杂散发射的测量方法

Methods of Measurement of Spurious Emissions
深圳市无线电监测站  钱宁铁
摘要：本文详细介绍了杂散发射的测量方法，内容包括：相关概念、测量仪器、测量的受限性、两种具体的测量方法，以及对测试场地的要求等。
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
对无线电管理工作来说，杂散发射是产生干扰的重要原因，在无线电发射设备检测中，杂散发射是一个重要的必测项目。那么，怎样正确测量杂散发射呢？本文参考国际电联的ITU-R SM .329-8文件，并结合实际工作中的体会，对杂散发射的测量方法做一详细的介绍。
1．相关的概念
1．1 杂散发射  spurious emission
    杂散发射是在必要带宽外某个或某些频率上的发射，其发射电平可降低但不影响相应信息传递。包括：谐波发射、寄生发射、互调产物、以及变频产物，但带外发射除外。
    一般来说，落在中心频率两侧，必要带宽±250%倍处或以外的发射都认为是杂散发射。
1．2 带外发射  out-of-band emission
带外发射是在紧靠必要带宽的外侧，由调制过程产生的一个或多个频率的发射，但杂散发射除外。
一般来说，落在中心频率两侧，必要带宽±250%倍处以内的无用发射都认为是带外发射。
但对于必要带宽很窄或很宽的情况，这种划分带外发射和杂散发射的方法并不适合。
1．3 参考带宽  reference bandwidth
参考带宽通常采用下列各值：
参考带宽 频率范围
1kHz 9kHz～150kHz
10kHz 150kHz～30MHz
100kHz 30MHz～1GHz
1MHz 大于1GHz
参考带宽是指在该带宽内规定了杂散发射电平值的带宽。
参考带宽并非按照上表固定不变，例如所有空间无线电业务杂散发射的参考带宽一律为4kHz；欧洲制定的陆地移动业务固定台杂散发射的标准中，规定在近载波处杂散发射的参考带宽要小一些；还有对每一个雷达系统测量其杂散发射时，都必须重新计算参考带宽，ITU-R M.1177文件给出了具体的测量方法。
2．对测量仪器的要求
2．1选频测量接收机
选频接收机或者频谱分析仪都可用于测量传导到天线的杂散辐射和箱体辐射。在测量过程中应注意以下几个方面：
2．1．1测量仪器的加权功能 weighting function
所有的测量接收机应具有平均值和峰值的加权功能。
2．1．2分辨带宽 resolution bandwidth（RBW）
通常的原则是，测量接收机分辨带宽（末级中频滤波器的3dB带宽）应等于参考带宽。但为了提高测量的精确性、灵敏度和效率，分辨带宽可以不同于参考带宽。例如，在测量靠近中心频率的发射分量时，有时就需要采用较窄的分辨带宽。当分辨带宽小于参考带宽时，测量结果应为参考带宽内各分量的总和（其和应为功率求和，除非特别要求杂散信号按照电压求和，或是按介值法判别，见注 1）。当分辨带宽大于参考带宽时，宽带杂散发射的测量结果应按带宽比例进行归一化。但对于离散（窄带）杂散产物，不能采用归一化。
分辨带宽的修正因子需由测试接收机的实际分辨带宽（如：-6dB分辨带宽）和被测杂散发射信号特征而定（如：脉冲信号或高斯噪声）。
注 1：介值判别法——当采用PEP（峰包功率）法测量杂散发射，且分辨带宽小于参考带宽时，所测得的总功率可能不准确。如果不知道求和法则，那么在参考带宽内所测得的总的杂散发射功率应按照功率合成法和电压合成法分别求得。在每次测量中，如果用电压合成法求得的杂散发射值低于规定的限值，则满足要求；如果用功率合成法求得的杂散发射值高于规定的限值，则不满足要求。
