全电波暗室内直接进行杂散辐射功率测量的方法研究--优秀毕业论文.pdf

全电波暗室全电波暗室内内直接进行直接进行杂散杂散辐射功率测量辐射功率测量 的方法研究的方法研究 research on testing method for direct spurious emission power measurement in fully anechoic chamber 领 域 仪器仪表工程 研 究 生 马士平 指导教师 陈津平 副教授 企业导师 龚增 教授级高工 天津大学精密仪器与光电子工程学院 二零一二年三月 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得 天津大学天津大学 或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 签字日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 天津大学天津大学 有关保留 使用学位论文的规定 特授权 天津大学天津大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 导师签名 签字日期 年 月 日 签字日期 年 月 日 中文中文摘要摘要 受益于近几年数字集成电路 dsp 技术和射频调制技术的迅猛发展 无线通 讯产品已经普及渗透到人类生活的各个角落 然而 有了新产品和新技术的研发 问题也随之而来 和水资源和矿产资源一样 可供人类使用的频谱资源也是有限 的 我国 物权法 和 无线电管理条例 明确规定 无线电频谱资源属于国 家所有 产品进入市场前 必须经过射频性能检测 然而国内外法规对测试方法并无明确规定 无论是欧洲 美国还是我国的标 准法规对于通信设备的射频测试方法均是规定先进行样品测试 然后用天线进行 替代 俗称 功率替代 法测试 该方法不能在第一时间测得产品发射量大小 不能在整个标准要求的频段内 对信号频谱进行直观地观察 并且对重复频率小 随时间变化信号的测量准确度很低 测试效率非常低下 测试速度极其缓慢 测 试时间不确定 取决于产品发射量的大小频点数的多寡 测量结果难以数字化保 存对于研发阶段的产品的反复测量 很难达到要求 而且只能测试有限个少量频 率 本文旨在研发出一套能够弥补传统方法缺点但又不失精度的新系统 先从原 理上 分析可行性 然后再分析不同接收设备 测量天线 滤波器组 前置放大 等设备的能力范围 利用其特色并克服其不足 最后组建出一套系统 分析系统 性能 验证试验结果的准确定并计算了不确定度 针对标准规定 结合实际经验 本课题将针对传统测量方法的弊端 理论与 实际相结合 做到测量精度一致的前提下 寻找出一个高速高效的测试方法和测 试系统 对提高实验室的专业水平和经济效益 促进行业的发展和科技创新都将 起到一定的积极推动作用 关键词 关键词 射频辐射功率 功率替代 空损 杂散发射 射频开关 abstract benefiting from the rapid development of digital integrated circuits dsp technology and rf modulation technology in recent years wireless communication products have spread and penetrated into every corner of human life however with the r power substitution air loss spurious emission rf switch i 目 录 目 录 i 第一章 绪论 1 1 1 频谱资源的保护 1 1 2 频谱资源的划分 3 1 3 辐射功率测试 3 1 4 电波暗室测量 5 1 4 1 全电波暗室 6 1 4 2 半电波暗室 7 1 4 3 在全电波暗室内测试辐射功率 7 1 5 主要研究工作 8 1 6 本章小结 8 第二章 辐射发射功率替代测试法 9 2 1 引言 9 2 2 测试场地 测试天线和样品准备的要求 9 2 2 1 测试场地的选择 9 2 2 2 暗室内的寄生反射的影响 11 2 2 3 测试天线的选择 11 2 2 4 eut 的测试条件 12 2 3 功率替代法测试步骤 13 2 3 1 第一步 信号预扫 13 2 3 2 第二步 功率替代 15 2 4 替代法分析 16 2 5 本章小结 16 第三章 直接测量法的可行性方案研究 17 3 1 引言 17 3 2 改进的定义法 17 3 3 预校准法 19 ii 3 4 改进的预校准方法 20 3 5 各种测试方法的比较 21 3 6 本章小结 22 第四章 直接测量系统的设计与组建 23 4 1 引言 23 4 2 系统硬件的选用 23 4 2 1 emi 测量接收机和频谱分析仪 23 4 2 2 扫描参数作用和设置 26 4 2 3 测量天线的确定 28 4 2 4 射频继电器及滤波器组的选择 33 4 3 空损的校准 38 4 4 测试的限值及软件脚本的编制 41 4 4 1 测试的限值 41 4 4 2 测量带宽 43 4 4 3 软件脚本的编制 45 4 5 本章小结 47 第五章 结果评定 