电磁辐射照射的场强单位及其换算.docx
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电磁辐射照射的场强单位及其换算
电磁辐射照射的场强单位及其换算
zhaoruifeng»2006-8-612:
12:
00
电磁辐射照射的场强单位及其换算
摘要：
电磁干扰场强单位及其换算，是广大电磁兼容工作者经常遇到的、关切的问题之一。
电磁干扰场强既有电场强度、磁场强度和功率通量密度等基本单位，又有分贝制导出。
在某些情况下，单位之间还可相互换算。
本文将就这些单位的使用及换算作一简要的介绍。
一、电磁干扰场强的基本单位
高频、微波电磁干扰场强有三种基本单位：
电场强度V/m、磁场强度A/m和功率通量密度W/m2。
在测量电场时，若仪器的表头刻度用的是电场强度单位时，则用V/m单位表示之。
所测干扰场强小于1V/m时，可用mV/m、µV/m单位。
当使用环天线、框天线或磁性天线等来测量磁场，且仪器的表头刻度按磁场强度单位A/m刻度时，则可用A/m、mA/m、µA/m单位表示之。
当电磁场频率高至微波段时，由于对电场、磁场的单独测量在技术上有一定困难；或者功率密度测量比电场、磁场测量要方便，所以可采用功率通量密度测量。
功率通量密度的单位为W/m2。
国外生产的全向宽带场强仪、辐射危险计，因其工频率范围极宽，从260KHZ~26GHZ、，故测试电路中实现|E|2、|H|2较为方便。
因此，大多采用功率通量密度测量，并以mW/Cm2为表头刻单位。
强场仪测得的功率通量密度是Poyn-ting向量模的时间平均值，亦代表电磁场的强度。
它的单位W/m2和电场强度单位V/m、磁场强度单位A/m同为电磁干扰场强的基本单位。
它们的地位是等同的。
一、电磁干扰场强单位间的相互换算
在一般情况下，V/m、A/m和mW/Cm之间不能相互换算。
只有在被测场为平面波情况下，三者间才能相互换算。
否则，只能“等效换算”。
何谓平面波？
凡远离发射天线，在自由空间中传播的电磁波，皆为平面波。
根据电磁场理论，在平面波情况下，S=ZoH2=E2/Zo
在自由空间中，Z=120π≈376.7Ω，代入上式后可得：
E单位为V/m2，S单位为mW/Cm2。
值得指出的是：
通常A、B波段（10Khz~30MHZ）的干扰场强测量仪（例如德R/S公司的ESH3、日本Anritu公司的ML428B）使用环形天线进行测量。
虽然环形天线只对磁场分量起作用，但在自由空间中，由于E=Z0H（称等效电场分量），故表头可用等效电场分量刻度。
但对近区场而言，电场E和磁场H并无确定的比例关系。
可能E很大，H很小，也可能H很大，E很小；需视场源情况而定。
此时，公式
（1）~
（2）已不成立，充其量只能“等效换算“，仅供参考而已。
二、电磁干扰场强的分贝制单位
在电磁干扰场强的测试中，往往会遇到量值相差非常悬殊（甚至千百万倍的信号）。
为了便于表达、叙述和运算（变乘除为加减），常采用对数单位——分贝（dB）。
分贝（dB）是表征两个功率电平比值的单位，即
A=10lgp2/p1（dB）…………..（3）
鉴于p=U2/R=I2R，因此下述表达式
A=20lgU2/U2=20lgI1/I220lg………….. （4）
亦被接受为dB的定义，但这针对的是同一阻抗。
分贝制单位在电磁干扰场强计量测试中的用法有如下三种：
（1） 表示信号传输系统中任意两点间功率（或电压）的相对大小，或空间某两点电磁干扰场强的相对大小。
例1 RR3A型干扰场强测量仪。
当其输入端接入20dB固定衰减器，则其测量范围扩大20dB。
这表示仪器输入电平前后相差20dB。
例2 用RAAM4A型全向宽带场强仪测量空间A点的功率通量密度为20mW/Cm2，测量空间B点的功率通量密度为20wμ/Cm2，则A、B两点功率通量密度相差30dB。
例3 有20m长电缆一根，馈入1000MHZ高频信号电压100mV，测其输出电压只有5mV，则该电缆在1000MHZ频率点上损耗为6dB。
（2） 在指定参考电平（电压或电场强度）时，可用分贝表示电压或电场强度的绝对值。
此参考电平通称为零电平。
在干扰、场强测量仪的检定测试中，常常对测量接收机施加高频标准小电
压，以检定其端电压测量精度。
定义1μV=0dBμV（简写为dBμ），此即“分贝微伏”的由来。
同样，定义场强1μV/m==0dBμV/m（简写为dBμ），称“分贝微伏/米”。
尚须指出，dBμ只对小电压使用较方便，而对大电压则可采用dBV（分贝伏，1V=0dBV）；或dBmV（分贝毫伏，1mV=odBmV）。
另外，“80dB电压“这种称谓是不恰当的。
确切的说法应是“80dBμ电压”，因为dB是电压比，而不是电压值。
表1给出电场强度与dBμV/m对应关系。
表1电场强度与dBμV/m的对应关系
μV/m dBμ
1 0
10 20
102 40
103 60
104 80
105 100
106 120
107 140
例4 说某干扰电值为86dBμ，何意？
答：
86dBμ是80和6这两个数字之和。
而80dB、6dB的对应电压比为1042.
