基于空气衰减补偿的辐射杂散测试方法研究

基于空气衰减补偿的辐射杂散测试方法研究

张钢、胡苏军

（广州质量监督检测研究院 / 广州市NQI-质量安全科技协同创新中心，广东 广州 511447）

[摘要]

本文详细介绍了无线通讯产品基于空气衰减补偿的辐射杂散测试方法，通过在不同类型测试场地进行直接法、替代法和空气衰减补偿法的辐射杂散测试，对不同方法的检测结果进行比较分析，证明基于空气衰减补偿法的辐射杂散测试方法效率更高，数据准确可靠，具有良好的应用前景。

【关键词】

辐射杂散；替代法；空气衰减

Abstract: This article provides a detailed introduction to the radiated spurious emission test method for wireless communication products based on air attenuation compensation. By conducting radiated spurious emission test on different test sites using the direct method, the substitution method, and the air attenuation compensation methods, compare and analyze the results of different methods. It is proven that the radiated spurious emission test method based on air attenuation compensation has higher efficiency, accurate and reliable data, and good application prospects.

Keyword: radiated spurious emission; substitution method; air attenuation

引言

随着电子电气设备的普及，尤其是无线广播电视、射频通信等技术的大量应用，不同电子产品之间的电磁兼容问题越来越突出。尤其是对于无线通信产品，工作的时候需同时向外界发射出两种类型的电磁信号：用于实现通讯功能的意图有用电磁信号和伴随辐射出的非意图有害电磁信号，整体辐射量较一般有线电子电气产品高，电磁兼容问题更为突出，备受重视。各国均制定了详细的测试标准，分别对这两种不同类型的发射进行规范约束，明确规定了需符合的限制值和对应的测试方法。

杂散发射是无线通信产品工作时伴随辐射出的非意图有害电磁信号，主要测试方式有两种：传导方式和辐射方式。相较于传导方式，辐射方式更能代表样品的实际空间辐射性能，具有更为广泛的应用场景。特别是一些产品由于自身设计的原因，没有可拆卸的用于连接通信天线的射频端口，也不能通过后期加工的方式增加射频端口，无法采用传导方式进行测试，只能采用辐射方式进行测试。辐射方式主要包括两种测试方法：直接法和替代法。其中直接法不能体现测试场地不完美性对测试结果的影响，而替代法测试步骤相对复杂，耗时较长。因此，本文针对无线通讯产品，提出了一种基于实际测试场地空气衰减补偿的辐射杂散测试方法，可有效的克服上述缺点，具有良好的应用前景。

1. 测试标准

目前，无线通讯产品辐射杂散主要测试标准见表1。

表1无线通讯产品辐射杂散主要测试标准[2-4]

其中，GB/T 12572-2008和YD/T 1483-2016为辐射杂散测试的国家标准和行业标准，标准规定辐射杂散测试可采用直接法或替代法。而ETSI EN 300328 V2.2.2标准采用替代法。直接法和替代法测试原理及特点如下：

（1）直接法[5]。采用直接法测试时，需要对测试系统的所有部件(包括滤波器、定向耦合器、射频电缆等)逐个进行验证，明确其对应的修正因子。根据弗利斯(Friis)传输公式，在自由空间环境下，被测设备在测量频率f点的杂散发射测量值P

sf可以简化为式（1）：

Psf=Prf+Ksf-Gf+20logf+20logD-27.6      （1）

式中：

Prf：测量频率f点的测量接收机的杂散发射功率读数，单位为dBm；

Ksf：测量系统在测量频率f点的校正因子，包括滤波器、定向耦合器、射频电缆等，单位为dB；

Gf；测量天线在测量频率f点的标准增益，单位为dBi或dBd；

F：杂散辐射发射频率点，单位为MHz；

D：发射机天线与测量标准天线之间的测量距离，单位为m。

直接法将具体测试场地假设为理想自由空间，忽略电磁波反射因素，采用通过理论公式计算得出的空气衰减值代替实际测试场的空气衰减，再结合测量系统的校正因子、测量天线的标准增益，通过直接修正得到最终测试结果。但该没有考虑具体测试场地的影响，特别没有考虑半电波暗室及开阔场的地面反射波影响和场地不完美性造成的影响，不同测试场地间的测试结果偏差很大。

（2）替代法。首先要测量实际样品辐射杂散信号的频率和幅度，然后用替代发射天线和信号发生器模拟实际样品发射进行测试，模拟信号发生器的发射功率减去替代发射天线的标准增益就得到了辐射杂散的测试结果。部分标准要求采用标准偶极子天线作为替代发射天线，测试不同的频率，需要调整偶极子天线长度，使天线谐振频率与所测量的频率一致。替代法测试结果的准确性和一致性高，但测试时需分别对实际样品和替代发射天线进行测试，前后需要测试两次，测试步骤复杂，耗时较长。

2. 空气衰减补偿法

针对辐射杂散测试直接法和替代法的缺点，这里我们提出一种优化的辐射杂散测试方法——空气衰减补偿法。测试前首先测量实验室测试场地的空气衰减，实际样品测试时，采用所测得的实验室空气衰减值及测量系统校正因子和测量天线增益对样品测试结果进行修正，从而直接得到最终测试结果。

具体测试步骤如下：

第一步：在辐射杂散测试场地按照图1布置相关设备，不连接发射天线和接收天线，将两边信号线直接连接起来。设定标准信号源的输出为P1，此时接收机上收到信号值为P2。P1的设定值应能使P2高于背景噪声至少15dB，且不能使接收路径中的前置放大器及接收机发生过载饱和。

