开阔场地的辐射发射测量

进行开场测试时，有时候不方便多次关闭和打开被测设备的电源。本文探讨了在这种情况下，如何辨识环境信号的影响，识别出被测设备(DUT)的辐射发射信号。本文讨论了采用现代信号分析仪和EMI接收机进行开阔场地的辐射发射测量的实现方法。

1、概述

开场的辐射发射测试(OATS)测量中，需要确定信号分析仪上显示的信号到底是被测设备的辐射信号还是来自周围环境的信号。反复地关闭被测设备，以检查信号是否消失，再打开设备电源继续测试，是一项繁复的工作。

本文介绍了几种方法用来区别被测设备信号和环境信号，希望能解决OATS测量工作中遇到的问题。这些技术包括：采用转台来辨识被测设备信号和环境信号;采用双天线进行信号辨识;采用屏蔽法和采用调谐与监听法辨识信号。本文同时也介绍了如何使用迹线加减(Trace math)功能在信号分析仪显示的被测信号中去除环境信号。还探讨了使用具有信号列表(Signal List)功能的EMI接收机和信号分析仪去除环境信号仅留下被测设备信号的方法。

2、辨识环境信号的若干方法

2.1、采用转台法确定被测信号

如果被测设备的电源不容易频繁打开或关闭，测量中可以使用一个转台(turntable)来帮助识别被测信号。大多数情况下，从被测设备辐射出来的信号在某个平面比其他平面更强。当转台旋转时，被测设备辐射信号的幅度会随之变化。旋转转台并观察接收机上的信号幅度，寻找最大和最小信号。记录下高于规范限制或裕量的信号的最大值、频率和转台位置，便于进一步分析该信号。

转台旋转进行测量的方法之所以可以标识出环境信号，因为当转台旋转时，环境信号的幅度不会随之改变。如果在相同区域进行多次测量，建议使用一个列表来记录环境信号的频率和幅度。

2.2、双天线法辨识环境信号

一种非常灵活的辨识环境信号的方法是使用双天线法。通常第一个天线用于正常辐射测量，放置于规范定义的距离被测设备平面10米远处，第二个天线放置于两倍距离处。两个天线使用一个射频开关与接收机连接，正常测量时用第一个天线，当遇到异常信号，可能是环境信号也可能是被测设备辐射信号，切换到第二个天线再次测量。如果两次测量的信号幅度大致相同，则该信号是环境信号，如果第二次测量的幅度值低6 dB左右，则该信号是被测设备发出的信号。

双天线法使用的天线应是相同的类型并且具有类似的传输因数。另外，两个天线和被测设备要尽量成直线放置。以保证每个天线接收到的辐射来自被测设备的同一平面。

2.3、屏蔽法辨识环境信号

如果被测设备的电源不方便打开和关闭，一种较少用到但很经济的方法是在被测设备和测量天线之间放置一个屏蔽板。屏蔽板通常是铝板，与天线垂直，重要的一点是，屏蔽板必须接地，与OATS地平面连接。在大风天使用这种方法可能会有问题，因为很难保证铝板稳定地固定在测试场地上。

2.4、调谐与监听法识别环境信号

很多信号分析仪和EMI接收机提供解调某个标记(marker)处调幅信号或调频信号的功能。在感兴趣的信号点放置标记，选择调幅、调频或调相等相应的解调方法进行解调。当信号被解调时，扫描会在标记处暂停一段时间。这对于快速辨识是本地无线电台还是被测设备辐射信号非常有用。该方法不适用于辨识数字通信信号(手机，数字电视等)。

2.5、信号列表法去除环境信号

信号分析仪和EMI接收机的一个功能是可以把信号峰值放入信号列表(Signal List)。这些峰值可能是被测设备辐射信号，也可能是来自周围环境的信号。图1是一个典型的捕获到的辐射信号显示，既有被测信号又有环境信号。