故有：
104×2=2×104=20×103。
因此，86dBμ即为20mV。
例五说场强仪的量程是6~126dBμ，何意？
答：
该场强仪的量程上限是2×10μV/m，或2V/m。
量程下限为2×10μV/m，即
2μV/m。
（3）用分贝表示电压或场强的误差大小。
例六某场强标准装置的不确定度为±1dB，对应的百分误差是多少？
答：
不确定度±1dB意味着百分误差为+12.2℅,-10.87℅。
例七某干扰场强测量仪的不确定度为±3dB，对应百分误差是多少？
答：
+41.25℅,-29.2℅。
表2 电场强度分贝误差与百分误差对照表。
供大家引用参考。
表2电场强度分贝——百分误差对照表
分贝误差
百分误差
分贝误差
百分误差
o.1
1.16
-0.1
-1.14
0.2
2.32
-0.2
-2.27
0.3
3.5I
-O.3
-3.39
O.4
4.7I
-0.4
-4.50
0.5
5.93
-0.5
-5.59
0.6
7.15
-0.6
-6.67
0.7
8.39
-0.7
-7.74
0.8
9.65
-0.8
-8.41
0.9
10.92
-0.9
-9.84
1.0
12.20
-1.0
-10.87
1.5
18.85
-1.5
-15.86
2.0
25.89
-2.0
-20.56
2.5
33.35
-2.5
-25.01
3.0
41.25
-3.0
-29.20
3.5
49.62
-3.5
-33.16
4.0
58.49
-4.0
-36.90
三、dBm与dBμ的换算
近年来，频谱仪在电磁干扰测量中使用日见广泛。
美国hp8568B电磁干扰测量仪、日本Auritsu公司生产的MS2601A电磁干扰测量仪和德国R/S的ESA-1型EMI测量仪等都是以频谱仪为主机附加其它功能发展而成的。
其电压显示单位多为dBm，亦有用dBμ的。
另外，从国外进的合成信号发生器中，有的只标有dBm和dBμ。
如何换算呢？
（1） dBm的定义。
DBm是dBmW的简写，称为“分贝毫瓦”。
1mw=0dBm……………（5）
上式是以1mW功率电平为参考基准的绝对功率值。
正的dBm表示大于1mW功率，负的dBm表示小于1mW的功率。
此可见，采用dBm既可表示很小的功率，亦可表示很大的功率
PdBm=101gPmw………………（6）
例8功率信号发生器XG26，最小输出功率10-6mW,最大输出功率27W。
请换算成dBm。
答：
最小输出功率为-60dBm，最大输出功率为+44.3dBm。
实践中，有时还可遇到BW（分贝瓦）这个单位。
其定义为：
PdBw=101gPmw…………….（7）
1W=0dBW…………………（8）
它是以1W为参考电平的绝对功率值。
大于1W为正dBW，小于1W为负dBW。
显然0dBW=30dBm…………………（9）
（2）dBm与dBμ的换算
对50Ω源阻抗的信号发生器而言，当其输出功率为1mW（0dBm）时，其端电压输出应为
Uuv=√50p×106…………………（10）
代入P=1mW=10-3W,可得UμV：
UμV=√50×10-3×106=223606.7978其dBμ值为：
UdBμ=201g223606.7978=106.9897≈107………………（11）
例9用频谱仪测得干扰电压为-87dBm，它等于多少dBμ？
答：
-87+107=20dBμ，即10µV。
四、绝对分贝值的加减问题
应当指出，在电磁干扰场强的计量测试中，引入分贝制单位后，把乘除变为加减，大方便了表达、叙述和运算。
但是，有些分贝制单位是不能直接相加减的，这并不是因为什么相位关系。
下面举例说明：
例1 40dBμ+40dBμ/=80dBμ，为什么？
答：
40dBµ=100µV,40dBµ+40dBµ=200µV 201g200（µV）=46dBµ.