48 5 1 引言 48 5 2 空损值的比对 48 5 2 1 空损理论值计算 48 5 2 2 与空损实测值的比对 51 5 3 测试结果比对 52 5 4 测试不确定度的评定 53 5 4 1 第一阶段空损校准输入量的评定 54 5 4 2 第二阶段扫描测量输入量的评定 59 5 4 3 合成标准不确定度评定 62 5 5 本章小结 65 第六章 结论 66 参考文献 67 发表论文和参加科研情况说明 70 致 谢 71 第一章 绪论 1 第一章 绪论 1 1 频谱资源的保护 本课题的研究内容来源于实际测试工作中遇到的问题及困难 工作经验的归 纳总结 提炼及测试方法研究的结果陈述 从 1973 年 4 月的一天 一名男子站在纽约的街头 掏出一个约有两块砖头 大的无线电话并开始通话起 手机诞生了 人类从此摆脱了有线的束缚 进入了 崭新而辉煌的无线时代 下图统计了 1987 2007 年手机用户数的增长情况 1 2 图 1 1 10 年手机用户增长情况 如今这个数字远远不止这些 据国内三大运营商披露的最新数字 截止 2012 年 1 月份 中国的手机用户数已达 9 8758 亿 即将逼近 10 亿大关 到明年 4 月 手机已诞生整整 40 周年了 作为人类信息技术发展的标志性 产物 这个当年科技人员之间的竞争产物现在已经遍地开花 以手机为代表的大 量无线通信设备在人们生活中起了举足轻重的作用 给我们的现代生活带来了极 大的便利 然而几十年来 随着无线产品越来越多 不只是手机 还有蓝牙产品 第一章 绪论 2 wlan 对讲机 遥控器 超市防盗 checkpoint 等 正如高速公路是车辆行驶的 载体一样 无线电业务也需要有射频频率作为它们的载体 无线电频谱的定义为 9 khz 到 3000 ghz 频率范围内发射无线电波的无线 电频率的总称 作为空气中无处不在的电磁波的一种自然属性 无线电频率就像 其他自然资源一样是每个国家都能轻松均等得到的 但是看不见摸不着的无线电 频谱 有着以下六种独特的属性 一 有限性 由于现有科技水平和无线电波的固有高频传播特性 现阶段我 们的设备只能工作于 9 khz 到 3000 ghz 之间 虽然可以利用比较先进的时分 频分和空分技术来实现频率复用 但是根据现有情况 无线电设备的地区使用密 度还是相当高的 因此在同一地区同一时间 频谱资源还是显示出供不应求的局 面 二 排他性 这是电磁波有限性的原因 因为在同一时间 同一地点 同一 频率点上 一旦该频率被占用 别的设备就无法使用该频率工作了 这和其它自 然资源是一致的 三 复用性 尽管具有排他性 但是有了不同的调制和复用技术的支持 无 线电频谱还是具有复用性的 最好的例子就是我们最常使用的手机 gsm900 的 手机有相当一部分都是在 902 4 mhz 上工作的 但遗憾的是 这样的复用是有限 的 四 非耗竭性 可喜的是 与矿产资源和水资源等自然生物资源不同 无线 电频谱资源并不会因为曾被使用过而消失 它是无穷无尽的 不论利用与否它都 是那样存在着的 从这个意义上来说 不利用又是一种浪费 因此我们要尽可能 地利用它 但是要利用得合情合理 五 传播特性 就像太阳能一样 无线电频谱是人类共有的 不会因为地域 和文化的不同而分配不均 它的传播遵从着物理学的传播规律 这是人类无法改 变的 因此只要有能力 任何人 任何国家都可以在任何情况下使用无线电频谱 资源 六 易受污染性 这是很多自然资源的一种共有的弱点 利用不当会让无线 电频谱受到污染 产生很多不必要的噪声 使得其他设备无法利用 但是另一方 面 当产生噪声的干扰源去除之后 频谱将立即再次恢复纯净 由此可见 净化 频谱环境永远不嫌晚 西方许多国家对无线电频谱的保护意识要强于和早于我们 于是 中华人民 共和国无线电管理条例 由有关部门在 1993 年联合签署发布了 其内容总则明 确规定 无线电频谱资源属国家所有 国家对无线电频谱实行统一的规划 合 理开发 科学管理 有偿使用的原则 这是可喜可贺的 因为保护无线电频谱 第一章 绪论 3 资源首次在法律上有了一席之地 这与我国有关部门对我国我国无线电通信事业 发展客观要求的重视是分不开的 3 1 2 频谱资源的划分 网络频段为有限资源 极为宝贵 随着无线通信技术的不断发展 无线电频 率的使用日趋频繁 频谱资源的紧缺限制了无线通信的持续发展 4 为了合理使 用频谱资源 让所有无线设备都 有频可用 就必须对频谱资源进行合理划分 对频段进行精确分配 并严格限制通信设备的工作频段和辐射功率大小 归纳至今 我国已经发展了包括固定业务 移动业务 广播业务 无线电导 航业务等四十余种无线电业务 一般情况下 按照国际电联 international telecommunication union 的规定 按照目的业务 用户所在的部门 通讯设备 对无线电频谱进行频率划分 频率分配 频率指配 这三个名称是严格的概念 国际法中有定义 不可随意修改 这样做能够更加有效地加强对珍贵的频谱资 源的利用 同时也为规划部门 管理部门和生产部门的工作提供了更大的便利 另外 作为管理体系的基础 划分 分配和指配这三个概念在在不同层次上是互 相联系的 5 以上三个概念中 频率划分是最重要的 和频率管理政策职能息息相关 是 其核心概念 中华人民共和国频率划分规定 6 