實(shí)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性工作，它廣泛應用于無(wú)線(xiàn)電臺站選址、頻率指配、無(wú)線(xiàn)電管制和電磁環(huán)境*估等電磁頻譜管理的各個(gè)環(huán)節。掌握科學(xué)的測試方法并不斷積累實(shí)踐經(jīng)驗對微波電磁環(huán)境測試至關(guān)重要。本文結合具體的工作實(shí)際，以“HP8593監測測向系統”為例（其他系統可參考進(jìn)行）介紹微波電磁環(huán)境測試的基本方法。

1 測試依據的標準

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

2 測試系統組成

根據不同的測試任務(wù)搭建相應的測試系統，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（如圖1所示），由寬頻帶標準喇叭天線(xiàn)、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等設備組成，能夠完成1 GHz～18 GHz頻段的電磁環(huán)境監測工作。

值得注意的是，頻譜分析儀等測試儀表應符合GB6113的規定，并經(jīng)計量部門(mén)檢定，以保證測試數據的準確性。

圖1 HP8593微波測試系統

3 測試系統可行性論證

依據被測微波頻段接收設備的靈敏度，對所搭建的測試系統進(jìn)行可行性論證，以確認該系統是否滿(mǎn)足“測試系統的靈敏度必須高于微波接收設備的靈敏度”的測試要求?？尚行哉撟C是保證電磁環(huán)境監測工作科學(xué)、真實(shí)和有效的前提。

（1）測試系統性能論證

電磁環(huán)境測試系統性能主要體現在接收靈敏度方面，即對微弱信號的接收能力。接收機噪聲系數和靈敏度是衡量接收機對微弱信號接收能力的兩個(gè)重要參數，并且可相互轉換。

接收機靈敏度是接收機在指定帶寬下監測弱信號的能力，以μV或dBμV為單位；而噪聲系數是指接收機（或頻譜儀）內部產(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(wú)量綱參數，一般以dB為單位。即：

FN=NO/GNI ①

其中： FN 為噪聲系數；

NI 為輸入理論熱噪聲功率，NI=kT0B，k是波爾茲曼常數，T0是室溫的絕對溫度，B是接收機有效噪聲帶寬（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

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

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，接收機噪聲系數為NF=10lgFN，則接收機（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頻譜儀噪聲系數的典型取值是32dB,即NF=10lgFN=32。那么在頻譜儀前端沒(méi)有衰減的條件下，其接收靈敏度為(若前端衰減設置為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，在頻譜儀前端增設低噪聲放大器，將明顯提高接收系統靈敏度。

（2）測試系統靈敏度論證

在本測試系統中，頻譜儀接收靈敏度為：S=-142（dBm/Hz），滿(mǎn)足GB13616-92《微波接力站電磁環(huán)境保護要求》指標要求，DH微波低噪聲放大器增益G為30dB,噪聲系數為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(xiàn)的增益，本測試系統接收小信號的能力，即折算到天線(xiàn)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(xiàn)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）。

依據表1中的“DH30010T2寬帶雙脊喇叭天線(xiàn)技術(shù)指標”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(shuō)明，該測試系統靈敏度高于工作在擬測微波頻段的雷達和微波等接收設備的靈敏度，即可滿(mǎn)足相關(guān)測試要求。

表1 DH30010T2寬帶雙脊喇叭天線(xiàn)技術(shù)指標

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(diǎn)

依據相關(guān)微波通信系統的組織運用情況，結合微波臺站電磁環(huán)境測試對周邊地形、地貌的要求確定測試點(diǎn),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）測試準備和設備連接

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

（3）保護性測試及系統校驗

保護性測試及系統校驗是為了保證測試儀表的安全。測試人員對新測試點(diǎn)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，然后再根據現場(chǎng)信號大小，選擇合適的衰減器或不加衰減器。

