Methods of Measurement of Spurious Emissions
深圳市無線電監(jiān)測站??錢寧鐵
摘要：本文詳細(xì)介紹了雜散發(fā)射的測量方法，內(nèi)容包括：相關(guān)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(fā)射是產(chǎn)生干擾的重要原因，在無線電發(fā)射設(shè)備檢測中，雜散發(fā)射是一個(gè)重要的必測項(xiàng)目。那么，怎樣正確測量雜散發(fā)射呢？本文參考國際電聯(lián)的ITU-R SM .329-8文件，并結(jié)合實(shí)際工作中的體會，對雜散發(fā)射的測量方法做一詳細(xì)的介紹。
1．相關(guān)的概念
1．1 雜散發(fā)射??spurious emission
????雜散發(fā)射是在必要帶寬外某個(gè)或某些頻率上的發(fā)射，其發(fā)射電平可降低但不影響相應(yīng)信息傳遞。包括：諧波發(fā)射、寄生發(fā)射、互調(diào)產(chǎn)物、以及變頻產(chǎn)物，但帶外發(fā)射除外。
????一般來說，落在中心頻率兩側(cè)，必要帶寬±250%倍處或以外的發(fā)射都認(rèn)為是雜散發(fā)射。
1．2 帶外發(fā)射??out-of-band emission
帶外發(fā)射是在緊靠必要帶寬的外側(cè)，由調(diào)制過程產(chǎn)生的一個(gè)或多個(gè)頻率的發(fā)射，但雜散發(fā)射除外。
一般來說，落在中心頻率兩側(cè)，必要帶寬±250%倍處以內(nèi)的無用發(fā)射都認(rèn)為是帶外發(fā)射。
但對于必要帶寬很窄或很寬的情況，這種劃分帶外發(fā)射和雜散發(fā)射的方法并不適合。
1．3 參考帶寬??reference bandwidth
參考帶寬通常采用下列各值：
參考帶寬 頻率范圍
1kHz 9kHz～150kHz
10kHz 150kHz～30MHz
100kHz 30MHz～1GHz
1MHz 大于1GHz
參考帶寬是指在該帶寬內(nèi)規(guī)定了雜散發(fā)射電平值的帶寬。
參考帶寬并非按照上表固定不變，例如所有空間無線電業(yè)務(wù)雜散發(fā)射的參考帶寬一律為4kHz；歐洲制定的陸地移動(dòng)業(yè)務(wù)固定臺雜散發(fā)射的標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定在近載波處雜散發(fā)射的參考帶寬要小一些；還有對每一個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)測量其雜散發(fā)射時(shí)，都必須重新計(jì)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(jī)
選頻接收機(jī)或者頻譜分析儀都可用于測量傳導(dǎo)到天線的雜散輻射和箱體輻射。在測量過程中應(yīng)注意以下幾個(gè)方面：
2．1．1測量儀器的加權(quán)功能 weighting function
所有的測量接收機(jī)應(yīng)具有平均值和峰值的加權(quán)功能。
2．1．2分辨帶寬 resolution bandwidth（RBW）
通常的原則是，測量接收機(jī)分辨帶寬（末級中頻濾波器的3dB帶寬）應(yīng)等于參考帶寬。但為了提高測量的精確性、靈敏度和效率，分辨帶寬可以不同于參考帶寬。例如，在測量靠近中心頻率的發(fā)射分量時(shí)，有時(shí)就需要采用較窄的分辨帶寬。當(dāng)分辨帶寬小于參考帶寬時(shí)，測量結(jié)果應(yīng)為參考帶寬內(nèi)各分量的總和（其和應(yīng)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(dāng)分辨帶寬大于參考帶寬時(shí)，寬帶雜散發(fā)射的測量結(jié)果應(yīng)按帶寬比例進(jìn)行歸一化。但對于離散（窄帶）雜散產(chǎn)物，不能采用歸一化。
分辨帶寬的修正因子需由測試接收機(jī)的實(shí)際分辨帶寬（如：-6dB分辨帶寬）和被測雜散發(fā)射信號特征而定（如：脈沖信號或高斯噪聲）。