就是根据它而产生的规定 该 规定在我们规划频率的具体工作中有着实际的指导作用 在该规定指导下进行的 频率划分是快速 理性和科学的 符合我国可持续发展战略的总新思想 是各行 各业必须严肃遵守的行业规则 1 3 辐射功率测试 有了完善的法规条款之后 要切实做到对频谱资源的保护和合理利用 就必 须对严格对所有产品进行管制和监督 使得每种类型的产品都在分配的频段内发 射 而在频段之外就不允许有过大的以至于影响其他设备工作的频率出现 国内 的 yd 系列 gb 系列标准 美国的 fcc 法规 欧洲的 etsi en 系列标准 以 及国际 itu r 类指令都开辟了独立的章节甚至独立的标准编号对辐射功率测试 进行细致的描述 全球的无线产品在经过各国海关检查时 都需具备各权威实验 室或认证机构出具的辐射测试合格报告证书方可销往世界各地 辐射功率测试的 重要性由此可见一斑 下面 就简单介绍一下辐射功率 所谓辐射功率 就是用电器在工作时对外界以辐射形式而发射出的能效 第一章 绪论 4 在无线电测量中 各种通信设备的杂散辐射测试是非常重要的 如果通信设 备的杂散辐射不符合指标要求 那么它将影响其它设备的正常工作 7 根据产品 工作机制来分类 美国 fcc 法规 8 9 将用电器辐射体分为有意辐射体和无意辐射 体 有意辐射体为通过辐射或感应的方式有意产生和发射 rf 射频 能量的装 置 如手机 遥控器 微波炉 而无意发射体为意产生射频能量供给装置内部使 用或通过连线将射频信号传送给有关设备使用 但不是有意辐射或感应的方式来 发射射频能量的任一装置 简单来说 这些产品本身不需要射频能量才能工作 但是 有电即有辐射 电磁辐射 electromagnetic radiation 是指电磁能量以电磁 波形式由源发射到空间的现象 由经典的法拉第电磁感应定律可知 任何变化的 电流都会产生电磁能量 这些辐射通过电路中无意形成的等效天线向外发射 从 而形成电磁辐射 10 由于无意发射体的射频能量频谱广 强度小 因此我们这 里着重讨论的是能量频带集中且幅值高的有意发射体 根据辐射性质 辐射功率可以分为主频功率 带外辐射功率和杂散辐射功率 主频辐射 carrier emission 顾名思义就是设备在工作时所使用的工作频率 通常集中了大部分射频能量 是设备工作的有用信号 带外发射 out of band emission 是指非常邻近有效带宽的辐射 这些辐射 通常产生于调制过程中 但是带外辐射不包括杂散辐射 杂散发射 spurious emission 只是一个或一系列频率点 这些频率点位于 有效带宽之外 其大小可以在不影响传输信息的前提下进行抑制 杂散辐射包括 寄生辐射 谐波 交互调产物和频率变换过程 但是不包含带外辐射 按照一般的定义方式 在产品工作载波频率左右 2 5 倍宽度以内的辐射是带 外辐射 2 5 倍意外的则定义为杂散辐射 然而 现在有些如多载波设备之类的 特殊产品 由于其带宽很宽 工作及调制方式特殊 2 5 倍法则不适用 因此要 特殊情况特殊判断 进行适当修正 11 在现实生活中 我们比较关心的问题主要集中在以上三类辐射类型中的杂散 辐射的功率测量上 因为杂散辐射是对频谱资源的合理利用以及其它设备工作影 响最大的一类辐射 因此本文的主要内容也将围绕杂散辐射功率测试展开 经典的线性电路是不会产生杂散的 只有电路中存在非线性元器件 这是非 常普遍的 才会产生杂散 12 现代电路中的调制模块 放大模块等电路 都无可 避免的会使用到非线性电路 因此杂散总是存在的 简单解释如下 如果系统 电路 为线性系统 则它的的传递函数为 inout vkkv 10 1 1 其中 in v为信号输入 out v为信号输出 0 k为偏移量 1 k为权值 系数或增益 上式为典型的线性公式 式中只有加法和乘法运算 第一章 绪论 5 如果系统 电路 为非线性系统 则它的的传递函数为 3 3 2 210inininout vkvkvkkv 1 2 显然 非线性系统的传递函数比线性系统多了无穷多的幂函数运算 这些部 分就是所谓的非线性成分 更直观地举例观察 我们假设输入信号为正弦信号 则输出函数可以这样表示 taktak takakakkvout 3cos4 2cos2 cos4 32 3322 3311220 1 3 其中 t 2cos t 3cos分别为输入函数的 2 次 3 次谐波 0 k 1 k同线性 函数 2 k 3 k 则为非线性失真系数 表征了非线性分量所占的比例 即失 真的程度 1 a 2 a 3 a 为谐波的大小 也决定了失真度 更复杂一点 当输入信号为两个正弦信号时 输出函数可表示为 tttt tttttttt ttttttout cc cccc cccccccv 1212211 2110219218217 2615241322110 2cos2cos 2cos2coscoscos 3cos3cos2cos2coscoscos 1 4 这样便产生了另一种称之为 互调失真 的信号 从前几段定义可知 这些 都是失真的产物 它们和其它各种失真合起来被定义和概括为杂散辐射 至于另两类辐射 由于只是频段的区别差异 因此测试方法与杂散测试完全 一致 1 4 电波暗室测量 电波暗室 anechoic chamber 又称电波消声室或电波无反射室 13 通常对于 