2．1．3 视频带宽  video bandwidth (VBW)
视频带宽至少与分辨带宽相同，最好为分辨带宽的3至5倍。VBW反映的是测量接收机中位于包络检波器和模数转换器之间的视频放大器的带宽。改变VBW的设置，可以减小噪声峰-峰值的变化量，提高较低信噪比信号测量的分辨率和复现率，易于发现隐藏在噪声中的小信号。
2．1．4 测量接收机滤波器的形状因子  shape factor
形状因子是描述带通滤波器选择性的一个参数，通常定义为阻带和通带带宽的比值。理想滤波器的比值为1。但是，实际上滤波器具有滚降衰减特性，远达不到理想状态。例如：频谱分析仪在扫描状态下，被测信号通过的近似高斯滤波器是由多级可调滤波器构成，其形状因子通常规定为-60dB与-3dB的比值，范围在5：1到15：1之间。
2．2 基频带阻滤波器
基频和杂散发射的功率比值可能在70dB以上。这么高的比值经常导致基频输入电平过大，在选频接收机中造成非线形失真产物。故此，在测量仪器的输入端通常接入一个基频带阻滤波器（在杂散发射分量不太靠近基频条件下适用）。对于远高于基频的频段（如：谐波频率），也可采用带通或高通滤波器。但这种测量杂散发射分量的滤波器的插入损耗不能太大，并且滤波器要具有非常好的频响特性。
常用的VHF/UHF频段电路型可变频带阻滤波器的插入损耗只有3-5 dB，甚至更小，1 GHz以上频段的大约为2-3 dB。
因受物理尺寸及插入损耗的制约，四分之一波长可调带通腔体滤波器只适用于50 MHz以上频率。对于腔体陷波器而言，在远离陷波频率大约10%以上的频率处，插入损耗也小于1 dB。
通常多频段接收机都具有可变频的滤波器，以便跟踪被测系统的调谐频率。用于测量杂散发射的可变滤波器的种类有：电调谐高频头和钇铁柘榴石（YIG）滤波器.这些滤波器比固定频点的滤波器有较大的插入损耗，但具有较小的通带，可以测量距发射频率较近的信号。
电调谐高频头通常用于50 MHz到1 GHz频段，其3dB带宽约为谐振频率的5%，插入损耗约 5-6 dB。
钇铁柘榴石（YIG）滤波器通常用于1-18 GHz频段，其3dB带宽在2GHz处约为15MHz，在18GHz处约为30MHz，插入损耗大约为6-8dB。
2．3 耦合器
测量会用到可将基频发射功率耦合出来的定向耦合器。在基频处，其阻抗必须和发射机的阻抗相匹配。
2．4 终端负载
当按照方法1测量杂散发射功率时，被测发射机应连接测试负载或者终端负载。值得注意的是杂散发射电平会受发射机末级、传输线和测试负载间阻抗匹配程度的影响。
2．5 测量天线
测量时会用到增益已知的谐振偶极子天线或等效全向天线作为参考天线。
2．6 调制状况
测量应尽可能在发射机正常工作时，最大调制状态下进行。有时为了发现一些特殊的杂散频率，也需在无调制条件下进行测量。但必须指出，此时并非所有杂散发射都能检测出来，因加入调制后可能会产生其它杂散频率分量。
3．测量的受限性
3．1 带宽限制
依照±250%倍必要带宽的限值，规定了杂散发射测量范围的起始频率。但某些情况不能这样划分，因为非杂散发射量会造成严重的测量误差。重新确定杂散测量范围的分界线，可不采用±250%倍必要带宽的划分办法，而采用一种新的划分方法（见下式）。另外，也可以不改变以±250%倍必要带宽划定的频段范围，而改用较小的分辨带宽进行测量。
新划分的频段范围和分辨带宽存在下式关系：
        