注 1：介值判別法——當(dāng)采用PEP（峰包功率）法測量雜散發(fā)射，且分辨帶寬小于參考帶寬時(shí)，所測得的總功率可能不準(zhǔn)確。如果不知道求和法則，那么在參考帶寬內(nèi)所測得的總的雜散發(fā)射功率應(yīng)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(fā)射值低于規(guī)定的限值，則滿足要求；如果用功率合成法求得的雜散發(fā)射值高于規(guī)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(jī)中位于包絡(luò)檢波器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器之間的視頻放大器的帶寬。改變VBW的設(shè)置，可以減小噪聲峰-峰值的變化量，提高較低信噪比信號測量的分辨率和復(fù)現(xiàn)率，易于發(fā)現(xiàn)隱藏在噪聲中的小信號。
2．1．4 測量接收機(jī)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(gè)參數(shù)，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(shí)際上濾波器具有滾降衰減特性，遠(yuǎn)達(dá)不到理想狀態(tài)。例如：頻譜分析儀在掃描狀態(tài)下，被測信號通過的近似高斯濾波器是由多級可調(diào)濾波器構(gòu)成，其形狀因子通常規(guī)定為-60dB與-3dB的比值，范圍在5：1到15：1之間。
2．2 基頻帶阻濾波器
基頻和雜散發(fā)射的功率比值可能在70dB以上。這么高的比值經(jīng)常導(dǎo)致基頻輸入電平過大，在選頻接收機(jī)中造成非線形失真產(chǎn)物。故此，在測量儀器的輸入端通常接入一個(gè)基頻帶阻濾波器（在雜散發(fā)射分量不太靠近基頻條件下適用）。對于遠(yuǎn)高于基頻的頻段（如：諧波頻率），也可采用帶通或高通濾波器。但這種測量雜散發(fā)射分量的濾波器的插入損耗不能太大，并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(diào)帶通腔體濾波器只適用于50 MHz以上頻率。對于腔體陷波器而言，在遠(yuǎn)離陷波頻率大約10%以上的頻率處，插入損耗也小于1 dB。
通常多頻段接收機(jī)都具有可變頻的濾波器，以便跟蹤被測系統(tǒng)的調(diào)諧頻率。用于測量雜散發(fā)射的可變?yōu)V波器的種類有：電調(diào)諧高頻頭和釔鐵柘榴石（YIG）濾波器.這些濾波器比固定頻點(diǎn)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(fā)射頻率較近的信號。
電調(diào)諧高頻頭通常用于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）濾波器通常用于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(fā)射功率耦合出來的定向耦合器。在基頻處，其阻抗必須和發(fā)射機(jī)的阻抗相匹配。
2．4 終端負(fù)載
當(dāng)按照方法1測量雜散發(fā)射功率時(shí)，被測發(fā)射機(jī)應(yīng)連接測試負(fù)載或者終端負(fù)載。值得注意的是雜散發(fā)射電平會受發(fā)射機(jī)末級、傳輸線和測試負(fù)載間阻抗匹配程度的影響。
2．5 測量天線
測量時(shí)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(diào)制狀況
測量應(yīng)盡可能在發(fā)射機(jī)正常工作時(shí)，最大調(diào)制狀態(tài)下進(jìn)行。有時(shí)為了發(fā)現(xiàn)一些特殊的雜散頻率，也需在無調(diào)制條件下進(jìn)行測量。但必須指出，此時(shí)并非所有雜散發(fā)射都能檢測出來，因加入調(diào)制后可能會產(chǎn)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(guī)定了雜散發(fā)射測量范圍的起始頻率。但某些情況不能這樣劃分，因?yàn)榉请s散發(fā)射量會造成嚴(yán)重的測量誤差。重新確定雜散測量范圍的分界線，可不采用±250%倍必要帶寬的劃分辦法，而采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范圍，而改用較小的分辨帶寬進(jìn)行測量。
新劃分的頻段范圍和分辨帶寬存在下式關(guān)系：
????????