杂散辐射试验来说 测试场地分为三种 分别是全电波暗室 半电波暗室和开阔 场 在这三种测试场地中的杂散辐射场一般都可以认为符合电磁波在自由空间中 的传播规律 14 三种暗室中 电波暗室的外壁是屏蔽室 内壁上会铺有电磁波的 吸收材料 以防止电磁波反射 建造场地不受地域影响 而开阔场一般建造于野 外或者山谷中间等电磁环境清洁的场所 对场地要求比较高 三种暗室各有各的 特点 电磁波在其中的传播呈现出不同的特性 不同的法规标准会对测试场地有 不同的要求 而半电波暗室一般用来代替开阔场 而本文涉及的大多数辐射杂散 第一章 绪论 6 测试是在全电波暗室中完成的 因此讨论重点放在全电波暗室测量 而其他场所 也是有必要简单介绍的 1 4 1 全电波暗室 建造全电波暗室的目的是模拟理想无反射空间 此类暗室的内壁六个面都安 装有吸波材料 电磁波从暗室中某一点的辐射源辐射出之后 直射波可以顺利到 达接收点 反射波在任意方向上 由于受到吸波材料的衰减 都有了大幅度的损 耗 几乎为零 这种场地不需要模拟实际情况 对需要查看产品本身性能的情况 很适合 另外 全波暗室对于接收天线的极化不敏感 因为上下和左右是对称的 全电波暗室通常用静区 反射率电平 交叉极化度 多路径损耗 幅度均匀性和 工作频率等六项指标来表示 15 全电波暗室减小了外界电磁波信号对测试信号的 干扰 同时电磁波吸波材料可以减小由于墙壁和天花板的反射对测试结果造成的 多径效应影响 实际使用中 如果屏蔽体的屏蔽效能能够达到 80 db 140 db 那 么对于外界环境的干扰就可以忽略不计 在全电波暗室中可以模拟自由空间的情 况 同半电波暗室和开阔场相比 全电波暗室的地面 天花板和墙壁反射最小 受外界环境干扰最小 并且不受外界天气的影响 它的缺点在于受成本制约 测 试空间有限 全电波暗室的测试示意概图如图 1 2 所示 图 1 2 全电波暗室测量布置示意图 第一章 绪论 7 1 4 2 半电波暗室 半电波暗室是开阔场的替代 它与开阔场相比有着背景好 建造地点灵活的 优点 与全电波暗室不同 所谓半电波暗室 其全称是 半无反射电磁波暗室 顾名思义它不能在各个方向上全部吸收电磁波 那是由于半电波暗室的地面是导 电性良好的金属板 这样做的目的是为了考察产品在实际使用情况下的表现如何 而设计出的一种 近似于 现实情况的场地 这样的配置重复性好 建造相对简 单 但是反射路径相对复杂 接收信号是辐射源处发出的直射波和地面反射波的 矢量和 仿真和模拟需要经过一定程度的计算才能得到成果 但是相较于现实情 况 还是简化易算了许多 如图 1 3 所示 菲涅尔椭园两个焦点的距离即是我们 所要求的测量距离 根据现有标准可分为 3m 10m 和 30m 16 图 1 3 半电波暗室测量布置及反射示意图 1 4 3 在全电波暗室内测试辐射功率 由以上两节可知 半电波暗室天线接收到的辐射功率值是由直射波与反射波 的矢量和叠加而成的 值受到天线高度 测试距离 测试频段和样品大小的影响 由于杂散辐射功率测量的是理想无限尺寸无反射空间内样品直射的功率 而全电 波暗室就是该理想空间的最佳场地 所以将辐射功率测试应选择在全电波暗室内 测试 第一章 绪论 8 另外 考虑到无线发射产品大多尺寸不大 而工作频率就较高 因此 3m 测 试距离已经能够满足测试要求了 而全电波暗室造价要比半电波暗室低 因此从 经济角度考虑 全电波暗室也是不错的选择 由上所述 本文选择在全电波暗室内研究辐射功率测试方法 关于全电波暗 室的详细情况 可想见本文 2 2 1 节 1 5 主要研究工作 本次毕业设计中 完成的主要研究工作有 1 传统测量方法的弊端分析 对传统测试方法的介绍 分支 从具体的测试方法上指出其效率低下 容易 却是频点 测试过程复杂的缺点 并由此引出直接测量法 2 几种直接测量方法的思路选择 提出几种直接测量法及其分析研究过程 并确定最终研究方案 3 选定测量方法及测试系统的研制 从系统拓扑结构 具体仪器选择 系统搭建和测试软件选择这几个方面来着 手研究直接测量系统 并给出具体详细的系统结构图 4 测试结果的比对 分别用传统测试系统和直接测量系统对同一样品进行测试 并比对结果 阐 明 直接测量系统并不会因为提高了效率而降低了测试准确度 5 不确定度的评定 进行测试结果的比对和系统有效性的验证 并且评定直接测试系统的不确定 度 1 6 本章小结 全波暗室直接测量系统在射频通信设备测试认证流程中 占有很重要的地 位 比传统功率替代测试法有效率高 频谱覆盖全 不易漏点 操作简易的特点 本文对测试系统的搭建 测试脚本的编写方面进行了一定的尝试 选用了不同厂 商的仪器设备进行组合 特别是 r 相对湿度 20 到 75 对于交流供电设备 正常的电压条件应为设备额定电压 而交流电源频率则 因保持在 49 hz 到 51 hz 之间 对于电池供电设备 正常电压应为 电池电压的 1 1 倍 3 极限测试电压 极限测试电压可按表 2 1 对应 eut 实际情况设置 第二章 辐射发射功率替代测试法 13 表 2 1 极限电压条件 电压 相对于额定电压 电源类型 极低电压 极高电压 通常情况 ac 电源 0 9 eu 1 1 1 0 可调式铅酸蓄电池 0 9 1 3 1 1 不可调电池 锂电池 0 85 1 0 1 0 汞 镍镉电池 0 9 1 