图1、辐射发射

对信号列表进行操作，例如用标记信号、删除信号的功能可以将信号列表减少到只有被测设备辐射信号和在两次扫描中的某次没有出现的环境信号。

操作过程非常简单，第一次扫描，被测设备电源未打开，记录信号列表;然后打开被测设备电源，进行第二次扫描，再记录信号列表;搜索两次扫描都记录到的重复信号。这些重复信号就是两次扫描都出现过的环境信号。图2显示了标记出重复信号的信号列表。

图2、标记重复信号

删除重复信号，剩下的信号就是被测设备信号和在两次扫描的某一次未出现的环境信号。图3显示了删除重复信号后剩下的信号。

图3、删除重复信号后剩下的信号

2.6、从显示的频谱中去除环境信号

进行EMI测量的根本目的是辨识出被测设备的辐射信号，去除其他无关信号，因为一旦所有被测信号能被辨识出来，再执行准峰值或平均值测量，即可确保所有被测设备辐射信号能通过规范规定的限制。如果信号分析仪没有上述的信号列表功能，也可以使用先进分析(Advanced Analysis)功能来去除显示的环境信号。

下述方法取决于现代信号分析仪的功能，必须具有足够的数据点以保证宽带扫描的频谱分辨率。数据点越多，信号未被采集的可能性越小，显示的幅度比期望值更低。

消除显示的环境信号的原理相当简单。一条迹线中包含了环境信号和被测设备信号，另一条迹线中仅包含了环境信号，两条迹线做减法，即可得到仅有被测设备信号的信号迹线。

尽管原理很简单，但真正实现过程还是比较复杂的。最终目的是获得一组可疑的被测信号，再进行准峰值检波或者平均值检波的重新测量。

成功的关键是分而治之。图4中的迹线显示出很多的被测信号和环境信号之间间隔非常近。频谱仪的频率精度决定了在屏幕上能显示间隔多近的一组信号。如果频率精度很低，那能分辨出的信号需要间隔比较大。而如果频率精度相当好，则可以分辨出间隔非常近的信号。另外，扫描宽度越大，信号看起来越接近。

下面简要总结了从频谱显示中消除环境信号的过程：

1.在转台上搭建好被测设备并按照规范设置好天线。

2.连接信号分析仪和天线，加载校正因子，选择规范要求的限制线，保证噪底和限制线之间的灵敏度足够，通常至少有6 dB。否则，需要增加一个低噪声放大器提高灵敏度。

3.打开被测设备电源并观察频谱显示。调整截止频率来减小扫宽，直到频谱显示大约25或30个信号。注意，此时的频谱包括了环境信号和被测设备信号。增加迹线平均数以减小噪声。保存该频谱为迹线1。

4.关闭被测设备电源并保存该频谱为迹线2。

5.使用迹线加减功能，本例中即计算功率差，用迹线1减去迹线2得到迹线3。迹线3上的信号包括了被测设备信号以及出现在保存迹线1和迹线2期间的任何信号。

6.将迹线3上的信号的幅度和对应频率一一记录下来，用于进一步分析。

7.转台旋转90度，再次重复步骤3至6。把所有测量结果保存在一个大表中。

8.检查保存的测量结果，如果信号幅度高于限制线，放大该信号，并进行一次“measure at marker”测量。保证其准峰值测量结果低于限制线。

2.6.1、消除环境信号的具体步骤

消除环境信号的过程采用一台现代中档信号分析仪，在经济型中档信号分析仪上也可以实现。

下面显示的是，10米法双锥形天线满足规范EN55022的测量限制线。连续减小截止频率到只显示大约20个信号，其中包括被测设备信号。

2.6.1.1、同时显示环境信号和被测信号的频谱

图4(迹线1)显示的频谱既有环境信号又有被测设备发出的信号。采用迹线平均以使得显示迹线平滑化。本例中采用了100次迹线平均来降低噪底，并稳定环境信号。这是已经消除了环境信号，仅留下被测设备信号的迹线。

