何觀寰 劉泳海 徐振飛

（威凱檢測技術(shù)有限公司 廣州 510663）

引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，智能家居越來越普及。智能家居將高頻寬帶局域網(wǎng)與各種家用電器、設備相結(jié)合，通過手機APP作為用戶終端，實現(xiàn)了遠距離控制和智能化調(diào)節(jié)的功能。智能家居為人們生活帶來極大便利，受到廣大消費者的歡迎。然而，由于智能家居產(chǎn)品使用了WiFi、GPRS、ZigBee、Bluetooth、NB-IoT等射頻技術(shù)，在使用的過程中，其射頻模塊產(chǎn)生的電磁騷擾，可能會影響其他電子電氣產(chǎn)品的正常使用。因此，開展智能家居的無線電騷擾試驗方法研究有重要意義。

1 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

智能家居系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)可劃分為三個部分：內(nèi)部局域網(wǎng)、外網(wǎng)、智能家居網(wǎng)關(guān)。內(nèi)部局域網(wǎng)主要功能是連接智能家居的無線傳感器，實現(xiàn)各種家用電器和家居設備的互聯(lián)；外網(wǎng)指的是以太網(wǎng)和小區(qū)局域網(wǎng)等，用于實現(xiàn)遠程傳輸數(shù)據(jù)；智能家居網(wǎng)關(guān)負責連接內(nèi)部局域網(wǎng)與外網(wǎng)，實現(xiàn)外網(wǎng)與內(nèi)部局域網(wǎng)之間的交互。以圖1為例，該系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，以智能家居網(wǎng)關(guān)為樞紐通過WiFi、ZigBee、Bluetooth技術(shù)與智能家居設備建立連接，并在網(wǎng)關(guān)上架設Web服務器與用戶進行通信，用戶可以通過連接到因特網(wǎng)的PC機或其他通信設備登陸網(wǎng)關(guān)，對終端節(jié)點的智能家居設備進行監(jiān)控與管理。

2 智能家居設備的輻射雜散騷擾

智能家居設備實現(xiàn)了無線傳輸技術(shù)與家居設備功能的融合，主要的方法是將無線傳感器和無線傳輸模塊集成于家居設備的控制主板上。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊的典型工作狀態(tài)是發(fā)射接收射頻信號，在此過程中，產(chǎn)生的EMI無線電騷擾種類主要為輻射雜散騷擾。輻射雜散騷擾是產(chǎn)品在通信過程中，除載頻和與正常調(diào)制相關(guān)的邊帶以外離散頻率上的輻射騷擾，用于評價射頻模塊的發(fā)射性能，輻射雜散騷擾越大，表示除有用信號帶寬以外的雜散域的騷擾信號越大，則對外界其他設備的干擾就越大。輻射雜散騷擾包括諧波輻射、寄生發(fā)射和互調(diào)產(chǎn)物、變頻產(chǎn)物。如果輻射雜散由射頻發(fā)射引起，則可分為帶外寄生發(fā)射或帶內(nèi)變頻產(chǎn)物發(fā)射；如果由射頻功放引起，則可分為諧波發(fā)射或主頻邊帶發(fā)射；此外，輻射雜散還可能是由產(chǎn)品的機殼、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和互連線纜引起。由于智能家居設備內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復雜，線路繁多，而且具有多種工作狀態(tài)，往往容易產(chǎn)生較大的輻射雜散騷擾。因此，智能家居設備的輻射雜散騷擾測量的研究具有重要意義。

3 影響智能家居輻射雜散測量的因素

智能家居輻射雜散測量試驗應根據(jù)EN 300328 V2.1.1標準[1]、YD/T 1483-2016標準[2]和GB/T 12572-2008[3]標準進行，并且依據(jù)EN 300328 V2.1.1標準提供的限值進行評價。在不同條件下對該款智能家居設備進行了多組輻射雜散試驗。本章在上述標準要求的基礎上，從試驗場地、測量方法和工作狀態(tài)三個角度對影響智能家居輻射雜散測量結(jié)果的因素進行分析。

3.1 試驗場地

根據(jù)EN 300328 V2.1.1標準，輻射雜散試驗可用的測量場地有開闊試驗場（OATS）、半電波暗室（SAR）和全電波暗室（FAR）。由于OATS造價高且性能易受氣候影響，目前業(yè)內(nèi)大多數(shù)選擇使用SAR或FAR測量輻射雜散。SAR五面鋪貼吸波材料，地面則為導電金屬，用于模擬開闊試驗場，電波傳播路徑為直射和地面反射，主要性能指標為歸一化場地衰減（NSA）和測試面場均勻性；FAR六面鋪貼吸波材料，模擬自由空間傳播環(huán)境，電波傳播路徑僅為直射，主要性能指標為靜區(qū)尺寸大小、反射電平、交叉極化度等。

當測量30 MHz～1 GHz頻率范圍內(nèi)的輻射雜散，要求實測場地衰減與理論場地衰減的偏差應在±4dB范圍內(nèi)，此時可用SAR和FAR作為試驗場地。但使用SAR和FAR得到的測量結(jié)果未必一致，主要原因是騷擾電波的傳播路徑不同。SAR的場地布置如圖2，SAR的地面為導電性良好的金屬，地面的一側(cè)裝有轉(zhuǎn)臺，用于放置受試樣品，距離轉(zhuǎn)臺若干米的另一側(cè)裝有可調(diào)式天線塔。測量時，SAR場地通過調(diào)節(jié)天線塔高度和轉(zhuǎn)臺角度來捕獲最大測量值。SAR的電波傳播路徑包括直射和地面反射，所以SAR所捕獲的最大測量值由直射電波和反射電波合成。FAR的場地布置如圖3，F(xiàn)AR六面鋪裝吸波材料，測量時，無需調(diào)節(jié)天線高度，只需調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)臺角度即可捕獲最大測量值，也就是測量值等于直射值。