0 1 0 实际操作时 我们一般用所谓 假电池 取代产品电池进行测试 假电池是 一块由 eut 制造商提供的与产品电池外形一致的电池 不过其内部不含有储能 化学成分 仅有两根导线连接至外部之流稳压电源 可以通过调整稳压电源输出 电压来实现极限电压 极限电压的目的是模拟电池电量低 正常使用和连接充电 器是的状态 在极限条件下测试通过的样品可保证在这些状态下工作仍然正常 4 物理结构和配置的设置 当被测样品有多重不同的工作模式 例如滑盖的展开与回缩 翻盖的打开与 关合或伸展天线的伸出与收缩等 时 则每个模式会导致发射体物理结构的变化 从而影响样品的发射情况 根据标准要求 测试应该在最差模式下进行 那么寻 找最差模式 worst case 就变得异常重要 一般寻找的过程非常耗时 只有通 过一次一次的重复试验才能得到可靠的结果 5 连接状态设置 业务模式 样品已注册到网络 并且处于正常工作的最大发射功率下 空闲模式 样品已注册到网络 但是不发射 处于待机或等待被叫状态 2 3 功率替代法测试步骤 2 3 1 第一步 信号预扫 按照图 2 3 进行布置测试场地 eut 在连接假电池的情况下安放于测试支架 上 接收天线则在距离 3 米外置于与 eut 同等高度处 保证等高的原因是使天 线距离 eut 最近测量到 eut 发射的信号最大 高度选择要适中 过高不便于摆 放 过低测量天线的下端距离地面的吸波材料又太近 因此我们根据我们的实际 情况选择比较合适的 1 7 米 第二章 辐射发射功率替代测试法 14 图 2 3 第一步 信号扫描 首先 将 eut 摆放至转台中心 调至正常的工作模式 建立起通信 eut 支架及转台的选择 大多数情况会使用木质支架 但是实际操作发现 由于木材 中含有杂质和水分 介电性能不稳定 我们这里采用具有良好介电常数的聚氯乙 烯泡沫桌和固定场强探头专用的立柱 只有电磁场透明的材料才能保证对测试结 果的影响最小 另一边 接受天线通过同轴电缆连接至暗室外面的接收机 频谱 仪 然后 保持转台静止 接收机 频谱仪 开始读数 将已对准 eut 的测量 天线在 eut 的高度处进行幅度不大的上下偏移 进一步确认 eut 发射最大的位 置 确认好最大点之后 保持天线不动 转台开始缓慢转动 360 转速要足够 慢 以至于扫描结果足够细致 不会遗漏任一角度的辐射 此步骤是最考验测试 人员的水平和耐心的 因为如果频段分得少 需要观察的频谱就比较宽 很难同 时监测整条曲线 而且由于接受设备采样点数的限值 对于一些比如 gsm 手机 所用的 gmsk tdma 窄带信号 容易漏点 如果频段分得多 必须重复测量很 多次 才能覆盖全频段 特别是对于一些高速变化或者不稳定的时变信号 在频 域内只能靠观察者的目测抓取 在上一步中 观察者需在测量同时记录下所有感兴趣或者可疑可能超标的频 点 并同时记录下其出现的角度 以备功率替代时测量 需要完成整个预扫 测试人员需要不断重复测试所有的天线极化 水平垂 直 测试频段 30 mhz 到 12 75 ghz 频率下限一般固定为 30 mhz 上限一 般根据标准不同而不同 样品的工作模式 gsm 900 pcs 1800 通信状态 业务模式 空闲模式 使用模式 带耳机 不带耳机 极限电压 物理结 构 滑盖 翻盖 伸展天线 等等相当多的因素一一排列组合进行测试 这样一 来 该测试对于测试人员的技术和耐心都是相当大的考验 第二章 辐射发射功率替代测试法 15 2 3 2 第二步 功率替代 记录下所感兴趣的频点和数值大小之后 就要进行第二步的功率替代测试 以之中一个频点为例 假设第一步在频点 f 处测出的读数为 v 如图 2 4 所示 图 2 4 第二步 功率替代 严格保持接收端所有配置不变 将第一步时被测的 eut 移走 取而代之的 是替代所用的发射天线 发射天线的信号由在暗室外部的信号源通过同轴电缆馈 入 将发射天线对准接受天线 打开信号源的射频输出 接收天线开始读数 这里天线对准是关键 无论是何种天线 都很难保证发射真正的平面波 天 线增益都是角度的函数 角度偏差一点 增益就会有些许差异 再将差异延生至 三米之外 相对误差就很有可能变大 因此天线是不是对准对测量结果有影响 将接收机或频谱仪调谐至频率 f 处观察 调节信号源输出功率大小 直到收 到的值等于 v 记录下此时信号源输出值的大小 假设为 p 则频点 f 的替代工 作结束 由以下公式可以算出 eut 在频点 f 时的真实辐射值的大小 gappeut 2 1 公式中 eut p为 eut 的辐射功率大小 单位为 dbm p为信号源输出功率 单位为 dbm a为连接信号源与发射天线的同轴电缆的插入损耗 单位为 db g则为发射天线的增益值 单位为 dbi 或 dbd 重复以上步骤直到所有在第一步记录下的频点都被替代完成 整个测试才算 真正完成 同时 eut 是否通过测试即杂散辐射功率有没有超标才能得知 第二章 辐射发射功率替代测试法 16 2 4 替代法分析 由以上介绍可以得知 功率替代法的缺点为 不能在第一时间测得产品发射 量大小 只等能到测试最后才能知道结果 对于那些需要及时知晓产品情况 通 过重复测量来整改产品的客户 很不适用 同时它也不能在整个标准要求得频段 内 对信号频谱进行直观地观察 只能观察一些离散的数量不多的点 