實用微波電磁環(huán)境測試方法

電磁環(huán)境測試是電磁頻譜管理的一項基礎(chǔ)性工作，它廣泛應(yīng)用于無線電臺站選址、頻率指配、無線電管制和電磁環(huán)境*估等電磁頻譜管理的各個環(huán)節(jié)。掌握科學(xué)的測試方法并不斷積累實踐經(jīng)驗對微波電磁環(huán)境測試至關(guān)重要。本文結(jié)合具體的工作實際，以“HP8593監(jiān)測測向系統(tǒng)”為例（其他系統(tǒng)可參考進(jìn)行）介紹微波電磁環(huán)境測試的基本方法。

1 測試依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)

微波電磁環(huán)境測試所依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)，主要有GB 13616-92《微波接力站電磁環(huán)境保護(hù)要求》和GB 13619-92《微波接力通信系統(tǒng)干擾計算方法》。

2 測試系統(tǒng)組成

根據(jù)不同的測試任務(wù)搭建相應(yīng)的測試系統(tǒng)，是順利完成電磁環(huán)境測試任務(wù)的第一步。

以HP8593頻譜分析儀為主體的HP8593微波電磁環(huán)境測試系統(tǒng)（如圖1所示），由寬頻帶標(biāo)準(zhǔn)喇叭天線、高頻衰減器、微波低噪聲放大器、微波低損耗電纜、HP8593E頻譜分析儀和便攜式計算機(jī)等設(shè)備組成，能夠完成1 GHz～18 GHz頻段的電磁環(huán)境監(jiān)測工作。

值得注意的是，頻譜分析儀等測試儀表應(yīng)符合GB6113的規(guī)定，并經(jīng)計量部門檢定，以保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖1 HP8593微波測試系統(tǒng)

3 測試系統(tǒng)可行性論證

依據(jù)被測微波頻段接收設(shè)備的靈敏度，對所搭建的測試系統(tǒng)進(jìn)行可行性論證，以確認(rèn)該系統(tǒng)是否滿足“測試系統(tǒng)的靈敏度必須高于微波接收設(shè)備的靈敏度”的測試要求?？尚行哉撟C是保證電磁環(huán)境監(jiān)測工作科學(xué)、真實和有效的前提。

（1）測試系統(tǒng)性能論證

電磁環(huán)境測試系統(tǒng)性能主要體現(xiàn)在接收靈敏度方面，即對微弱信號的接收能力。接收機(jī)噪聲系數(shù)和靈敏度是衡量接收機(jī)對微弱信號接收能力的兩個重要參數(shù)，并且可相互轉(zhuǎn)換。

接收機(jī)靈敏度是接收機(jī)在指定帶寬下監(jiān)測弱信號的能力，以μV或dBμV為單位；而噪聲系數(shù)是指接收機(jī)（或頻譜儀）內(nèi)部產(chǎn)生的附加噪聲折合到輸入端與輸入本身的理論熱噪聲之比，屬無量綱參數(shù)，一般以dB為單位。即：

FN=NO/GNI ①

其中： FN 為噪聲系數(shù)；

NI 為輸入理論熱噪聲功率，NI=kT0B，k是波爾茲曼常數(shù)，T0是室溫的絕對溫度，B是接收機(jī)有效噪聲帶寬（或頻譜儀的分辨帶寬）；

NO 為輸出噪聲功率；

G 為電路系統(tǒng)增益。

電路的輸出噪聲除以增益即為電路的等效噪聲輸入，所以NI FN為等效電路的輸入噪聲功率。即：

NI FN =kT0B FN

在接收機(jī)應(yīng)用中，kT0B FN表示接收機(jī)輸入端的噪聲功率，信號電平必須超過此噪聲功率。若S/N=1，則輸入信號功率等于kT0B FN，如用對數(shù)形式表示則為：

10lgNI=10lgkT0B=-174+10lgB（dBm） ②

若B=1Hz，則：10lgNI=-174+10lgB =-174(dBm/Hz)；

若B=1kHz，則：10lgNI=-174+10lgB =-144(dBm/kHz)。

若S/N=1，接收機(jī)噪聲系數(shù)為NF=10lgFN，則接收機(jī)（或頻譜儀）的靈敏度為：

SN=10lgkT0BFN=-174+10lgBFN（dBm/Hz） ③

若B=1Hz，則：SN=-174+NF（dBm/Hz）；

若B=1kHz，則：SN =-144+NF（dBm/kHz）。

HP8593E頻譜儀噪聲系數(shù)的典型取值是32dB,即NF=10lgFN=32。那么在頻譜儀前端沒有衰減的條件下，其接收靈敏度為(若前端衰減設(shè)置為10dB，則頻譜儀靈敏度下降10dB)：