圖1 智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2 半電波暗室SAR測試布置

以下這種情況可能會導致SAR測到的受試樣品輻射雜散最大測量值與FAR不一致：假設SAR中天線塔高度為L1時，樣品輻射信號到接收天線的直射電波為P1＇，反射電波為P1＂，此時天線測量值測為P1=P1＇+P1＂；天線塔高度升到L2時，樣品輻射信號到接收天線的直射電波為P2＇，反射電波為P2＂，此時天線測量值測為P2=P2＇+P2＂；假設P2＇為所有直射電波中的功率最大，但P2＜P1（因為矢量合成存在相位抵消現(xiàn)象），則P1為SAR所捕獲的最大測量值。但對于FAR，接收天線僅能捕獲直射電波，因此FAR所捕獲的最大測量值為P2，而P1≠P2，即此時不同場地測出的結(jié)果不同。智能家居設備一般體積較大，直射電波與反射電波的疊加情況更加復雜，SAR與FAR測量結(jié)果往往有一定的差異，但由于SAR場地所模擬的開闊場地更貼合智能家居實際應用場景，因此，測量30 MH～1 GHz范圍輻射雜散時建議使用SAR。

當測量1 GHz以上頻率范圍的輻射雜散，實測場地應滿足CISPR 16-1-4場地電壓駐波比SVSWR≤6 dB，此時適宜使用FAR作為試驗場地。實際上，為了節(jié)省成本，也可以在SAR的地面按特定布置鋪裝吸波材料，使之滿足電壓駐波比要求，該布置下的SAR亦能作為1 GHz以上頻率范圍的輻射雜散試驗場地。

3.2 測量方法（替代法和直接法）

圖3 全電波暗室FAR測量布置

EN 300328 V2.1.1標準使用替代測量法進行輻射雜散測試，測試原理是使用校準發(fā)生器和替代天線等效替換受試樣品，并調(diào)節(jié)發(fā)生器信號大小直到與受試樣品的輻射雜散最大測試值相等，記錄發(fā)生器的輸出功率加上替換天線增益，即可換算出受試樣品的輻射雜散最大測試值。替代測量法的好處是無需對測試系統(tǒng)各個單元進行校準，只需要對的發(fā)生器和替代天線進行校準即可獲得精確的測量結(jié)果，而缺點則是測試時間長，操作復雜，且只能觀察某些人為選定的頻點的測量值，而不能全頻率范圍步進掃描觀察。

YD/T 1483-2016標準介紹了另一種測量輻射雜散的方法—直接測量法。使用直接測量法時，需要對測量系統(tǒng)的各個單元進行校準，包括空間損耗、測量接受天線增益、濾波器和放大器損耗和射頻電線損耗等。接收機顯示的測量結(jié)果需要結(jié)合以上所有參數(shù)進行補償，才能測到最終測量結(jié)果。對于自由空間，輻射雜散發(fā)射測試e.i.r.p由式子（1）計算得出：

式中：

Pr,f：在頻率f上，測量接收機讀到的雜散發(fā)射的功率（dBW或dBm，與e.i.r.p單位相同）。

kms,f：在頻率f上，測量系統(tǒng)的校準因子（dB）。

Gf：在頻率f上，經(jīng)校準到測量天線的增益（dB）。

f：雜散發(fā)射的頻率（MHz）。

d：發(fā)射天線與測量天線的距離（m）。

直接測量法的缺點是系統(tǒng)校準過程相對復雜，優(yōu)點則是測量過程相對簡單，且能借助測試軟件進行參數(shù)補償，從而實現(xiàn)自動一體化測量，測量效率高，操作簡單。此外，直接測量法還能以設定的步進觀察全頻段的測量值，數(shù)據(jù)可讀性強，參考作用大。

本次分別用替代測量法和直接測量法對某品牌智能會議終端進行輻射雜散測量，測量結(jié)果見表1（直接法與間接法測量輻射雜散）。對比后發(fā)現(xiàn)，兩種方法的最大測量相差不超過2 dB，數(shù)據(jù)一致性高，說明直接測量法適合用于測量智能家居設備的輻射雜散。直接測量法具有不可比擬的高效率優(yōu)勢，并且有著穩(wěn)定的可靠性，正被越來越多的實驗室采用。

表1 直接法與間接法測量輻射雜散

3.3 受試樣品工作狀態(tài)

許多智能家居設備具有多功能的特點，其結(jié)構(gòu)復雜，在不同的工作狀態(tài)下，內(nèi)部運行工況往往有較大區(qū)別，從而導致輻射雜散的發(fā)射值不同。以智能背景音樂主機系統(tǒng)為例，該類產(chǎn)品集成了播放影音視頻、音頻功率放大和網(wǎng)絡通訊等功能，由于每種功能對應的運行模塊都不相同，運行工況的差異必然會導致測量結(jié)果的差異。因此進行輻射雜散測量試驗時，應該對設備的每個功能分別進行考察。但為了避免增加過多的工作量，可在各種工作狀態(tài)下進行快速的預測試，并選定最嚴酷的條件進行正式測試。

4 結(jié)語

本文主要對智能家居系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、射頻輻射雜散騷擾及適用標準、測試方法進行了闡述，結(jié)合試驗數(shù)據(jù)進行對比與分析，從試驗場地、測試方法和工作狀態(tài)三個角度提出建議，對企業(yè)和機構(gòu)進行智能家居系統(tǒng)無線電騷擾測試有一定的參考價值。