第一步扫 描时很容易漏点 对重复频率小 随时间变化信号的测量准确度很低 因为分了 很多段之后 为了保证测试效率 不可能某一段进行很久的观察 测试效率非常 地下 测试速度极其缓慢 这是显而易见的 而且测试时间不确定 取决于产品 发射量的大小频点数的多寡 测量结果难以数字化保存 没有测试曲线 结果都 是表格 测试必须 一次成型 因为第二步替代时 接收端的配置 包括天线 距离 电缆连接等 必须保持完全不变 因此扫描完毕后必须尽快完成替代 对 于某些有时间限制的实际测试案例 相当缺乏灵活性 2 5 本章小结 传统功率替代测试方法没有考虑到实际测试情况所面临的效率和可操作性 的问题 具有很大的弊端 目前在实验室内实行起来很不方便 因此亟待用新方 法来解决其不足之处 以便推广使用 第三章 直接测量法的可行性方案研究 17 第三章 直接测量法的可行性方案研究 3 1 引言 第二章中 介绍了全波暗室内进行杂散辐射功率测试的部分注意事项和传统 替代法操作原理 并对其利弊做出了一定分析 本章中 根据测试原理和实际情 况提出了几种直接测量法的方案 并从准确性和可行性角度进行分析 并确定最 终测试系统所采用的方案 3 2 改进的定义法 对于 cispr22 20 的测试流程 一般的测试人员都比较熟悉 该方法就是从 此处入手 将 cispr22 的测试结果经过理论计算进行转化 从而得到功率值 按照 cispr22 先进行辐射发射测试 得到样品的发射值 此时得到的发射大小 是以电场强度 db v m 为单位的 由于杂散辐射功率测量的单位是功率 因此电 场单位和功率单位需要进行一系列转化才能使用 而在一定条件下 两者是可以 相互转换的 按照以下步骤可以推导出场强与功率之间的关系 两者之间是这样 进行换算的 将发射天线 即替代天线 的增益表示为 t g 天线的输入功率表示为 t p 那么可以得到在距离该天线 d 米处的功率密度值为 21 2 4 d p gs t t 3 1 辐射功率测量的一般是远场 而在该条件下 有电场矢量 e 和磁场矢量 h 相 互垂直的事实 即 hes 22 3 2 又因为 0 e h 式中 0为自由空间的波阻抗 其大小为377120 可 得 第三章 直接测量法的可行性方案研究 18 0 2 e s 3 3 综合以上三个表达式 可以得到 2 0 2 4 d pt gt e 3 4 d gtpt d gtpt e 30 4 377 2 3 5 一般发射 替代 天线使用的是半波偶极子天线 偶极子天线的理论增益为 64 1 t g 那么 9 106lg20 dmvdbedbmpt 3 6 式中的物理量单位分别为 mvdbe mwpt md 至此我们便可 得到电场与功率之间的理论关系 也就是说只要测到了电场 就能得到功率值 但是该方法纯粹基于理想空间的理论计算 不考虑全波暗室墙面依然存在的微量 反射 也没考虑电磁波在距离 d 上传播时的自由空间损耗值 因此理论与实际测 量之间会有比较大的误差 最大可能会达到 6 db 不能用于最终测试 当测量 结果距离限值的余量不足 6 db 时 需要经过功率替代法的验证 方可实现精确 测量 优点 本节方法 利用理论公式结合测量 可比较准确的找出待测样品可能 超标的点 然后再进行功率替代测试 这种方法的好处是具有一定的指导性 减 少了预扫的盲目性 相对功率替代法 减少了需要替代的频点的个数 节省了一 部分工作量 提高了测试的整体速度 缺点 由于理论计算考虑因素的不足 本节方法不能做到十分精确 测量结 果不具有直接出具报告的能力 大多数频点可能还是需要功率替代法的验证 因 此 该方法对于工作量的减少和测试效率的提升虽然有一定帮助 但是效果不理 想 第三章 直接测量法的可行性方案研究 19 3 3 预校准法 基于上节的方法 通过场强计算得到功率值 那么在发射天线处发射已知功 率 是否也能得到固定的场强值呢 本节方法的思路便是上节方法的衍生 在测 试前先做的场地校准 然后再进行测试 该方法的具体操作如图 3 1 所示 先阅 读当前测试所用标准 找到标准内所需通过的规定限制 然后以该限制为依据 用信号发生器连接发射天线置于样品所在位置 将测量范围细化成有限个频点 一次在这些频点上将信号源调制限制要求的功率输出并馈入到发射天线 暗室另 一头则经过测量得到一条以频率为横坐标的场强值曲线 显然 该场强值曲线意 味着实际测试时 样品发射允许的发射上限 也就是说 本节方法将功率测量转 换成为了普通的电场测量 当然 在实际测量时 样品的辐射高点的频率不一定 匹配校准时的频率 那么就需要利用线性内插的方法得到该点的场强限值 经过 这样的转化后 测试时 只需要按照一般的辐射测量方法进行测试 将所得到的 场强值与事先校准好的 最大场强限值 比较 就能得到 eut 是否通过测试的 结论了 图 3 1 预校准法 优点 使用本节的方法 先得到辐射场强和辐射功率的对应关系 可以在测 试时实时看出 eut 是否在辐射功率上超过了标准规定的限值要求 校准结果的 最大场强 限值也可重复使用 因此测试效率要比功率替代法高 另外由于校 准最大值限值时结果自然而然地包含了场地反射和空损等因素 因此测试结果又 比上一节的方法准确 缺点 该方法最大的缺点是只能通过测试指导样品是否超过了限值 但是却 看不出样品具体的辐射功率的大小 