  ：分辨带宽(resolution bandwidth)
  ：形状因子(shape factor)
  ：带外带宽(Out-of-band boundary)
  ：必要带宽(necessary bandwidth)
由上式可知：如果分辨带宽不变，可计算出带外带宽的范围，反之亦然。
假设一个信号的必要带宽是16kHz，用±250%必要带宽得出的带外带宽（设为40kHz）的范围不变。如果测量分辨带宽滤波器的形状因子是15：1，对带内的功率抑制比为60dB，那么分辨带宽应约为4.5 kHz, 计算如下：

    则：  ≤ 2 (40–16/2)/(15–1)
得： ≤ 4.5 kHz
另一方面，给定同样的信号和测量接收机参数，如果分辨带宽固定不变，为100kHz，那么带外带宽可利用上式重新算得。对于上例，如果分辨带宽是100kHz，那么算出的带外带宽为708kHz。
3．2 灵敏度限制
由于连接用的转换器件和线缆的损耗，导致频谱分析仪测量灵敏度降低。但这可以通过采用低噪声放大器来克服。
在个别情况下，如在26 GHz以上，调制状态下，测量被测设备（EUT）是否符合规范要求时，主要因为测试装置采用外部混频器，仍无法获得足够高的灵敏度；而在载波（CW）状态下，杂散发射的测量可能是准确的，因为那些由调制造成的发射分量在总量上等于被测设备（EUT）的调制损耗。
3．3 时间限制
对于输出幅度随时间变化的任何有用信号（例如：非恒包络调制），为保持测量值的连续稳定性，至少取十次测量的平均值。
4．测量方法
4．1 概述
    这里介绍两种杂散发射的测量方法。在方法1和方法2中必须注意，由测试所产生的辐射不得干扰测试环境中的测试系统。同时必须注意，正确选用杂散发射标准中特别规定的功率加权功能。（参见2.1.1）
方法1-用于测量输出到被测设备（EUT）天线端口的杂散发射功率。
方法2-用于测量杂散的等效全向辐射功率（e.i.r.p），需要用到一个符合条件的测试场地。
如果方法1满足测量要求，则尽可能采用方法1。使用波导的系统应采用方法2，因为在波导终端的转换器件会带来很多测试问题。假若天线端口是波导法兰，那么在波导向同轴转换的过程中，远端的杂散发射会被大大地衰耗。只有在测试电缆与波导连接的一端加上特制的锥型波导器件，才能采用方法1测量。同样，VLF/LF频段的发射机也应采用方法2测量，因为发射机、馈线、天线之间并没有清晰的界限划分。
雷达系统的测量方法ITU另有文件说明（ITU-R M.1177）。因为对雷达系统尚没有特别完善的测量方法，必须根据杂散发射限值的具体要求进行实际可行的测量。
4．2方法1-输出到天线端口的杂散发射的测量方法
此方法无需特殊的测试场地或电波暗室，测试结果也不会受到电磁干扰（EMI）的影响，但须考虑馈线影响。此方法忽略了因天线失配造成的衰耗和任意杂散产物的无效辐射，还有天线本身产生的杂散产物。杂散发射功率测量装置的框图如图1所示：





图1  杂散发射功率测量装置的框图
4．2．1 直接连接法
   在这种方法中，要求对所有的测量部件（滤波器、耦合器、电缆）分别进行校准，或者把这些部件连成一个整体进行校准。不论哪种校准，都是用一台已校准的、输出电平可调的信号发生器和测量接收机来完成。在各个频点f处，校准因子 定义如下：
    其中  : 频点f处的校准因子 (dB)
          :在频点f处的输入功率 (由信号发生器产生) (dBW或dBm)
          : 频点f处的输出功率 (由测量接收机读出) (dBW或dBm)
校准因子表达了所有连接在信号发生器和测量接收机之间部件的插入损耗。
如果分别校准连接部件，测量装置的总校准因子可由下式计算：
    其中： :频率f处的测量装置总校准因子 (dB)
            : 频率f处测量连接链中各个部件的校准因子(dB)
    测量过程中，  (dBW或dBm)是频率f处由测量接收机读出的杂散发射功率，而在频率f处实际杂散发射功率(dBW或dBm)由下式计算得出：
4．2．2 替代法
这种方法不需要对连接部件校准，而是先由测量仪器记录下杂散发射功率的读数值。然后用一台已校准的信号发生器替代被测设备（EUT），当测量仪器的读数值和先前记录值达到一致时，信号发生器的输出值就等于杂散发射的功率值。
4．3 方法2-杂散发射e.i.r.p的测量方法
杂散发射e.i.r.p的测量装置框图见图2。
方法2中的测量必须在远场条件下进行，而对于很低的频率或是多个频率组合以及天线规格来说，远场条件是很难实现的（如：用1.2m碟型天线发射14 GHz射频信号，在140m远处才能达到远场的条件）。另外，测量也比较麻烦，虽然自动检验技术减少了一些工作量，但要在各个方向和频率上按不同极化方式测量杂散发射的e.i.r.p仍然非常耗时。