該測試過(guò)程如下：打開(kāi)頻譜分析儀，設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(xiàn)俯仰角放在0°，分別采取水平和垂直兩種極化方式按順時(shí)針?lè )较蚓徛D動(dòng)進(jìn)行掃描測試；分析測試結果，如有大信號則必須加合適的衰減器(包括頻譜分析儀的內部衰減)，否則可去掉衰減器(注意:為保護儀表，卸去衰減器前，務(wù)必將頻譜分析儀關(guān)閉)進(jìn)行后續測試。

（4）大信號測試

為避免非線(xiàn)性失真，先不加低噪聲放大器。運行HP8593自動(dòng)監測軟件，設置測試頻段的中心頻率、掃頻寬度和分辨率帶寬，設置頻譜分析儀為最大保持方式，將喇叭天線(xiàn)俯仰角放在0°，分別采取水平和垂直兩種極化方式按順時(shí)針?lè )较蚓徛D動(dòng)進(jìn)行掃描測試，發(fā)現信號則停止轉動(dòng)，調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(shí)記錄保存瞬時(shí)頻譜圖和最大保持頻譜圖的時(shí)間)，可參考《微波頻段電磁環(huán)境測試記錄表》（見(jiàn)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

對一些信號強度較弱的測試點(diǎn)或在一些重要測試頻段，可通過(guò)加接低噪聲放大器來(lái)提高測試系統靈敏度。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(kāi)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變得更加靈敏，必要時(shí)需對接收測試信號進(jìn)行真實(shí)性判定。本文提供兩個(gè)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

背景噪聲測試可結合步驟(4)和步驟(5)進(jìn)行。但鑒于測試結果的一致性和可比性要求，應統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，應在要求頻段內無(wú)測試信號位置處讀取瞬時(shí)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》

頻譜儀主要參數設置（僅供參考，測試時(shí)視具體情況可適當調整）：

頻段范圍：擬測頻段。

分辨帶寬：100kHz。

掃描寬度：依據擬測試頻段設定。

輸入衰減：10dB。

保持時(shí)間：30秒。

掃描時(shí)間：自動(dòng)。

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

表6 《微波電磁環(huán)境測試記錄資料——測試基本結論表》

5 測試要求

（1）測試時(shí)段要求

為了能反映各頻段通信信道的衰落特性，各項內容的測試時(shí)間參照國標和國際電聯(lián)（ITU）對無(wú)線(xiàn)電監測的有關(guān)規定，要求每個(gè)地域和頻段的測試有效時(shí)間應包括上午、下午和晚上等不同時(shí)段。

（2）將端口電壓換算為天線(xiàn)場(chǎng)強

測試現場(chǎng)采集的數據(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(xiě)測試報告進(jìn)行數據分析時(shí)需經(jīng)過(guò)折算等效成天線(xiàn)口面的場(chǎng)強值E，單位為dBμV/m。

其具體方法如下：考慮天線(xiàn)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(xiàn)和轉接頭的損耗d以及折算系數F(頻譜分析儀輸入阻抗為50Ω時(shí)，F=107dB)等因素，參照相應的天線(xiàn)技術(shù)指標，經(jīng)過(guò)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(xiàn)口面的場(chǎng)強值E(dBμV/m)，并可依據GB 13616-92《微波接力站電磁環(huán)境保護要求》換算出功率通量密度。

（3）微波電磁環(huán)境測試設備清單（見(jiàn)表7）

表7 微波電磁環(huán)境測試設備清單

6 結束語(yǔ)

本文所述的五個(gè)方面是微波電磁環(huán)境測試工作的主要內容，測試人員既可據此在添加任務(wù)來(lái)源、測試計劃（包括測試地點(diǎn)、人員和時(shí)間）、測試目的、測試內容和設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(lái)源、測試目的、測試內容、基本情況、數據分析、基本結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(shí)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(shí)際的電測工作中具體情況要具體分析，特殊情況應特殊處理，切勿生搬硬套。