这是非常遗憾的一点 另外 测试标准不止 一本 新的会产生 旧的会淘汰 现行的也有多种 而 最大场强限值 的校准 第三章 直接测量法的可行性方案研究 20 又依赖于标准的限值 不同的产品使用不同的标准 因此该方法的灵活性不够 最后 由于测试结果由功率变成的电场强度 因此数据也不直观 对于检测机构 出具检测报告也不适合 3 4 改进的预校准方法 从上一节的思路继续考虑 最大场强限值 法之所以依赖于测试标准 是 因为信号源需要输入限值所规定的大小 但是 不难发现 对于固定配置场地 即测试环境固定的情况 信号从发射天线到接收天线的路径上所经历的空间损耗 值其实是不变的 这样的话 单独校准测试场地的空间损耗就不依赖于标准了 参考图 3 2 我们假设发射信号源输入到发射天线的功率为 tx p 接收设备 受到的功率值为 rx p 而信号经过的路径损耗为 al 由上一段分析可知 对于 固定测试环境内的固定测试距离 al 是稳定不变的 则可得到 alpp txrx 3 7 对于测试过程 则需要移项 alpp rxtx 3 8 显然 校准了 al 之后 可以直接测量到样品在的是距离上的所有杂散辐射 功率的大小值 且无需单点替代 图 3 2 宽带天线校准法 第三章 直接测量法的可行性方案研究 21 下面再进行进一步的改进 发射天线是偶极子天线 不同频点需要调谐不同 长度 而预先校准空间损耗 al 是要在测试的全频段范围内进行 这样就会导致 极其庞大的工作量 这是非常影响测试效率的 解决方法是用宽带天线替代偶极 子天线 并在计算最后功率的计算公式上增加修正因子 即宽带天线转化为偶极 子天线的增益值 另外 接收机设备测量得到的是电压值 需要修正为功率值 综上所述 可得 15 2 dbi 107 gainalcldbvdbdbmerp 接收机读数 3 9 式中 cl 为 cable loss 及线缆损耗 gain 为天线增益 2 15 为 dbi 到 dbd 之间的转换系数 值的注意的是 在校验 al 是 接收天线的 af 天线因子 是被包含在校 准参数内的 因此校准时的天线和测量时的天线必须保持一致 使用相同天线 校准时 先将连至收发天线的电缆对接 信号源发适当的电平使得接收仪器 接收到 得到一组不大的衰减值 然后 分开电缆 安装两幅天线 对齐 重复 刚才的操作之后 得到一组相对较大的衰减值 将两个衰减值相减 及为我们所 要求得的空间损耗值 al 有了衰减值 al 便可通过参数不长来直接测量 eut 的杂散辐射功率大小了 由于本节的方法包含了各种场地因素 因此测试结果是比较精确的 但是最 权威 最具说服力的还是传统的偶极子功率替代法 因此在结果有争议的情况下 还是需要用传统方法来验证个别有争议的频点 优点 本节方法为所有方法中最后得到的也是相对最科学的方法 考虑了暗 室反射 空间损耗 测试效率等因素 基本能达到高效测试的目的 3 5 各种测试方法的比较 下表总结归纳了几种本章和前一章讨论的测试方法的优缺点 第三章 直接测量法的可行性方案研究 22 表 3 1 各种测试方法的优缺点表 优劣点 测试方法 优点 待改进的方面 定义法 功 率替代法 是标准规定的方法 测试结 果准确 测试误差小 测试需要用可调谐的 振子天线 每测试一个 频率都要换天线 测试 繁琐 花费时间最长 改进的定义 法 在定义法的基础上改进 用 宽带的接收天线测试 测试 效率提高 花费时间小 对 预测试和整改测试很实用 理论计算场地的空间 电磁波损耗 造成误 差 测试依然较长 效 率不是很高 预校准法 用宽带天线作为接收和发射 天线 一次预校准后不再进 行后续的校准 准确的评估 了场地因素 减少了测试误 差 测试效率高 测试单位和标准不统 一 测试结果无法直接 比较 改进的预校 准法 用宽带天线作为接收和发射 天线 考虑了场地因素 测 试误差很小 测试效率很高 测试的重复性好 在测试结果和标准限 值相差不大时 还需要 用定义法进行验证 以上的对比表很显然地揭示了最后一种方法是最为科学而行之有效的方法 兼顾 了测试精度 测试效率和测试的实用及可操作性 不失为一种值得研究开发的好 方法 只要实验室能力条件允许 都应该采用这样的方法进行测试 3 6 本章小结 本章着重介绍了几种可行的直接测试方法的方案 并分析了其可行性和优缺 点 最后确定改进的预校准法是行之有效的最优方法 该发效率高 工作量需求 少精度也能够保证 虽然校准有一定复杂性 而且自动测试系统比手动测试系统 要复杂许多 但是能够保证可观的回报 第四章 直接测量系统的设计与组建 23 第四章 直接测量系统的设计与组建 4 1 引言 经过前一章的讨论 可以确定采用空损校准法方案来测试辐射功率 是比较 科学有效的方案 因此本章将着手从硬件选择 软件脚本编制等方面逐步搭建直 接测量系统 由于系统比较复杂精度要求高 因此必须逐一拆解 分节讨论 其 中空间损耗的校准更是最总要的环节 4 2 系统硬件的选用 接收仪器担任着测量系统的最终结果接收分析呈现的重要角色 它的选择和 设置直接体现出测试结果的差异 选择一台灵敏度高 低噪小的测量仪器 是测 试成功的有力保证 选择测量仪器同样要从软件设置和硬件选择两个角度入手 4 2 1 emi 测量接收机和频谱分析仪 众所周知 示波器可以从时域上分析信号 那么从频域上分析信号一般就有 两个选择 