图1 直通测试示意图

第二步：按照图2布置相关设备。连接发射天线和接收天线，并将其布置在常规测试位置，保持标准信号源的输出为P1，接收机上的测试值为P3。如果在半电波暗室或者开阔场进行测试，接收天线应在1~4米范围内移动，P3取接收机测得的最大值。

图2 场地测试示意图

则空气衰减值AT为：

AT=P2-P3-GT-GR                         （2）

式中：

P2：直通测试时接收机测试值；

P3：场地测试时接收机测试值；

GT：发射天线增益；

GT：接收天线增益。

其中，GR和GT可从设备的第三方校准报告中得到。

一般情况下，辐射杂散测试场地布置比较固定，其空气衰减性能比较稳定，因此可参照实验室归一化场地衰减、场地电压驻波比等参数进行周期性（建议半年至1年）验证，无需每次样品测试重新进行空气衰减验证。

第三步：按照图3布置测试样品和设备，设置样品处于典型工作状态，读取接收机测试值P4。在半电波暗室或者开阔场测试时，接收天线应在1~4米范围内移动，P4为接收机测得的最大值。

图3实际样品测试示意图

第四步：计算样品的辐射杂散功率A：

A=P4+IL-GR+AT                      （3）

式中：

P4：接收机测试值；

GR：接收天线增益；

AT：空气衰减（步骤2所得）；

IL：信号路径损耗，包括线缆、放大器、衰减器及滤波器等设备的损耗（实验室自行测量或者校准）

纵观整个测试步骤，空气衰减补偿法进行辐射杂散测试时，第一步和第二步空气衰减验证实验室可周期性进行，实际样品测试时仅需进行第三步的测试，无需进行替代测试。如果在空气衰减验证时使用和实际样品测试时相同的接收天线，则可以在空气衰减验证完成后将式（3）中的空气衰减值AT、接收天线增益GR和信号路径损耗IL作为修正因子，利用自动化测试软件直接对接收机测试值进行修正，可直接得到最终的辐射杂散测试结果，甚至是全频段的结果曲线，测试结果更为直观，同时极大地提高了检验效率。

3. 试验验证

根据以上分析可知，对于无线射频产品的辐射杂散测试，目前认可度最高的测试方法是替代法，因此，试验验证时我们分别在半电波暗室和全电波暗室中，对直接法、替代法和空气衰减补偿法所得的辐射杂散测试结果进行比较分析。

3.1.直接法与替代法测试结果对比

试验时，30MHz~1000MHz频率范围的辐射杂散测试在半电波暗室中进行，1000MHz~18000MHz频率范围的测试在全电波暗室中进行。具体测试结果见图4。可以看出，在30MHz~1000MHz频率范围内，直接法采用弗利斯(Friis)传输公式，计算得出空气衰减理论值，对接收机测试值进行修正，但没有考虑地面反射波及场地不完美性的影响，测试结果与替代法差异较大，尤其是水平极性的测试结果最大差异超过了20dB。而在1000MHz~18000MHz频率范围，由于全电波暗室中没有地面反射波的影响，两种方法的结果一致性相对较高。但实际测试环境不可避免的存在一些不完美因素，如摄像头、麦克风、照明设备等，与理想的自由空间存在偏离，导致测试结果会有一定的偏差，尤其是在高频波段，最大偏差接近5dB。本次试验结果证明采用直接法进行辐射杂散测试存在较大的局限性，与替代法测试结果偏差大。

图4：直接法与替代法测试结果对比图

3.2.空气衰减补偿法和替代法测试结果对比

利用典型的试验样品，分别采用替代法和空气衰减补偿法，在半电波暗室中进行30MHz~1GHz频率范围、全电波暗室中进行1GHz~18GHz频率范围的辐射杂散测试，具体测试结果见表2。从表2测试结果可以看出，不管是在半电波暗室，还是全电波暗室中，空气衰减补偿法与替代法的辐射杂散测试结果一致性较高，最大偏差仅为1.63dB，远低于CISPR 16-4-2:2011+AMD1:2014+AMD2:2018[1]标准中定义的对应频段极性辐射骚扰量测不确定度UCISPR，证明空气衰减补偿法可以作为替代法的有效优化方法，测试结果准确可靠。

表2：空气衰减补偿法和替代法结果比较对比

4. 结语

本文基于空气衰减补偿法，对无线射频产品的辐射杂散进行测试，解决了替代法测试效率低下的问题，极大提升测试速度，将传统方法平均每个样品一次测试耗时2个小时，缩减为大约1小时，测试效率提升一倍。该方法充分的考虑了不同实验室的具体测试环境（测试场地类型、仪器设备、场地布置等）的影响，测试结果与替代法高度一致，具有良好的经济效益和应用前景。

参考文献

[1]CISPR 16-4-2:2011+AMD1:2014+AMD2:2018 Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods - Part 4-2: Uncertainties， statistics and limit modelling - Measurement instrumentation uncertainty

[2]ETSI EN 300328 V2.2.2 Wideband transmission systems; Data transmission equipment operating in the 2，4 GHz band; Harmonised Standard for access to radio spectrum

[3]GB/T 12572-2008 无线电发射设备参数通用要求和测量方法

[4]YD/T 1483-2016 无线电设备杂散发射技术要求和测量方法

[5]刘麒、赵志彦 自由空间损耗补偿在1GHz以上辐射杂散发射测量的应用 安规与电磁兼容 2014年第3期

项目基金：2022年广州市市场监督管理局科技项目/ 广州市科技计划项目

项目编号：2022kj01 / 2023B04J0407