雜散發射的測量方法

名稱:雜散發射的測量方法
Methods of Measurement of Spurious Emissions
深圳市無線電監測站錢寧鐵
摘要：本文詳細介紹了雜散發射的測量方法，內容包括：相關概念、測量儀器、測量的受限性、兩種具體的測量方法，以及對測試場地的要求等。
Abstract: this article introduces the methods of measurement of spurious emissions in detail. It includes: relative definitions, measuring equipments and devices, measurement limitations, methods of measurement, and the requirements of test site.
引言
對無線電管理工作來說，雜散發射是產生干擾的重要原因，在無線電發射設備檢測中，雜散發射是一個重要的必測項目。那麼，怎樣正確測量雜散發射呢？本文參考國際電聯的ITU-R SM .329-8文件，並結合實際工作中的體會，對雜散發射的測量方法做一詳細的介紹。
1．相關的概念
1．1雜散發射 spurious emission
雜散發射是在必要帶寬外某個或某些頻率上的發射，其發射電平可降低但不影響相應信息傳遞。包括：諧波發射、寄生髮射、互調產物、以及變頻產物，但帶外發射除外。
一般來說，落在中心頻率兩側，必要帶寬±250%倍處或以外的發射都認為是雜散發射。
1．2帶外發射 out-of-band emission
帶外發射是在緊靠必要帶寬的外側，由調製過程產生的一個或多個頻率的發射，但雜散發射除外。
一般來說，落在中心頻率兩側，必要帶寬±250%倍處以內的無用發射都認為是帶外發射。
但對於必要帶寬很窄或很寬的情況，這種劃分帶外發射和雜散發射的方法並不適合。
1．3參考帶寬 reference bandwidth
參考帶寬通常採用下列各值：
參考帶寬頻率範圍
1kHz 9kHz～150kHz
10kHz 150kHz～30MHz
100kHz 30MHz～1GHz
1MHz大於1GHz
參考帶寬是指在該帶寬內規定了雜散發射電平值的帶寬。
參考帶寬並非按照上表固定不變，例如所有空間無線電業務雜散發射的參考帶寬一律為4kHz；歐洲制定的陸地移動業務固定台雜散發射的標準中，規定在近載波處雜散發射的參考帶寬要小一些；還有對每一個雷達系統測量其雜散發射時，都必須重新計算參考帶寬，ITU-R M.1177文件給出了具體的測量方法。
2．對測量儀器的要求
2．1選頻測量接收機
選頻接收機或者頻譜分析儀都可用於測量傳導到天線的雜散輻射和箱體輻射。在測量過程中應注意以下幾個方面：
2．1．1測量儀器的加權功能 weighting function
所有的測量接收機應具有平均值和峰值的加權功能。
2．1．2分辨帶寬 resolution bandwidth（RBW）
通常的原則是，測量接收機分辨帶寬（末級中頻濾波器的3dB帶寬）應等於參考帶寬。但為了提高測量的精確性、靈敏度和效率，分辨帶寬可以不同於參考帶寬。例如，在測量靠近中心頻率的發射分量時，有時就需要採用較窄的分辨帶寬。當分辨帶寬小於參考帶寬時，測量結果應為參考帶寬內各分量的總和（其和應為功率求和，除非特別要求雜散信號按照電壓求和，或是按介值法判別，見注 1）。當分辨帶寬大於參考帶寬時，寬頻雜散發射的測量結果應按帶寬比例進行歸一化。但對於離散（窄帶）雜散產物，不能採用歸一化。
分辨帶寬的修正因子需由測試接收機的實際分辨帶寬（如：-6dB分辨帶寬）和被測雜散發射信號特徵而定（如：脈衝信號或高斯雜訊）。