? ：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(jì)算出帶外帶寬的范圍，反之亦然。
假設(shè)一個(gè)信號的必要帶寬是16kHz，用±250%必要帶寬得出的帶外帶寬（設(shè)為40kHz）的范圍不變。如果測量分辨帶寬濾波器的形狀因子是15：1，對帶內(nèi)的功率抑制比為60dB，那么分辨帶寬應(yīng)約為4.5 kHz, 計(jì)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(jī)參數(shù)，如果分辨帶寬固定不變，為100kHz，那么帶外帶寬可利用上式重新算得。對于上例，如果分辨帶寬是100kHz，那么算出的帶外帶寬為708kHz。
3．2 靈敏度限制
由于連接用的轉(zhuǎn)換器件和線纜的損耗，導(dǎo)致頻譜分析儀測量靈敏度降低。但這可以通過采用低噪聲放大器來克服。
在個(gè)別情況下，如在26 GHz以上，調(diào)制狀態(tài)下，測量被測設(shè)備（EUT）是否符合規(guī)范要求時(shí)，主要因?yàn)闇y試裝置采用外部混頻器，仍無法獲得足夠高的靈敏度；而在載波（CW）狀態(tài)下，雜散發(fā)射的測量可能是準(zhǔn)確的，因?yàn)槟切┯烧{(diào)制造成的發(fā)射分量在總量上等于被測設(shè)備（EUT）的調(diào)制損耗。
3．3 時(shí)間限制
對于輸出幅度隨時(shí)間變化的任何有用信號（例如：非恒包絡(luò)調(diào)制），為保持測量值的連續(xù)穩(wěn)定性，至少取十次測量的平均值。
4．測量方法
4．1 概述
????這里介紹兩種雜散發(fā)射的測量方法。在方法1和方法2中必須注意，由測試所產(chǎn)生的輻射不得干擾測試環(huán)境中的測試系統(tǒng)。同時(shí)必須注意，正確選用雜散發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)中特別規(guī)定的功率加權(quán)功能。（參見2.1.1）
方法1-用于測量輸出到被測設(shè)備（EUT）天線端口的雜散發(fā)射功率。
方法2-用于測量雜散的等效全向輻射功率（e.i.r.p），需要用到一個(gè)符合條件的測試場地。
如果方法1滿足測量要求，則盡可能采用方法1。使用波導(dǎo)的系統(tǒng)應(yīng)采用方法2，因?yàn)樵诓▽?dǎo)終端的轉(zhuǎn)換器件會帶來很多測試問題。假若天線端口是波導(dǎo)法蘭，那么在波導(dǎo)向同軸轉(zhuǎn)換的過程中，遠(yuǎn)端的雜散發(fā)射會被大大地衰耗。只有在測試電纜與波導(dǎo)連接的一端加上特制的錐型波導(dǎo)器件，才能采用方法1測量。同樣，VLF/LF頻段的發(fā)射機(jī)也應(yīng)采用方法2測量，因?yàn)榘l(fā)射機(jī)、饋線、天線之間并沒有清晰的界限劃分。
雷達(dá)系統(tǒng)的測量方法ITU另有文件說明（ITU-R M.1177）。因?yàn)閷走_(dá)系統(tǒng)尚沒有特別完善的測量方法，必須根據(jù)雜散發(fā)射限值的具體要求進(jìn)行實(shí)際可行的測量。
4．2方法1-輸出到天線端口的雜散發(fā)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(jié)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(chǎn)物的無效輻射，還有天線本身產(chǎn)生的雜散產(chǎn)物。雜散發(fā)射功率測量裝置的框圖如圖1所示：











圖1??雜散發(fā)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(jìn)行校準(zhǔn)，或者把這些部件連成一個(gè)整體進(jìn)行校準(zhǔn)。不論哪種校準(zhǔn)，都是用一臺已校準(zhǔn)的、輸出電平可調(diào)的信號發(fā)生器和測量接收機(jī)來完成。在各個(gè)頻點(diǎn)f處，校準(zhǔn)因子 定義如下：
????其中??: 頻點(diǎn)f處的校準(zhǔn)因子 (dB)
??????????:在頻點(diǎn)f處的輸入功率 (由信號發(fā)生器產(chǎn)生) (dBW或dBm)
??????????: 頻點(diǎn)f處的輸出功率 (由測量接收機(jī)讀出) (dBW或dBm)
校準(zhǔn)因子表達(dá)了所有連接在信號發(fā)生器和測量接收機(jī)之間部件的插入損耗。
如果分別校準(zhǔn)連接部件，測量裝置的總校準(zhǔn)因子可由下式計(jì)算：
????其中： :頻率f處的測量裝置總校準(zhǔn)因子 (dB)
????????????: 頻率f處測量連接鏈中各個(gè)部件的校準(zhǔn)因子(dB)
????測量過程中，??(dBW或dBm)是頻率f處由測量接收機(jī)讀出的雜散發(fā)射功率，而在頻率f處實(shí)際雜散發(fā)射功率(dBW或dBm)由下式計(jì)算得出：
4．2．2 替代法
這種方法不需要對連接部件校準(zhǔn)，而是先由測量儀器記錄下雜散發(fā)射功率的讀數(shù)值。然后用一臺已校準(zhǔn)的信號發(fā)生器替代被測設(shè)備（EUT），當(dāng)測量儀器的讀數(shù)值和先前記錄值達(dá)到一致時(shí)，信號發(fā)生器的輸出值就等于雜散發(fā)射的功率值。
4．3 方法2-雜散發(fā)射e.i.r.p的測量方法
雜散發(fā)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(yuǎn)場條件下進(jìn)行，而對于很低的頻率或是多個(gè)頻率組合以及天線規(guī)格來說，遠(yuǎn)場條件是很難實(shí)現(xiàn)的（如：用1.2m碟型天線發(fā)射14 GHz射頻信號，在140m遠(yuǎn)處才能達(dá)到遠(yuǎn)場的條件）。另外，測量也比較麻煩，雖然自動(dòng)檢驗(yàn)技術(shù)減少了一些工作量，但要在各個(gè)方向和頻率上按不同極化方式測量雜散發(fā)射的e.i.r.p仍然非常耗時(shí)。




???


