无线终端设备辐射杂散测量技术研究

陆伟继 李越鳌 李 伟 王 鑫

（威凯检测技术有限公司 广州 510663）

引言

随着新时代物联网技术的不断发展，无线终端产品在人们日常生活的方方面面已经很普及。无线终端产品为人们生活带来极大便利，受到广大消费者的欢迎，典型包括智能家居，移动终端等设备。而辐射杂散是衡量无线终端产品是否符合电磁兼容特性、符合无限大频谱管理规范相关要求的一项重要指标。辐射杂散（简称RSE）是指用标准发射信号调制的过程中，载频除外和由于切换瞬态和调制在正常的情况下所引起的边带以及邻道以外离散频率上的辐射。杂散辐射产生的谐波分量、交调信号等因素可能是由一些非线性元器件组成。

当前，世界各国在对无线终端类设备都有市场准入规则进行无线电频谱管理，如中国的型号核准、美国的FCC认证、欧盟的RED认证，均要求对该项指标进行测试。

1 辐射杂散分析

在无线电设备测量中，杂散辐射测试如果达不到标准的范围内，那么它将会影响到其他设备的正常工作，所以说测试杂散辐射对于各种通信设备来说是非常重要的。按照辐射本质来分析，辐射功率主要可以分为主频功率、带外辐射功率和杂散辐射功率。

主频发射功率（carrier emissionpower）一般是指设备在正常的工作状态所使用的频率且产生的射频能量，这种有用信号是设备工作时产生的[1]；

带外发射功率（out-of-band emissionpower）是在调制过程中且以超出必要带宽之外的单个或多个频率发射，除辐射杂散之外[1]。

杂散发射功率（spurious emissionpower）是指在有效带宽之外所产生的一系列或者某个发射的频率点。因此，其在不影响信息传输的过程中，发射的电平大小可以调整。杂散辐射包括谐波发射、寄生发射、变频产物和互调产物的过程，除带外辐射之外[1]。

根据辐射杂散的定义，带外辐射是产品在工作载波频率2.5倍宽度左右以内的辐射，而杂散辐射是产品在工作载频2.5倍宽度左右以外的辐射[3]。目前有很多特殊类产品的载波设备，由于载频设备的工作方式、调制方式和带宽比较宽的特殊情况，需要特殊原因特殊分析进行适当修改，因此导致不适用2.5倍法则。

按照以上三类杂散辐射的功率测量，在我们日常生活中是最为关注的问题，在其他通信设备工作和频谱资源的有效利用中，杂散辐射对它们的影响是非常大的一种辐射，因此本文将围绕杂散辐射功率展开的主要内容。

目前对测试方法在国内外法规有明确的规定[1,2,4]，而“功率替代”法测试，对于无线通信设备规定先测试样品再用天线替代的辐射杂散测试方法，该方法无论是美国、欧洲还是国内都用这样的标准法规。这种方法不能在短时间内测试出设备的发射量大小且频段不在测试标准要求内，从而能直接的观察频谱信号；对频率重复率较低、信号随时间变化测试不准确且测试速度慢和效率低；由于产品设备发射频点数的多少会导致测试时间不稳定；而测试数据不准确，是对产品设备在研发中反复测试无法达到实际的理想要求。因此，只能少量频率的有限测试。

2 测试方法

2.1 电波暗室选择

电波暗室（Anechoic Chamber）通常在暗室的设计功能上和杂散辐射的试验中，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。而这三种试验场地是符合电磁波在自由空间的传播规律的情况下测试杂散辐射。其中电波暗室是一个特殊屏蔽设计的六面体暗室，在内部的四周墙壁、天花板和地板都铺盖上电磁波吸收材料，有效防止电磁波的射入和使其散射衰减，同时也有利于提高暗室的低频性能，其建造场地跟地域无关；而开阔场是平坦、空旷、且有良好的导电率以及无任何反射物的圆形场地，由于其建造场地比较特殊，一般选择在野外等空旷、平坦的清洁电磁环境场所。由于电磁波传播的特性不同，同时也呈现出三种暗室不同的特点。在测试场地不同需要对应不同的法规标准进行测量，而半电波暗室是开阔场的替代场地，因此可以直接沿用开阔场的测量方法。半电波暗室天线接收到的辐射功率值是受天线高度、测试距离核频段以及样品大小的影响，因为其辐射功率值是由直接波与反射波的矢量和叠加而成的。由于杂散辐射功率测量样品的直射功率是在无反射无限空间内进行测试，所以杂散辐射功率测试选择在全电波暗室室内测试是比较理想的场地。