注 1：介值判別法——當採用PEP（峰包功率）法測量雜散發射，且分辨帶寬小於參考帶寬時，所測得的總功率可能不準確。如果不知道求和法則，那麼在參考帶寬內所測得的總的雜散發射功率應按照功率合成法和電壓合成法分別求得。在每次測量中，如果用電壓合成法求得的雜散發射值低於規定的限值，則滿足要求；如果用功率合成法求得的雜散發射值高於規定的限值，則不滿足要求。
2．1．3視頻帶寬 video bandwidth (VBW)
視頻帶寬至少與分辨帶寬相同，最好為分辨帶寬的3至5倍。VBW反映的是測量接收機中位於包絡檢波器和模數轉換器之間的視頻放大器的帶寬。改變VBW的設置，可以減小雜訊峰-峰值的變化量，提高較低信噪比信號測量的解析度和復現率，易於發現隱藏在雜訊中的小信號。
2．1．4測量接收機濾波器的形狀因子 shape factor
形狀因子是描述帶通濾波器選擇性的一個參數，通常定義為阻帶和通帶帶寬的比值。理想濾波器的比值為1。但是，實際上濾波器具有滾降衰減特性，遠達不到理想狀態。例如：頻譜分析儀在掃描狀態下，被測信號通過的近似高斯濾波器是由多級可調濾波器構成，其形狀因子通常規定為-60dB與-3dB的比值，範圍在5：1到15：1之間。
2．2基頻帶阻濾波器
基頻和雜散發射的功率比值可能在70dB以上。這麼高的比值經常導致基頻輸入電平過大，在選頻接收機中造成非線形失真產物。故此，在測量儀器的輸入端通常接入一個基頻帶阻濾波器（在雜散發射分量不太靠近基頻條件下適用）。對於遠高於基頻的頻段（如：諧波頻率），也可採用帶通或高通濾波器。但這種測量雜散發射分量的濾波器的插入損耗不能太大，並且濾波器要具有非常好的頻響特性。
常用的VHF/UHF頻段電路型可變頻帶阻濾波器的插入損耗只有3-5 dB，甚至更小，1 GHz以上頻段的大約為2-3 dB。
因受物理尺寸及插入損耗的制約，四分之一波長可調帶通腔體濾波器只適用於50 MHz以上頻率。對於腔體陷波器而言，在遠離陷波頻率大約10%以上的頻率處，插入損耗也小於1 dB。
通常多頻段接收機都具有可變頻的濾波器，以便跟蹤被測系統的調諧頻率。用於測量雜散發射的可變濾波器的種類有：電調諧高頻頭和釔鐵柘榴石（YIG）濾波器。這些濾波器比固定頻點的濾波器有較大的插入損耗，但具有較小的通帶，可以測量距發射頻率較近的信號。
電調諧高頻頭通常用於50 MHz到1 GHz頻段，其3dB帶寬約為諧振頻率的5%，插入損耗約 5-6 dB。
釔鐵柘榴石（YIG）濾波器通常用於1-18 GHz頻段，其3dB帶寬在2GHz處約為15MHz，在18GHz處約為30MHz，插入損耗大約為6-8dB。
2．3耦合器
測量會用到可將基頻發射功率耦合出來的定向耦合器。在基頻處，其阻抗必須和發射機的阻抗相匹配。
2．4終端負載
當按照方法1測量雜散發射功率時，被測發射機應連接測試負載或者終端負載。值得注意的是雜散發射電平會受發射機末級、傳輸線和測試負載間阻抗匹配程度的影響。
2．5測量天線
測量時會用到增益已知的諧振偶極子天線或等效全向天線作為參考天線。
2．6調製狀況
測量應儘可能在發射機正常工作時，最大調製狀態下進行。有時為了發現一些特殊的雜散頻率，也需在無調製條件下進行測量。但必須指出，此時並非所有雜散發射都能檢測出來，因加入調製后可能會產生其它雜散頻率分量。
3．測量的受限性
3．1帶寬限制
依照±250%倍必要帶寬的限值，規定了雜散發射測量範圍的起始頻率。但某些情況不能這樣劃分，因為非雜散發射量會造成嚴重的測量誤差。重新確定雜散測量範圍的分界線，可不採用±250%倍必要帶寬的劃分辦法，而採用一種新的劃分方法（見下式）。另外，也可以不改變以±250%倍必要帶寬劃定的頻段範圍，而改用較小的分辨帶寬進行測量。
新劃分的頻段範圍和分辨帶寬存在下式關係：
：分辨帶寬(resolution bandwidth)
：形狀因子(shape factor)
：帶外帶寬(Out-of-band boundary)