圖2??雜散發(fā)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(yīng)滿足水平極化和垂直極化場的衰減要求，即衰減量應(yīng)在理論值的 4dB之內(nèi)。測試場地還應(yīng)滿足下列條件：地形平坦，上方?jīng)]有架空電線，附近沒有反射物，在規(guī)定距離處有足夠的空間擺放天線，并使天線、EUT和反射物間有足夠的距離。反射物是指那些建筑材料可導(dǎo)電的物體。測試場地須安裝水平金屬平面地板。
????測試也可以在墻上覆蓋有吸波材料，無電波反射的電波暗室內(nèi)進(jìn)行。那么，對電波暗室的驗(yàn)收測試就顯得非常重要，主要目的是驗(yàn)證室內(nèi)水平極化和垂直極化場的衰減測量值是否符合 4dB的標(biāo)準(zhǔn)（詳見IEC/CISPR 文件 No. 22）。
測試場地的導(dǎo)電的平面地板須超出被測設(shè)備（EUT）和最大測試天線的外延1m以上，并且覆蓋被測設(shè)備（EUT）和天線之間的所有區(qū)域。地板必須為金屬材料，上面不允許有尺寸大于最高測試頻率所對應(yīng)波長十分之一的孔洞和裂縫。如果暗室內(nèi)測試場地的衰減特性不滿足要求，則需要加大導(dǎo)電平面地板的面積。對于半波暗室，同樣要滿足這些要求。
多種測量小室也可用于雜散發(fā)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(tǒng)尚未廣泛地被所有的標(biāo)準(zhǔn)體系所接受，相關(guān)的技術(shù)正在做進(jìn)一步的研究和驗(yàn)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(jìn)行校準(zhǔn)，或者把這些連接部件作為一個(gè)整體進(jìn)行校準(zhǔn)。（參見4.2.1）
自由空間條件下頻率f處的雜散發(fā)射的e.i.r.p，??可由下式得到：

其中： : 頻率f處雜散發(fā)射在測量接收機(jī)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(zhǔn)因子(dB)
???????: 頻率f處，測量天線的增益(dB)
???????: 雜散發(fā)射的頻率（MHz）
???????: 發(fā)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(zhǔn)的替代天線和一臺信號發(fā)生器，調(diào)整信號發(fā)生器的輸出值使測量接收機(jī)的示值等于測量到的雜散信號值,便可得出雜散發(fā)射值。
4．4 特殊箱體輻射的測量
上述方法2可用于測量發(fā)射機(jī)箱體的雜散輻射。這種方法需用一個(gè)已校準(zhǔn)的終端負(fù)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(fù)載應(yīng)置于一個(gè)小的獨(dú)立屏蔽殼體中，以防止假負(fù)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(chǎn)生，對測量造成不良影響，所以必須對此加以防范，可采用雙屏蔽電纜，也可以給電纜加裝屏蔽外殼。
結(jié)束語
雜散發(fā)射的測量僅從框圖看是比較簡單的，其實(shí)能夠影響測量結(jié)果的因素很多，例如：EUT類型、測量接收機(jī)、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(quán)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(fā)射的量值，除了要弄明白各種相關(guān)概念外，還須對測量中用到的各種儀表、連接器件、天線、被測設(shè)備、測量場地等的特性、參數(shù)了如指掌，認(rèn)真考慮所有相關(guān)因素后，才能得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果。


參考文獻(xiàn)：1. 國際電聯(lián) RECOMMENDATION ITU-R SM.329-8 。
????????2. GB 13421-92 無線電發(fā)射機(jī)雜散發(fā)射功率電平的限值和測量方法。
3. Angilent 公司 Spectrum Analysis Basics