2.2 直接法测量

2.2.1 校准方法

在对无线移动通信终端设备进行辐射杂散测试前应对测试场地全电波暗室的空间链路损耗进行校准。其基本校准方法普遍采用替代法进行校准，布置如图1，其基本方法如下：

图1 功率替代法布置图

首先，需要具备信号源、覆盖相应发射频段的标准发射天线（天线增益为已知），接收天线及接收测试设备如测量接收机或者频谱仪设备。基本配置如下：

通常而言，一般实验室采用的测试场地为3米法全电波暗室进行测试，对空间链路损耗采用替代法进行校准，具体步骤如下：

第一步，信号源发射一定的电平信号S，连接上发射和接收天线进行测试，在测试接收机或者频谱仪上获得测量值为A。则有

式中：

S—信号源发射信号电平，单位为dBm；

C—线缆损耗，单位为dB；

Gt—发射天线增益，单位为dBi或者dBd；

A—接收机或者频谱仪上读值，单位为dBm；

F—系统补偿，单位为dBm。

2.2.2 测试方法

发射杂散辐射的测试基本配置如图2所示。按照相关规范要求通过无线综合测试仪（模拟基站）与无线通信终端通过无线方式建立通信链路。模拟基站的信号应适中，不应对测试结果判定造成影响。

图2 在全电波暗室辐射杂散测试基本布置图

被测设备（EUT）无线通信终端放置于全电波暗室转台中心位置。接收天线通常为宽带天线，天线高度为被测物（EUT）物理中心高度。测试转台0～360 °旋转，接收天线分别对水平极化和垂直极化进行测量。

利用前期校准的步骤获得的全电波暗室的系统补偿值进行修正，可以测量出无线通信终端的辐射杂散值。

3 辐射杂散的影响因素

辐射杂散指标的测试是衡量无线移动通信终端设备无线频谱性能的重要指标之一，本章将从温度、转台步进以及放置测试桌材料三个因素来对辐射杂散测试结果的影响进行分析。

3.1 温度对辐射杂散影响

本文主要研究无线终端设备的辐射杂散测试，其无线射频模块的电路都是由线性元器件和非线性元器件组成。当非线性元器件从通电到断开的过程中，电路的工作周期会发生温度变化且导致性能同时发生变化。因此，非线性元器件的射频电路的变化是随着其性能的变化而变化，而温度的变化会对非线性元器件产生一定的影响，以下是对温度因素的分析：

非线性元器件的阻抗值不为定值，而阻抗值是由温度或者外界其因素的变化而变化。当信号输入非线性元器件系统并通过之后，导致产生其他频率引起输出信号的波形发生改变。由于射频电路产生的单倍频谐波和双倍频谐波，是因其电路的非线性特性和半导体元器件导致的。

在试验的过程中，当被测设备在长时间不断发射信号的情况下，其内部的元器件会导致温度上升，因此，根据以上分析温度变化会对被测设备的测试结果产生一定的影响。

本次试验是在其他测试环境不变的条件下使用同1个样品进行不同转台角度的测试，详细测试流程如下：

1）测试开始进行，将样机通电，并调试完成。通过软件得知，此时EUT内部温度为45 ℃。对EUT进行6次测试，取6次测试结果的平均值，辐射杂散测试结果合格，结果为-60.61 dBm。

2）测试进行10 min时，通过软件得知，此时EUT内部温度为50 ℃。对EUT进行6次测试，取6次测试结果的平均值，辐射杂散测试结果合格，结果为-59.25 dBm。

3）测试进行15 min时，通过软件得知，此时EUT内部温度为57 ℃。对EUT进行6次测试，取6次测试结果的平均值，辐射杂散测试结果合格，结果为-62.67 dBm。

4）测试进行20 min时，通过软件得知，此时EUT内部温度为64 ℃。对EUT进行6次测试，取6次测试结果的平均值，辐射杂散测试结果合格，结果为-58.24 dBm。

5）测试进行25 min时，通过软件得知，此时EUT内部温度为80 ℃，对EUT进行6次测试，取6次测试结果的平均值，辐射杂散测试结果合格，结果为-48.25 dBm。

