開(kāi)闊場(chǎng)地的輻射發(fā)射測(cè)量

進(jìn)行開(kāi)場(chǎng)測(cè)試時(shí)，有時(shí)候不方便多次關(guān)閉和打開(kāi)被測(cè)設(shè)備的電源。本文探討了在這種情況下，如何辨識(shí)環(huán)境信號(hào)的影響，識(shí)別出被測(cè)設(shè)備(DUT)的輻射發(fā)射信號(hào)。本文討論了采用現(xiàn)代信號(hào)分析儀和EMI接收機(jī)進(jìn)行開(kāi)闊場(chǎng)地的輻射發(fā)射測(cè)量的實(shí)現(xiàn)方法。

1、概述

開(kāi)場(chǎng)的輻射發(fā)射測(cè)試(OATS)測(cè)量中，需要確定信號(hào)分析儀上顯示的信號(hào)到底是被測(cè)設(shè)備的輻射信號(hào)還是來(lái)自周圍環(huán)境的信號(hào)。反復(fù)地關(guān)閉被測(cè)設(shè)備，以檢查信號(hào)是否消失，再打開(kāi)設(shè)備電源繼續(xù)測(cè)試，是一項(xiàng)繁復(fù)的工作。

本文介紹了幾種方法用來(lái)區(qū)別被測(cè)設(shè)備信號(hào)和環(huán)境信號(hào)，希望能解決OATS測(cè)量工作中遇到的問(wèn)題。這些技術(shù)包括：采用轉(zhuǎn)臺(tái)來(lái)辨識(shí)被測(cè)設(shè)備信號(hào)和環(huán)境信號(hào);采用雙天線進(jìn)行信號(hào)辨識(shí);采用屏蔽法和采用調(diào)諧與監(jiān)聽(tīng)法辨識(shí)信號(hào)。本文同時(shí)也介紹了如何使用跡線加減(Trace math)功能在信號(hào)分析儀顯示的被測(cè)信號(hào)中去除環(huán)境信號(hào)。還探討了使用具有信號(hào)列表(Signal List)功能的EMI接收機(jī)和信號(hào)分析儀去除環(huán)境信號(hào)僅留下被測(cè)設(shè)備信號(hào)的方法。

2、辨識(shí)環(huán)境信號(hào)的若干方法

2.1、采用轉(zhuǎn)臺(tái)法確定被測(cè)信號(hào)

如果被測(cè)設(shè)備的電源不容易頻繁打開(kāi)或關(guān)閉，測(cè)量中可以使用一個(gè)轉(zhuǎn)臺(tái)(turntable)來(lái)幫助識(shí)別被測(cè)信號(hào)。大多數(shù)情況下，從被測(cè)設(shè)備輻射出來(lái)的信號(hào)在某個(gè)平面比其他平面更強(qiáng)。當(dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)，被測(cè)設(shè)備輻射信號(hào)的幅度會(huì)隨之變化。旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)臺(tái)并觀察接收機(jī)上的信號(hào)幅度，尋找最大和最小信號(hào)。記錄下高于規(guī)范限制或裕量的信號(hào)的最大值、頻率和轉(zhuǎn)臺(tái)位置，便于進(jìn)一步分析該信號(hào)。

轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)進(jìn)行測(cè)量的方法之所以可以標(biāo)識(shí)出環(huán)境信號(hào)，因?yàn)楫?dāng)轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)時(shí)，環(huán)境信號(hào)的幅度不會(huì)隨之改變。如果在相同區(qū)域進(jìn)行多次測(cè)量，建議使用一個(gè)列表來(lái)記錄環(huán)境信號(hào)的頻率和幅度。

2.2、雙天線法辨識(shí)環(huán)境信號(hào)

一種非常靈活的辨識(shí)環(huán)境信號(hào)的方法是使用雙天線法。通常第一個(gè)天線用于正常輻射測(cè)量，放置于規(guī)范定義的距離被測(cè)設(shè)備平面10米遠(yuǎn)處，第二個(gè)天線放置于兩倍距離處。兩個(gè)天線使用一個(gè)射頻開(kāi)關(guān)與接收機(jī)連接，正常測(cè)量時(shí)用第一個(gè)天線，當(dāng)遇到異常信號(hào)，可能是環(huán)境信號(hào)也可能是被測(cè)設(shè)備輻射信號(hào)，切換到第二個(gè)天線再次測(cè)量。如果兩次測(cè)量的信號(hào)幅度大致相同，則該信號(hào)是環(huán)境信號(hào)，如果第二次測(cè)量的幅度值低6 dB左右，則該信號(hào)是被測(cè)設(shè)備發(fā)出的信號(hào)。