接收机和频谱仪 a 频谱分析仪 频谱分析仪的原理图如图 4 1 所示 图 4 1 频谱分析仪原理框图 第四章 直接测量系统的设计与组建 24 由图可见 采用频率扫描超外差的工作方式的频谱仪 本振产生信号与接收 到的输入信号通过混频器混频 这个信号可以通过中频放大器的功能就是放大等 于中频的混频频率提供给峰值检波用 然后视频放大器进一步放大来显示信号 所谓本振电路 它的振荡频率不是固定的 会随着时间变化 于是在不同时刻 当本振频率在屏幕上从左至右递增时 当本振荡器的频率随着时间进行扫描时 每个频率点信号幅值的大小就呈现在了显示器上 这些波形被保留下来知道下一 次扫描刷新 一般扫描时间都是毫秒数量级 因此频谱仪的屏幕以很快的速度连 续不断的刷新 那就是我们看到的实时频谱值 23 b emi 测量接收机 从实质上将 emi 接收机其实是一台可调谐的 有频率选择能力的 有非常 高精度的振幅响应电压表 其结构图如图 4 2 所示 图 4 2 emi 测量接收机原理框图 各部分功能如下 1 传感器 就是接收机的外部信号采集器 可以是网络 电压探头 测量 天线等等 2 输入衰减器 接收机是很精密的仪器 很容易受到损坏 因此衰减器可 以在信号进入仪器前对其进行缩小 从而保护接收机 提高仪器的动态范围 以 免器因过载而损坏 3 校准信号源 接收机一般自带自校功能 这都要依赖于仪器本身自带的 校准信号源 仪器内的开关切换继电器能够将信号源输出还回进接受端 从而判 断接收机是否能正常接受信号 4 射频放大器 放大器的目的就是降低接收机的本地噪声 从而提高仪器 的灵敏度 放大器一般用来处理小信号 与衰减器正好相反 第四章 直接测量系统的设计与组建 25 5 混频器 对于某一频点 同频谱仪一样 接收机也需要混频器将其混成 一个较低的频率之后 使其分离出来 然后利用中频滤波器将其滤出 6 本机振荡器 本振提供的信号就是用于中频混频的信号 7 中频放大器 射频放大器用于放大接收的全段频谱信号 而中频放大器 由于调谐选择电路的作用 只放大工作频点的信号 是为了获得清晰地信号图样 而采用的高灵敏度和选择性的第二级放大器 8 检波器 检波器是接收机处理信号的最后一个环节 针对不同测试要求 emi 接收机的多个检波器可以输出峰值 平均值 准峰值 功率平均 均方根 值等不同的信号 c 频谱仪和接收机的区别 频谱仪和接收机目前是使用最广泛的射频接收设备 对于辐射杂散测试 两 者都能在一定的情况下适用 但是各有各的特点 下面就外差式频谱分析仪与接 收机之间的主要差别作一分析 频谱仪与接收机类似 但是频谱仪与接收机在以下几方面差别较大 前端预 选器 本振信号扫描 中频滤波器 测量精度 1 rf 预选器 有预选器是接收机区别于频谱仪的最大之处 图 4 1 所示的频谱仪 接收信 号只经过简单的衰减滤波处理 就进入了混频器 因此频谱仪的混频器是无视当 前测量频点而全频扫描工作的 为了显示大信号和小信号 频谱仪的混频器需要 有相当大的动态范围 可惜的是一般频谱仪的动态范围不是很理想 对于动态范 围有限的频谱仪来说 当输入信号比较大时 为了使混频器不过载 就必须加衰 减 但是加了衰减又看不到小信号 因此这样的特点就使得大小信号同时出现在 同一频谱扫描范围内时的情况变得难以应付 因此很显然频谱仪测量范围宽的信 号不是很精确 预选器是一个带有一系列滤波器和开关的组合器件 它的响应时间和滤波精 度很高 接收机其实就是带有预选器的频谱仪 如图 4 2 所示 预选器安装在混 频器之前 对输入频谱先进行选择过滤 然后再送入混频器 预选器极快的响应 速度能够实现实时跟踪当前扫描频点 使得仪器能够针对当前频点的电平值大小 进行分段衰减 从而扩大接收机的测量动态范围 并使其具有很高的精度 2 步进式测量 用专业术语来说 频谱仪能 sweep 而接收机既能 sweep 又能 scan 因为预选器的存在 使得单点测量信号变成可能 因此用接收机测量出来的曲线 是用单点间隔了事先设置好的步进一点一点描绘出来的 而不像频谱仪是在几百 第四章 直接测量系统的设计与组建 26 毫秒内扫出来的 因此 从测量方式上讲 这所谓的 步进式测量 也保证了接 收机具有高的精度 3 中频滤波器和视频滤波器 带宽不同也是接收机和频谱仪测量时的一个明显特征 接收机一般用的是 6 db 带宽 而频谱仪用的是 3 db 带宽 同样的信号 用不同的带宽去测量 出来 的结果是不同的 具体的表示如图 4 3 a 和图 4 3 b 所示 图 4 3 a 频谱仪 rbw 滤波器 图 4 3 b 接收机 ifbw 滤波器 从图中可以看出 当选用相同带宽时 频谱仪和接收机测得的信号是大小不 同的 综上所述 一般优先选用接收机来进行测试 而且一般接收机也是可以切换 到频谱仪模式的 目前我们单位的接收设备已经能够满足测试要求 不需要另外 购置 现有的接收机型号为 罗德与施瓦茨公司生产的 esib 26 esu 8 esu 26 和安捷伦公司生产的 现有频谱仪型号为 罗德与施瓦茨公司的 fsu 26 和安捷 伦公司的 考虑到软件的兼容性和已有的测试场地资源配置方式 esu 8 esu 26 和 fsu 26 都是不错的选择 其中后两者可以测试到 26 ghz 前者可以覆盖到 8 ghz 可根据不同测试标准要求选择 esib 26