注意周围环境随着信号衰落不断变化。信号幅度可能随时间改变。当该迹线被存储后，如果环境信号幅度减小或者完全消失，那么这一环境信号可能显示为一个被测设备信号。

图4、被测设备信号加上环境信号

图5(迹线2，蓝色)显示的是当被测设备电源关闭时的环境信号。也是100次迹线平均以减小噪声和断续性信号。用迹线1减去迹线2。如果一个环境信号出现在迹线2上但没有出现在迹线1上，结果会出现一个负值的尖峰。这个负值尖峰是由于减法导致的。

图5、环境信号

从迹线1中减去迹线2，采用的是信号分析仪具有的计算功率差的功能。功率差功能使用运算符Operands。定义迹线1为Operand 1，迹线2为Operand 2。迹线1减去迹线2，得到迹线3，是两者的差。这时，迹线1处于静止(View)模式，迹线2也处于静止模式，而迹线3处于激活(clear write)模式。

图6、被测设备信号和环境信号迹线减去环境信号迹线

大多数环境信号可以被消除，剩余的环境信号幅度值非常低，这些残余信号产生于频率的改变，即它们对应在迹线1上的频点和在迹线2上的频点发生了变化。

一条迹线分成5000点的话，每个点代表54 kHz的频带宽度。点数对于消除环境信号非常重要。如果选择的点数过少，被测设备信号与环境信号间隔过近时，可能被当作环境信号删除。另一方面，如果选择的点数过多，一旦环境信号的频率微小改变，可能对应两条迹线上的点就不同了，这样两条迹线相减时该环境信号点就不能被消除。这种情况通常发生在调频站(FM Stations)。如果仔细观察迹线3，会发现有些信号显示出幅度值变低很多。这些信号点就是在迹线1和迹线2上对应的频率有变化。而在迹线1上采集到的被测设备信号的幅值几乎没有变化或者仅有很小的变化。

图7、关闭迹线1和迹线2后的显示

关闭迹线1和迹线2后，更容易看清楚余留的信号。被测设备信号很容易被识别。所有其他信号都低于限制线或裕量线。

图7中的迹线，在某些情况下，会显示超过屏幕底部。这是由于计算出的功率差是负值，超过了测量显示范围。下一步是保存结果，进行准峰值或平均值的最终测量。

图8、显示线和被测信号迹线

显示线用于采集被测设备信号。高于显示线的信号记录在峰值列表里以进行下一步分析。通常显示线位于限制线或裕量线处。注意，不是迹线上所有的信号都来自于被测设备，它也有可能是迹线1或迹线2未能同时采集到的信号。

图9、被测设备信号的峰值列表

识别出需要进行下一步分析的信号，记录在列表里并保存为.csv文件。调回文件，使用规定的检波器测量这些信号点的幅度和频率，记录结果列表并保存，可用于以后再次测量。如果存在不满足规范的信号，需要对被测设备重新设计和重新评估。

3、环境信号不同辨识方法的比较

3.1、转台法

当被测设备不易关闭电源时，适合选择转台法。需要记录和比较从4个方位测量的数据以分辨被测设备辐射信号。

3.2、双天线法

该方法对于单独的信号辨别最快。在两个天线间简单切换，即可简单地看到信号是环境信号还是被测设备信号。但该方法需要非常大的测试场地。

3.3、屏蔽法

设置屏蔽是成本最低的方法。然而，这个方法有点麻烦，需要安装和拆除。当有多个信号需要分析时，适合采用屏蔽法。

3.4、信号列表法

信号列表法速度很快，允许用户直接在信号列表中选择被测设备辐射信号进行最后测量。使用的信号分析仪必须具有信号列表功能，例如安装了安捷伦N6141A EMC测量应用软件的信号分析仪。

3.5、频谱显示去除环境信号

该方法的优点是，只显示被测设备辐射信号和没有被某条迹线捕获的信号(环境信号或者环境信号加上被测信号)。可以直接观察到被测设备辐射信号。使用的信号分析仪需要具有迹线加减功能。

4、结论

采用哪种方法去除环境信号取决于被测设备、周围环境和使用的场地。例如：被测设备比较复杂(即：很多内部时钟)，可以使用信号列表法或频谱显示法。如果环境干扰比较小(远低于限制线)，可以使用转台法。