雙天線法使用的天線應(yīng)是相同的類型并且具有類似的傳輸因數(shù)。另外，兩個(gè)天線和被測(cè)設(shè)備要盡量成直線放置。以保證每個(gè)天線接收到的輻射來(lái)自被測(cè)設(shè)備的同一平面。

2.3、屏蔽法辨識(shí)環(huán)境信號(hào)

如果被測(cè)設(shè)備的電源不方便打開(kāi)和關(guān)閉，一種較少用到但很經(jīng)濟(jì)的方法是在被測(cè)設(shè)備和測(cè)量天線之間放置一個(gè)屏蔽板。屏蔽板通常是鋁板，與天線垂直，重要的一點(diǎn)是，屏蔽板必須接地，與OATS地平面連接。在大風(fēng)天使用這種方法可能會(huì)有問(wèn)題，因?yàn)楹茈y保證鋁板穩(wěn)定地固定在測(cè)試場(chǎng)地上。

2.4、調(diào)諧與監(jiān)聽(tīng)法識(shí)別環(huán)境信號(hào)

很多信號(hào)分析儀和EMI接收機(jī)提供解調(diào)某個(gè)標(biāo)記(marker)處調(diào)幅信號(hào)或調(diào)頻信號(hào)的功能。在感興趣的信號(hào)點(diǎn)放置標(biāo)記，選擇調(diào)幅、調(diào)頻或調(diào)相等相應(yīng)的解調(diào)方法進(jìn)行解調(diào)。當(dāng)信號(hào)被解調(diào)時(shí)，掃描會(huì)在標(biāo)記處暫停一段時(shí)間。這對(duì)于快速辨識(shí)是本地?zé)o線電臺(tái)還是被測(cè)設(shè)備輻射信號(hào)非常有用。該方法不適用于辨識(shí)數(shù)字通信信號(hào)(手機(jī)，數(shù)字電視等)。

2.5、信號(hào)列表法去除環(huán)境信號(hào)

信號(hào)分析儀和EMI接收機(jī)的一個(gè)功能是可以把信號(hào)峰值放入信號(hào)列表(Signal List)。這些峰值可能是被測(cè)設(shè)備輻射信號(hào)，也可能是來(lái)自周圍環(huán)境的信號(hào)。圖1是一個(gè)典型的捕獲到的輻射信號(hào)顯示，既有被測(cè)信號(hào)又有環(huán)境信號(hào)。

圖1、輻射發(fā)射

對(duì)信號(hào)列表進(jìn)行操作，例如用標(biāo)記信號(hào)、刪除信號(hào)的功能可以將信號(hào)列表減少到只有被測(cè)設(shè)備輻射信號(hào)和在兩次掃描中的某次沒(méi)有出現(xiàn)的環(huán)境信號(hào)。

操作過(guò)程非常簡(jiǎn)單，第一次掃描，被測(cè)設(shè)備電源未打開(kāi)，記錄信號(hào)列表;然后打開(kāi)被測(cè)設(shè)備電源，進(jìn)行第二次掃描，再記錄信號(hào)列表;搜索兩次掃描都記錄到的重復(fù)信號(hào)。這些重復(fù)信號(hào)就是兩次掃描都出現(xiàn)過(guò)的環(huán)境信號(hào)。圖2顯示了標(biāo)記出重復(fù)信號(hào)的信號(hào)列表。

圖2、標(biāo)記重復(fù)信號(hào)

刪除重復(fù)信號(hào)，剩下的信號(hào)就是被測(cè)設(shè)備信號(hào)和在兩次掃描的某一次未出現(xiàn)的環(huán)境信號(hào)。圖3顯示了刪除重復(fù)信號(hào)后剩下的信號(hào)。