：必要帶寬(necessary bandwidth)
由上式可知：如果分辨帶寬不變，可計算出帶外帶寬的範圍，反之亦然。
假設一個信號的必要帶寬是16kHz，用±250%必要帶寬得出的帶外帶寬（設為40kHz）的範圍不變。如果測量分辨帶寬濾波器的形狀因子是15：1，對帶內的功率抑制比為60dB，那麼分辨帶寬應約為4.5 kHz,計算如下：
則：≤ 2 (40?16/2)/(15?1)
得：≤ 4.5 kHz
另一方面，給定同樣的信號和測量接收機參數，如果分辨帶寬固定不變，為100kHz，那麼帶外帶寬可利用上式重新算得。對於上例，如果分辨帶寬是100kHz，那麼算出的帶外帶寬為708kHz。
3．2靈敏度限制
由於連接用的轉換器件和線纜的損耗，導致頻譜分析儀測量靈敏度降低。但這可以通過採用低雜訊放大器來克服。
在個別情況下，如在26 GHz以上，調製狀態下，測量被測設備（EUT）是否符合規範要求時，主要因為測試裝置採用外部混頻器，仍無法獲得足夠高的靈敏度；而在載波（CW）狀態下，雜散發射的測量可能是準確的，因為那些由調製造成的發射分量在總量上等於被測設備（EUT）的調製損耗。
3．3時間限制
對於輸出幅度隨時間變化的任何有用信號（例如：非恆包絡調製），為保持測量值的連續穩定性，至少取十次測量的平均值。
4．測量方法
4．1概述
這裡介紹兩種雜散發射的測量方法。在方法1和方法2中必須注意，由測試所產生的輻射不得干擾測試環境中的測試系統。同時必須注意，正確選用雜散發射標準中特別規定的功率加權功能。（參見2.1.1）
方法1-用於測量輸出到被測設備（EUT）天線埠的雜散發射功率。
方法2-用於測量雜散的等效全向輻射功率（e.i.r.p），需要用到一個符合條件的測試場地。
如果方法1滿足測量要求，則儘可能採用方法1。使用波導的系統應採用方法2，因為在波導終端的轉換器件會帶來很多測試問題。假若天線埠是波導法蘭，那麼在波導向同軸轉換的過程中，遠端的雜散發射會被大大地衰耗。只有在測試電纜與波導連接的一端加上特製的錐型波導器件，才能採用方法1測量。同樣，VLF/LF頻段的發射機也應採用方法2測量，因為發射機、饋線、天線之間並沒有清晰的界限劃分。
雷達系統的測量方法ITU另有文件說明（ITU-R M.1177）。因為對雷達系統尚沒有特別完善的測量方法，必須根據雜散發射限值的具體要求進行實際可行的測量。
4．2方法1-輸出到天線埠的雜散發射的測量方法
此方法無需特殊的測試場地或電波暗室，測試結果也不會受到電磁干擾（EMI）的影響，但須考慮饋線影響。此方法忽略了因天線失配造成的衰耗和任意雜散產物的無效輻射，還有天線本身產生的雜散產物。雜散發射功率測量裝置的框圖如圖1所示：
圖1雜散發射功率測量裝置的框圖
4．2．1直接連接法
在這種方法中，要求對所有的測量部件（濾波器、耦合器、電纜）分別進行校準，或者把這些部件連成一個整體進行校準。不論哪種校準，都是用一台已校準的、輸出電平可調的信號發生器和測量接收機來完成。在各個頻點f處，校準因子定義如下：
其中 :頻點f處的校準因子 (dB)
:在頻點f處的輸入功率 (由信號發生器產生) (dBW或dBm)
:頻點f處的輸出功率 (由測量接收機讀出) (dBW或dBm)
校準因子表達了所有連接在信號發生器和測量接收機之間部件的插入損耗。
如果分別校準連接部件，測量裝置的總校準因子可由下式計算：
其中： :頻率f處的測量裝置總校準因子 (dB)
:頻率f處測量連接鏈中各個部件的校準因子(dB)
測量過程中， (dBW或dBm)是頻率f處由測量接收機讀出的雜散發射功率，而在頻率f處實際雜散發射功率(dBW或dBm)由下式計算得出：
4．2．2替代法
這種方法不需要對連接部件校準，而是先由測量儀器記錄下雜散發射功率的讀數值。然後用一台已校準的信號發生器替代被測設備（EUT），當測量儀器的讀數值和先前記錄值達到一致時，信號發生器的輸出值就等於雜散發射的功率值。