S=10lgkT0BFN=-174+10lgBFN =-174+32+10lgB。

若B=1Hz，則：S =-142（dBm/Hz）；

若B=1kHz，則：S =-112（dBm/kHz）。

對于較為弱小的信號，在頻譜儀前端增設(shè)低噪聲放大器，將明顯提高接收系統(tǒng)靈敏度。

（2）測試系統(tǒng)靈敏度論證

在本測試系統(tǒng)中，頻譜儀接收靈敏度為：S=-142（dBm/Hz），滿足GB13616-92《微波接力站電磁環(huán)境保護(hù)要求》指標(biāo)要求，DH微波低噪聲放大器增益G為30dB,噪聲系數(shù)為5。那么，高頻低噪聲放大器輸出端的噪聲功率（即最小信號電平功率）由公式③得出，可用對數(shù)表示為：

SNo=10lgkT0BGFN

=-174+10lgBFN+G =-174+5+30+10lgB

若B=1Hz，則：SNo=-174+5+28=-141（dBm/Hz）；

若B=1000Hz，則：SNo=-174+5+28+30=-111（dBm/kHz）。

此值高于頻譜儀接收靈敏度，即對于經(jīng)低噪聲放大器放大輸出的空中信號，HP8593E頻譜分析儀均能可靠接收。低噪聲放大器接收靈敏度為169dBm,考慮到天線的增益，本測試系統(tǒng)接收小信號的能力，即折算到天線口面處能接收的最小信號電平Pr可用公式表示為：

Pr=低噪聲放大器接收靈敏度-天線增益G2+電纜損耗1.5dB

即：

＊1300 MHz～1800 MHz頻段：

Pr =-169-8.5+1.5=-176（dBm/Hz）；

＊3700 MHz～4200 MHz 頻段：

Pr =-169-10.8+1.5=-178.3（dBm/Hz）；

＊4400 MHz～5000 MHz 頻段：

Pr=-169-11.1+1.5 =-178.6（dBm/Hz）；

＊12.55 GHz～12.85 GHz 頻段：

Pr=-169-12.7+1.5 =-180.2（dBm/Hz）。

依據(jù)表1中的“DH30010T2寬帶雙脊喇叭天線技術(shù)指標(biāo)”可計算出其他頻段的Pr，表2為HP8593E頻譜分析儀的平均噪聲電平。

以上論證說明，該測試系統(tǒng)靈敏度高于工作在擬測微波頻段的雷達(dá)和微波等接收設(shè)備的靈敏度，即可滿足相關(guān)測試要求。

表1 DH30010T2寬帶雙脊喇叭天線技術(shù)指標(biāo)

表2 HP8593E頻譜分析儀的平均噪聲電平

4 測試方法和步驟

（1）選定測試點

依據(jù)相關(guān)微波通信系統(tǒng)的組織運用情況，結(jié)合微波臺站電磁環(huán)境測試對周邊地形、地貌的要求確定測試點,并將測試的基本情況記入《微波電磁環(huán)境測試記錄資料——測試基本情況記錄》（如表3所示）。

表3 《微波電磁環(huán)境測試記錄資料——測試基本情況記錄》

（2）測試準(zhǔn)備和設(shè)備連接

用萬用表測量電源電壓，要求電壓為交流220±10V，若用柴油機(jī)發(fā)電要連接穩(wěn)壓電源。如圖1所示，先不加低噪聲放大器連接各測試設(shè)備，天線高于測試點地面1.5米以上，相關(guān)儀表接地。

（3）保護(hù)性測試及系統(tǒng)校驗

保護(hù)性測試及系統(tǒng)校驗是為了保證測試儀表的安全。測試人員對新測試點的電磁環(huán)境較為陌生，所以必須先在頻譜儀的射頻輸入端加接30dB的衰減器，進(jìn)行保守測試，然后再根據(jù)現(xiàn)場信號大小，選擇合適的衰減器或不加衰減器。

該測試過程如下：打開頻譜分析儀，設(shè)置測試的中心頻率和掃頻寬度，用最大保持方式測試；將喇叭天線俯仰角放在0°，分別采取水平和垂直兩種極化方式按順時針方向緩慢轉(zhuǎn)動進(jìn)行掃描測試；分析測試結(jié)果，如有大信號則必須加合適的衰減器(包括頻譜分析儀的內(nèi)部衰減)，否則可去掉衰減器(注意:為保護(hù)儀表，卸去衰減器前，務(wù)必將頻譜分析儀關(guān)閉)進(jìn)行后續(xù)測試。

（4）大信號測試

為避免非線性失真，先不加低噪聲放大器。運行HP8593自動監(jiān)測軟件，設(shè)置測試頻段的中心頻率、掃頻寬度和分辨率帶寬，設(shè)置頻譜分析儀為最大保持方式，將喇叭天線俯仰角放在0°，分別采取水平和垂直兩種極化方式按順時針方向緩慢轉(zhuǎn)動進(jìn)行掃描測試，發(fā)現(xiàn)信號則停止轉(zhuǎn)動，調(diào)整掃頻寬度和分辨率帶寬至最佳(能夠分辨信號為止)，記錄信號電平、占用帶寬和方位以及信號特征(同時記錄保存瞬時頻譜圖和最大保持頻譜圖的時間)，可參考《微波頻段電磁環(huán)境測試記錄表》（見表4）。