圖3、刪除重復(fù)信號(hào)后剩下的信號(hào)

2.6、從顯示的頻譜中去除環(huán)境信號(hào)

進(jìn)行EMI測(cè)量的根本目的是辨識(shí)出被測(cè)設(shè)備的輻射信號(hào)，去除其他無(wú)關(guān)信號(hào)，因?yàn)橐坏┧斜粶y(cè)信號(hào)能被辨識(shí)出來(lái)，再執(zhí)行準(zhǔn)峰值或平均值測(cè)量，即可確保所有被測(cè)設(shè)備輻射信號(hào)能通過(guò)規(guī)范規(guī)定的限制。如果信號(hào)分析儀沒(méi)有上述的信號(hào)列表功能，也可以使用先進(jìn)分析(Advanced Analysis)功能來(lái)去除顯示的環(huán)境信號(hào)。

下述方法取決于現(xiàn)代信號(hào)分析儀的功能，必須具有足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)以保證寬帶掃描的頻譜分辨率。數(shù)據(jù)點(diǎn)越多，信號(hào)未被采集的可能性越小，顯示的幅度比期望值更低。

消除顯示的環(huán)境信號(hào)的原理相當(dāng)簡(jiǎn)單。一條跡線中包含了環(huán)境信號(hào)和被測(cè)設(shè)備信號(hào)，另一條跡線中僅包含了環(huán)境信號(hào)，兩條跡線做減法，即可得到僅有被測(cè)設(shè)備信號(hào)的信號(hào)跡線。

盡管原理很簡(jiǎn)單，但真正實(shí)現(xiàn)過(guò)程還是比較復(fù)雜的。最終目的是獲得一組可疑的被測(cè)信號(hào)，再進(jìn)行準(zhǔn)峰值檢波或者平均值檢波的重新測(cè)量。

成功的關(guān)鍵是分而治之。圖4中的跡線顯示出很多的被測(cè)信號(hào)和環(huán)境信號(hào)之間間隔非常近。頻譜儀的頻率精度決定了在屏幕上能顯示間隔多近的一組信號(hào)。如果頻率精度很低，那能分辨出的信號(hào)需要間隔比較大。而如果頻率精度相當(dāng)好，則可以分辨出間隔非常近的信號(hào)。另外，掃描寬度越大，信號(hào)看起來(lái)越接近。

下面簡(jiǎn)要總結(jié)了從頻譜顯示中消除環(huán)境信號(hào)的過(guò)程：

1.在轉(zhuǎn)臺(tái)上搭建好被測(cè)設(shè)備并按照規(guī)范設(shè)置好天線。

2.連接信號(hào)分析儀和天線，加載校正因子，選擇規(guī)范要求的限制線，保證噪底和限制線之間的靈敏度足夠，通常至少有6 dB。否則，需要增加一個(gè)低噪聲放大器提高靈敏度。

3.打開(kāi)被測(cè)設(shè)備電源并觀察頻譜顯示。調(diào)整截止頻率來(lái)減小掃寬，直到頻譜顯示大約25或30個(gè)信號(hào)。注意，此時(shí)的頻譜包括了環(huán)境信號(hào)和被測(cè)設(shè)備信號(hào)。增加跡線平均數(shù)以減小噪聲。保存該頻譜為跡線1。

4.關(guān)閉被測(cè)設(shè)備電源并保存該頻譜為跡線2。

5.使用跡線加減功能，本例中即計(jì)算功率差，用跡線1減去跡線2得到跡線3。跡線3上的信號(hào)包括了被測(cè)設(shè)備信號(hào)以及出現(xiàn)在保存跡線1和跡線2期間的任何信號(hào)。

6.將跡線3上的信號(hào)的幅度和對(duì)應(yīng)頻率一一記錄下來(lái)，用于進(jìn)一步分析。

7.轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)90度，再次重復(fù)步驟3至6。把所有測(cè)量結(jié)果保存在一個(gè)大表中。

8.檢查保存的測(cè)量結(jié)果，如果信號(hào)幅度高于限制線，放大該信號(hào)，并進(jìn)行一次“measure at marker”測(cè)量。保證其準(zhǔn)峰值測(cè)量結(jié)果低于限制線。