4．3方法2-雜散發射e.i.r.p的測量方法
雜散發射e.i.r.p的測量裝置框圖見圖2。
方法2中的測量必須在遠場條件下進行，而對於很低的頻率或是多個頻率組合以及天線規格來說，遠場條件是很難實現的（如：用1.2m碟型天線發射14 GHz射頻信號，在140m遠處才能達到遠場的條件）。另外，測量也比較麻煩，雖然自動檢驗技術減少了一些工作量，但要在各個方向和頻率上按不同極化方式測量雜散發射的e.i.r.p仍然非常耗時。
圖2雜散發射e.i.r.p的測量裝置框圖
4．3．1輻射測量的測試場地
測試場地應滿足水平極化和垂直極化場的衰減要求，即衰減量應在理論值的 4dB之內。測試場地還應滿足下列條件：地形平坦，上方沒有架空電線，附近沒有反射物，在規定距離處有足夠的空間擺放天線，並使天線、EUT和反射物間有足夠的距離。反射物是指那些建築材料可導電的物體。測試場地須安裝水平金屬平面地板。
測試也可以在牆上覆蓋有吸波材料，無電波反射的電波暗室內進行。那麼，對電波暗室的驗收測試就顯得非常重要，主要目的是驗證室內水平極化和垂直極化場的衰減測量值是否符合 4dB的標準（詳見IEC/CISPR文件 No. 22）。
測試場地的導電的平面地板須超出被測設備（EUT）和最大測試天線的外延1m以上，並且覆蓋被測設備（EUT）和天線之間的所有區域。地板必須為金屬材料，上面不允許有尺寸大於最高測試頻率所對應波長十分之一的孔洞和裂縫。如果暗室內測試場地的衰減特性不滿足要求，則需要加大導電平面地板的面積。對於半波暗室，同樣要滿足這些要求。
多種測量小室也可用於雜散發射的測量，如混波室(SMC)、橫電磁波室（TEM）和吉赫TEM小室（GTEM）。但這些新測試系統尚未廣泛地被所有的標準體系所接受，相關的技術正在做進一步的研究和驗證。
4．3．2直接法
在這種方法中，也要求對所有的測量部件（濾波器、耦合器、電纜）分別進行校準，或者把這些連接部件作為一個整體進行校準。（參見4.2.1）
自由空間條件下頻率f處的雜散發射的e.i.r.p，可由下式得到：
其中： :頻率f處雜散發射在測量接收機上的功率示值 (dBW或 dBm),與
單位相同。
:頻率f處，測量裝置的校準因子(dB)
:頻率f處，測量天線的增益(dB)
:雜散發射的頻率（MHz）
:發射天線與測量天線的距離（m）
4．3．3替代法
在這種方法中，需用一副已校準的替代天線和一台信號發生器，調整信號發生器的輸出值使測量接收機的示值等於測量到的雜散信號值，便可得出雜散發射值。
4．4特殊箱體輻射的測量
上述方法2可用於測量發射機箱體的雜散輻射。這種方法需用一個已校準的終端負載替換EUT的天線，按照上述方法2的步驟操作，即可得到箱體雜散輻射的e.i.r.p。終端假負載應置於一個小的獨立屏蔽殼體中，以防止假負載的二次輻射干擾被測箱體的輻射測量。此外，連接電纜也會有輻射產生，對測量造成不良影響，所以必須對此加以防範，可採用雙屏蔽電纜，也可以給電纜加裝屏蔽外殼。
結束語
雜散發射的測量僅從框圖看是比較簡單的，其實能夠影響測量結果的因素很多，例如：EUT類型、測量接收機、天饋線、濾波器、測試場地等，還有參考帶寬、必要帶寬、分辨帶寬、功率加權功能的選擇等，都會對測量造成影響。所以，要正確測量雜散發射的量值，除了要弄明白各種相關概念外，還須對測量中用到的各種儀錶、連接器件、天線、被測設備、測量場地等的特性、參數了如指掌，認真考慮所有相關因素后，才能得到準確的測量結果。
參考文獻：1.國際電聯 RECOMMENDATION ITU-R SM.329-8。
2. GB 13421-92無線電發射機雜散發射功率電平的限值和測量方法。
3. Angilent公司 Spectrum Analysis Basics