6）测试进行30 min时，通过软件得知，此时EUT内部温度为100 ℃，对EUT进行6次测试，取6次测试结果的平均值，辐射杂散测试结果为-37.45 dBm。

7）样机断电停止信号发射五分钟后，通过软件可以得知样机的内部温度为52 ℃。

8）样机重新上电，让样机发射信号，对EUT进行6次测试，取6次测试结果的平均值，测试结果为-61.24 dBm。

最终测试结果如表1所示。

表1 温度测试结果

由此判断，在被测设备工作时间长，内部温度高的情况下，其非线性元器件的性能也会产生变化，从而影响了辐射杂散功率值的大小。当被测设备的内部温度变化不大，影响辐射杂散的功率值较小；当被测设备的内部温度变化较大，影响辐射杂散的功率值会不断加大。

3.2 转台步进对辐射杂散影响

实验室在电磁兼容测试中为缩短测试时间、减少测试工作量，均采用自动测试方式进行。在测试设置步进时采用15 °、30 °、45 °或者90 °的测试步进。但在实际测试过程中，由于被测物（EUT）的杂散发射信号是未知的，固定角度进行测试存在极大的风险，可能无法符合测试规范的本意找到最大的杂散发射信号。以下将对转台步进角度进行分析：

本次试验是在其他测试环境不变的条件下使用同1个样品进行不同转台角度的测试，对EUT进行6次测试，取6次测试结果的平均值。具体测试过程如下：

1）测试开始，将样机通电，并调试完成。设置测试步进为15 °，辐射杂散测试结果为-54.35 dBm；

2）测试开始，将样机通电，并调试完成。设置测试步进为30 °，辐射杂散测试结果为-58.62 dBm；

3）测试开始，将样机通电，并调试完成。设置测试步进为45 °，辐射杂散测试结果为-61.43 dBm；

4）测试开始，将样机通电，并调试完成。设置测试步进为90 °，辐射杂散测试结果为-63.17 dBm；

5）测试开始，将样机通电，并调试完成。设置测试步进为1 °，辐射杂散测试结果为-51.38 dBm；

6）测试开始，将样机通电，并调试完成。设置测试步进连续角度，辐射杂散测试结果为-52.09 dBm；

最终结果如表2所示。

表2 转台步进测试结果

由以上结果可以判断，转台步进对辐射杂散的测试结果影响比较明显。使用步进较大的方法测试的时候，不能够准确的捕捉到辐射杂散的最大辐射功率所在的角度，因此，建议在测试时采用1度步进的方式或者连续角度方式进行准确的测量。

3.3 测试桌材料对辐射杂散影响

由于在空气中存在一定的介电常数来源于测试桌的材质，对于测试桌的桌面会吸收部分和反射辐射干扰源的电磁波，从而导致辐射杂散的测试数据不准确或偏差。目前有部分实验室的测试桌还使用木桌，对辐射干扰测试结果的影响范围较大，木桌本身的介电常数较大，具有较强的吸湿性，容易导致变形，而温度和含水量的增加是随着木桌的介电常数的不断增大，且绝缘性能也收到影响。对于聚苯乙烯泡沫相比木桌较好的特性，其本身具有较低的介电常数和吸湿性，以及稳定性比较高和较好的绝缘性等特点，有利保证测试结果的有效性和准确性。

本次实验使用同一个样品进行木桌、聚苯乙烯泡沫桌和无测试桌的对比测试。

采用小型泡沫作为支撑体模拟无测试桌体（模拟空气）放置EUT。

保持其他测试环境条件不变，对EUT进行6次测试，取6次测试结果的平均值。具体测试过程如下：

1）测试开始，将样机通电，并调试完成。将EUT放置在木桌上，辐射杂散测试结果为-62.38 dBm；

2）测试开始，将样机通电，并调试完成。将EUT放置在聚苯乙烯泡沫桌上，辐射杂散测试结果为-54.43 dBm；

3）测试开始，将样机通电，并调试完成。在无测试桌的情况下，辐射杂散测试结果为-53.21 dBm；

最终测试结果如表3所示。

表3 测试桌材料测试结果

由以上对比结果可知，测试桌的材料对辐射杂散的测试结果影响较为明显。测试时，应使用介电常数低、耐潮湿性、绝缘性优良和稳定性高的测试桌。

4 结束语

综上所述，通过对温度、转台步进以及放置测试桌材料三个因素来对无线通讯产品测量辐射杂散测试结果的对比分析表明，这三个因素对辐射杂散的测试结果影响都较为明显。本文的对比研究的结果，对测试数据的不确定度有利于分析和评估测量辐射杂散的检测结果，从而有助于研究辐射杂散的测量有效性具有一定的参考价值。