   

图2  杂散发射e.i.r.p的测量装置框图
4．3．1 辐射测量的测试场地
    测试场地应满足水平极化和垂直极化场的衰减要求，即衰减量应在理论值的 4dB之内。测试场地还应满足下列条件：地形平坦，上方没有架空电线，附近没有反射物，在规定距离处有足够的空间摆放天线，并使天线、EUT和反射物间有足够的距离。反射物是指那些建筑材料可导电的物体。测试场地须安装水平金属平面地板。
    测试也可以在墙上覆盖有吸波材料，无电波反射的电波暗室内进行。那么，对电波暗室的验收测试就显得非常重要，主要目的是验证室内水平极化和垂直极化场的衰减测量值是否符合 4dB的标准（详见IEC/CISPR 文件 No. 22）。
测试场地的导电的平面地板须超出被测设备（EUT）和最大测试天线的外延1m以上，并且覆盖被测设备（EUT）和天线之间的所有区域。地板必须为金属材料，上面不允许有尺寸大于最高测试频率所对应波长十分之一的孔洞和裂缝。如果暗室内测试场地的衰减特性不满足要求，则需要加大导电平面地板的面积。对于半波暗室，同样要满足这些要求。
多种测量小室也可用于杂散发射的测量，如混波室(SMC)、横电磁波室（TEM）和吉赫TEM小室（GTEM）。但这些新测试系统尚未广泛地被所有的标准体系所接受，相关的技术正在做进一步的研究和验证。
4．3．2 直接法
在这种方法中，也要求对所有的测量部件（滤波器、耦合器、电缆）分别进行校准，或者把这些连接部件作为一个整体进行校准。（参见4.2.1）
自由空间条件下频率f处的杂散发射的e.i.r.p，  可由下式得到：
其中： : 频率f处杂散发射在测量接收机上的功率示值 (dBW 或 dBm),与    
       单位相同 。      
        : 频率f处，测量装置的校准因子(dB)
       : 频率f处，测量天线的增益(dB)
       : 杂散发射的频率（MHz）
       : 发射天线与测量天线的距离（m）
4．3．3 替代法
在这种方法中，需用一副已校准的替代天线和一台信号发生器，调整信号发生器的输出值使测量接收机的示值等于测量到的杂散信号值,便可得出杂散发射值。
4．4 特殊箱体辐射的测量
上述方法2可用于测量发射机箱体的杂散辐射。这种方法需用一个已校准的终端负载替换EUT的天线，按照上述方法2的步骤操作，即可得到箱体杂散辐射的e.i.r.p。终端假负载应置于一个小的独立屏蔽壳体中，以防止假负载的二次辐射干扰被测箱体的辐射测量。此外，连接电缆也会有辐射产生，对测量造成不良影响，所以必须对此加以防范，可采用双屏蔽电缆，也可以给电缆加装屏蔽外壳。
结束语
杂散发射的测量仅从框图看是比较简单的，其实能够影响测量结果的因素很多，例如：EUT类型、测量接收机、天馈线、滤波器、测试场地等，还有参考带宽、必要带宽、分辨带宽、功率加权功能的选择等，都会对测量造成影响。所以，要正确测量杂散发射的量值，除了要弄明白各种相关概念外，还须对测量中用到的各种仪表、连接器件、天线、被测设备、测量场地等的特性、参数了如指掌，认真考虑所有相关因素后，才能得到准确的测量结果。

参考文献：1. 国际电联 RECOMMENDATION ITU-R SM.329-8 。
        2. GB 13421-92 无线电发射机杂散发射功率电平的限值和测量方法。
3. Angilent 公司 Spectrum Analysis Basics