能的重要指標之一，本章將從溫度、轉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生溫度變化且導致性能同時發生變化。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并通過之后，導致產生其他頻率引起輸出信號的波形發生改變。由于射頻電路產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體元器件導致的。

在試驗的過程中，當被測設備在長時間不斷發射信號的情況下，其內部的元器件會導致溫度上升，因此，根據以上分析溫度變化會對被測設備的測試結果產生一定的影響。

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

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

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

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

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

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

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

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

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

最終測試結果如表1所示。

表1 溫度測試結果

由此判斷，在被測設備工作時間長，內部溫度高的情況下，其非線性元器件的性能也會產生變化，從而影響了輻射雜散功率值的大小。當被測設備的內部溫度變化不大，影響輻射雜散的功率值較小；當被測設備的內部溫度變化較大，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）的雜散發射信號是未知的，固定角度進行測試存在極大的風險，可能無法符合測試規范的本意找到最大的雜散發射信號。以下將對轉臺步進角度進行分析：

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

1）測試開始，將樣機通電，并調試完成。設置測試步進為15 °，輻射雜散測試結果為-54.35 dBm；

2）測試開始，將樣機通電，并調試完成。設置測試步進為30 °，輻射雜散測試結果為-58.62 dBm；

3）測試開始，將樣機通電，并調試完成。設置測試步進為45 °，輻射雜散測試結果為-61.43 dBm；

4）測試開始，將樣機通電，并調試完成。設置測試步進為90 °，輻射雜散測試結果為-63.17 dBm；

5）測試開始，將樣機通電，并調試完成。設置測試步進為1 °，輻射雜散測試結果為-51.38 dBm；

6）測試開始，將樣機通電，并調試完成。設置測試步進連續角度，輻射雜散測試結果為-52.09 dBm；

最終結果如表2所示。

表2 轉臺步進測試結果

由以上結果可以判斷，轉臺步進對輻射雜散的測試結果影響比較明顯。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來源于測試桌的材質，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，從而導致輻射雜散的測試數據不準確或偏差。目前有部分實驗室的測試桌還使用木桌，對輻射干擾測試結果的影響范圍較大，木桌本身的介電常數較大，具有較強的吸濕性，容易導致變形，而溫度和含水量的增加是隨著木桌的介電常數的不斷增大，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和吸濕性，以及穩定性比較高和較好的絕緣性等特點，有利保證測試結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。

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

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

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

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

最終測試結果如表3所示。

表3 測試桌材料測試結果

由以上對比結果可知，測試桌的材料對輻射雜散的測試結果影響較為明顯。測試時，應使用介電常數低、耐潮濕性、絕緣性優良和穩定性高的測試桌。

4 結束語

綜上所述，通過對溫度、轉臺步進以及放置測試桌材料三個因素來對無線通訊產品測量輻射雜散測試結果的對比分析表明，這三個因素對輻射雜散的測試結果影響都較為明顯。本文的對比研究的結果，對測試數據的不確定度有利于分析和評估測量輻射雜散的檢測結果，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。