表4 《微波頻段電磁環(huán)境測試記錄表》

（5）弱小信號環(huán)境測試

對一些信號強(qiáng)度較弱的測試點或在一些重要測試頻段，可通過加接低噪聲放大器來提高測試系統(tǒng)靈敏度。先將頻譜分析儀關(guān)閉，按圖1所示連接低噪聲放大器，然后打開頻譜分析儀，并按步驟(4)進(jìn)行測試。此外，鑒于加接低噪聲放大器后測試系統(tǒng)變得更加靈敏，必要時需對接收測試信號進(jìn)行真實性判定。本文提供兩個真假信號識別方法，方法一：對測試信號明顯高于背景噪聲（通常為30dB以上）的情況，若去掉低噪聲放大器，被測試信號消失，則判定其為假信號。方法二：在低噪聲放大器前端加接10dB衰減器，若原被測試信號幅值下降遠(yuǎn)大于10dB，則判定為假信號。

（6）背景噪聲測試

背景噪聲測試可結(jié)合步驟(4)和步驟(5)進(jìn)行。但鑒于測試結(jié)果的一致性和可比性要求，應(yīng)統(tǒng)一背景噪聲測試的分辨率帶寬（RBW為30kHz）。對于背景噪聲的取值，應(yīng)在要求頻段內(nèi)無測試信號位置處讀取瞬時電平值，并記錄背景噪聲電平至《微波頻段電磁背景噪聲測試記錄表》（如表5所示）。

表5 《微波頻段電磁背景噪聲測試記錄表》

頻譜儀主要參數(shù)設(shè)置（僅供參考，測試時視具體情況可適當(dāng)調(diào)整）：

頻段范圍：擬測頻段。

分辨帶寬：100kHz。

掃描寬度：依據(jù)擬測試頻段設(shè)定。

輸入衰減：10dB。

保持時間：30秒。

掃描時間：自動。

需要說明的是，以上是微波頻段電磁環(huán)境測試的通用方法，一個循環(huán)通?？赏瓿梢粋€頻段的測試，多個頻段的測試可以從第3至第6步重復(fù)進(jìn)行。一個測試點測試完畢后，可將該點各頻段在不同時段測試的基本結(jié)論記入《微波電磁環(huán)境測試記錄資料——測試基本結(jié)論表》（如表6所示）。

表6 《微波電磁環(huán)境測試記錄資料——測試基本結(jié)論表》

5 測試要求

（1）測試時段要求

為了能反映各頻段通信信道的衰落特性，各項內(nèi)容的測試時間參照國標(biāo)和國際電聯(lián)（ITU）對無線電監(jiān)測的有關(guān)規(guī)定，要求每個地域和頻段的測試有效時間應(yīng)包括上午、下午和晚上等不同時段。

（2）將端口電壓換算為天線場強(qiáng)

測試現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)(背景噪聲和信號電平值)均為頻譜分析儀的端口電壓值U，單位為dBm，撰寫測試報告進(jìn)行數(shù)據(jù)分析時需經(jīng)過折算等效成天線口面的場強(qiáng)值E，單位為dBμV/m。

其具體方法如下：考慮天線K因子和低噪聲放大器增益G(如未加低噪聲放大器，則不考慮)、饋線和轉(zhuǎn)接頭的損耗d以及折算系數(shù)F(頻譜分析儀輸入阻抗為50Ω時，F(xiàn)=107dB)等因素，參照相應(yīng)的天線技術(shù)指標(biāo)，經(jīng)過公式E=U+K-G+d+F的折算，可將頻譜分析儀的端口電壓值U(dBm)等效為天線口面的場強(qiáng)值E(dBμV/m)，并可依據(jù)GB 13616-92《微波接力站電磁環(huán)境保護(hù)要求》換算出功率通量密度。

（3）微波電磁環(huán)境測試設(shè)備清單（見表7）

表7 微波電磁環(huán)境測試設(shè)備清單

6 結(jié)束語

本文所述的五個方面是微波電磁環(huán)境測試工作的主要內(nèi)容，測試人員既可據(jù)此在添加任務(wù)來源、測試計劃（包括測試地點、人員和時間）、測試目的、測試內(nèi)容和設(shè)備清單等部分后形成“×××微波電磁環(huán)境測試方案”，也可在添加任務(wù)來源、測試目的、測試內(nèi)容、基本情況、數(shù)據(jù)分析、基本結(jié)論和建議等部分后形成 “×××微波電磁環(huán)境測試報告”。筆者從實用角度出發(fā)提供的測試方法和記錄表格，僅供有關(guān)測試人員參考。在實際的電測工作中具體情況要具體分析，特殊情況應(yīng)特殊處理，切勿生搬硬套。