2.6.1、消除環(huán)境信號(hào)的具體步驟

消除環(huán)境信號(hào)的過(guò)程采用一臺(tái)現(xiàn)代中檔信號(hào)分析儀，在經(jīng)濟(jì)型中檔信號(hào)分析儀上也可以實(shí)現(xiàn)。

下面顯示的是，10米法雙錐形天線滿足規(guī)范EN55022的測(cè)量限制線。連續(xù)減小截止頻率到只顯示大約20個(gè)信號(hào)，其中包括被測(cè)設(shè)備信號(hào)。

2.6.1.1、同時(shí)顯示環(huán)境信號(hào)和被測(cè)信號(hào)的頻譜

圖4(跡線1)顯示的頻譜既有環(huán)境信號(hào)又有被測(cè)設(shè)備發(fā)出的信號(hào)。采用跡線平均以使得顯示跡線平滑化。本例中采用了100次跡線平均來(lái)降低噪底，并穩(wěn)定環(huán)境信號(hào)。這是已經(jīng)消除了環(huán)境信號(hào)，僅留下被測(cè)設(shè)備信號(hào)的跡線。

注意周圍環(huán)境隨著信號(hào)衰落不斷變化。信號(hào)幅度可能隨時(shí)間改變。當(dāng)該跡線被存儲(chǔ)后，如果環(huán)境信號(hào)幅度減小或者完全消失，那么這一環(huán)境信號(hào)可能顯示為一個(gè)被測(cè)設(shè)備信號(hào)。

圖4、被測(cè)設(shè)備信號(hào)加上環(huán)境信號(hào)

圖5(跡線2，藍(lán)色)顯示的是當(dāng)被測(cè)設(shè)備電源關(guān)閉時(shí)的環(huán)境信號(hào)。也是100次跡線平均以減小噪聲和斷續(xù)性信號(hào)。用跡線1減去跡線2。如果一個(gè)環(huán)境信號(hào)出現(xiàn)在跡線2上但沒(méi)有出現(xiàn)在跡線1上，結(jié)果會(huì)出現(xiàn)一個(gè)負(fù)值的尖峰。這個(gè)負(fù)值尖峰是由于減法導(dǎo)致的。

圖5、環(huán)境信號(hào)

從跡線1中減去跡線2，采用的是信號(hào)分析儀具有的計(jì)算功率差的功能。功率差功能使用運(yùn)算符Operands。定義跡線1為Operand 1，跡線2為Operand 2。跡線1減去跡線2，得到跡線3，是兩者的差。這時(shí)，跡線1處于靜止(View)模式，跡線2也處于靜止模式，而跡線3處于激活(clear write)模式。

圖6、被測(cè)設(shè)備信號(hào)和環(huán)境信號(hào)跡線減去環(huán)境信號(hào)跡線

大多數(shù)環(huán)境信號(hào)可以被消除，剩余的環(huán)境信號(hào)幅度值非常低，這些殘余信號(hào)產(chǎn)生于頻率的改變，即它們對(duì)應(yīng)在跡線1上的頻點(diǎn)和在跡線2上的頻點(diǎn)發(fā)生了變化。

一條跡線分成5000點(diǎn)的話，每個(gè)點(diǎn)代表54 kHz的頻帶寬度。點(diǎn)數(shù)對(duì)于消除環(huán)境信號(hào)非常重要。如果選擇的點(diǎn)數(shù)過(guò)少，被測(cè)設(shè)備信號(hào)與環(huán)境信號(hào)間隔過(guò)近時(shí)，可能被當(dāng)作環(huán)境信號(hào)刪除。另一方面，如果選擇的點(diǎn)數(shù)過(guò)多，一旦環(huán)境信號(hào)的頻率微小改變，可能對(duì)應(yīng)兩條跡線上的點(diǎn)就不同了，這樣兩條跡線相減時(shí)該環(huán)境信號(hào)點(diǎn)就不能被消除。這種情況通常發(fā)生在調(diào)頻站(FM Stations)。如果仔細(xì)觀察跡線3，會(huì)發(fā)現(xiàn)有些信號(hào)顯示出幅度值變低很多。這些信號(hào)點(diǎn)就是在跡線1和跡線2上對(duì)應(yīng)的頻率有變化。而在跡線1上采集到的被測(cè)設(shè)備信號(hào)的幅值幾乎沒(méi)有變化或者僅有很小的變化。

圖7、關(guān)閉跡線1和跡線2后的顯示

關(guān)閉跡線1和跡線2后，更容易看清楚余留的信號(hào)。被測(cè)設(shè)備信號(hào)很容易被識(shí)別。所有其他信號(hào)都低于限制線或裕量線。

圖7中的跡線，在某些情況下，會(huì)顯示超過(guò)屏幕底部。這是由于計(jì)算出的功率差是負(fù)值，超過(guò)了測(cè)量顯示范圍。下一步是保存結(jié)果，進(jìn)行準(zhǔn)峰值或平均值的最終測(cè)量。

圖8、顯示線和被測(cè)信號(hào)跡線

顯示線用于采集被測(cè)設(shè)備信號(hào)。高于顯示線的信號(hào)記錄在峰值列表里以進(jìn)行下一步分析。通常顯示線位于限制線或裕量線處。注意，不是跡線上所有的信號(hào)都來(lái)自于被測(cè)設(shè)備，它也有可能是跡線1或跡線2未能同時(shí)采集到的信號(hào)。

圖9、被測(cè)設(shè)備信號(hào)的峰值列表

識(shí)別出需要進(jìn)行下一步分析的信號(hào)，記錄在列表里并保存為.csv文件。調(diào)回文件，使用規(guī)定的檢波器測(cè)量這些信號(hào)點(diǎn)的幅度和頻率，記錄結(jié)果列表并保存，可用于以后再次測(cè)量。如果存在不滿足規(guī)范的信號(hào)，需要對(duì)被測(cè)設(shè)備重新設(shè)計(jì)和重新評(píng)估。

3、環(huán)境信號(hào)不同辨識(shí)方法的比較

3.1、轉(zhuǎn)臺(tái)法

當(dāng)被測(cè)設(shè)備不易關(guān)閉電源時(shí)，適合選擇轉(zhuǎn)臺(tái)法。需要記錄和比較從4個(gè)方位測(cè)量的數(shù)據(jù)以分辨被測(cè)設(shè)備輻射信號(hào)。

3.2、雙天線法

該方法對(duì)于單獨(dú)的信號(hào)辨別最快。在兩個(gè)天線間簡(jiǎn)單切換，即可簡(jiǎn)單地看到信號(hào)是環(huán)境信號(hào)還是被測(cè)設(shè)備信號(hào)。但該方法需要非常大的測(cè)試場(chǎng)地。

3.3、屏蔽法

設(shè)置屏蔽是成本最低的方法。然而，這個(gè)方法有點(diǎn)麻煩，需要安裝和拆除。當(dāng)有多個(gè)信號(hào)需要分析時(shí)，適合采用屏蔽法。

3.4、信號(hào)列表法

信號(hào)列表法速度很快，允許用戶直接在信號(hào)列表中選擇被測(cè)設(shè)備輻射信號(hào)進(jìn)行最后測(cè)量。使用的信號(hào)分析儀必須具有信號(hào)列表功能，例如安裝了安捷倫N6141A EMC測(cè)量應(yīng)用軟件的信號(hào)分析儀。

3.5、頻譜顯示去除環(huán)境信號(hào)

該方法的優(yōu)點(diǎn)是，只顯示被測(cè)設(shè)備輻射信號(hào)和沒(méi)有被某條跡線捕獲的信號(hào)(環(huán)境信號(hào)或者環(huán)境信號(hào)加上被測(cè)信號(hào))?？梢灾苯佑^察到被測(cè)設(shè)備輻射信號(hào)。使用的信號(hào)分析儀需要具有跡線加減功能。

4、結(jié)論

采用哪種方法去除環(huán)境信號(hào)取決于被測(cè)設(shè)備、周圍環(huán)境和使用的場(chǎng)地。例如：被測(cè)設(shè)備比較復(fù)雜(即：很多內(nèi)部時(shí)鐘)，可以使用信號(hào)列表法或頻譜顯示法。如果環(huán)境干擾比較小(遠(yuǎn)低于限制線)，可以使用轉(zhuǎn)臺(tái)法。