例2 0dBm+0dBm/=0dBm，为什么？
答:
0dBm=1mW 0dBm+0dBm=2mW
101g2=3dBm。
dBv and dBu
小写的v 和u 表示相似的东西,dBv 和dBu 也是在一个电子电路内,求得一声频讯号电平（ Audio Signal Level ）的量测单位.而且它们在分贝（decibel）的领域内,所依据的基准也是0.775 V RMS值,与上述dBm 不同之处是它会运用在任何的阻抗情形下去算出数据来,我们会时常见到dBu 但较少见到dBv,是因为dBv 它会混淆到我们以为是dBV,dBv 和dBV 这两者是不同的.另一方面要知道的是dBu 是欧洲惯用的,而dBv 是美国惯用的.知道么?
因此dBv 或dBu 小写的v 和u 在基本上表示相同的事物,当一个电压在做测量的时候,没有牵拖到电路阻抗,但起始运算是拿0.775 V 来导入,这样说好了,假设好像电路是600Ω 这是我们认为的,（在实际情况上,这可能是不知道的.）因为电路阻抗是不清楚的,因而实际有效功率是不明确的,那求出的值亦是不准确,如果要认真讲,严革的,使用dBv or dBu 来求取数值时.并不是一个正确的dB 测量法,然而它所得的果还是有用的.我们来瞧瞧不同之处。
dBm = 20 log （ E / 0.775 ）,
dBv = 20 log （ E / 0.775 ）,
dBm 式子里的0.775V 是以正600奥姆求出的.dBv 式子里的0.775V 则是假设它们是600奥姆的,式中的E 是经量测后所得到的电压值,至后此两式子的差值在现今已被画成等号了.也就是说dBm = dBv or dBu而且很不幸的是dBv 变成现在大家通用的运算法则.这是为什么?
这两只式子,都没有问题.故事告诉我们,业者的产品设备虽不达学术标准,但足以供民生消费上运用,这在音响商业里,非常方便的宣告自己的产品规格数据,以这样的方式去解释「分贝」（ Decibel ）.但又没有真实说明.
dBV
dBV 也是运用在一个电子电路内,求得一声频讯号电平（ Audio Signal Level ）的量测单位.它在分贝（ decibel ）的领域内所依据的基准是1 V RMS 值的分贝.它量测时的条件很松.可作用在任何的阻抗值上,dBV 的测量是相似于dBv（ 或dBu ）测量的方式,但大V 表示参考于1 伏特电压（ 电压基准 ）,且不管给予的任何阻抗值,那么这个值就更不是那么的精准了.不过起码能知道任一电路架构的讯号电平位准差不多在那儿.是的,dBV 会在那儿出现呢?
通常呀是运用在－10 dBV 的非平衡式（ Unbalanced ） or 高阻抗（High Impedance）的消费性电子装置设备上,一般制造商所提供的文件上,会标注输入及输出是依据于「－10 」的,又应标注何时是利用dBV 参考,（ 这点有时被忽略了 ）.以及何时又是利用dBv or dBu 参考的,大致上高阶的器材设备上,几乎看不到这样的数值表示.当厂商提示出dBV时,您也就不必太”关心”这个值了,它不会准到那儿去,也不会差到那儿,知道么.仅是利用在产品架构上,去界定它为消费半专业性装置或专业级的设备.
dBW
它在分贝的领域内,所依据的基准是明确的在1 W 的分贝,*注意哦!
是清楚确定的,不是随便的哦!
对于功率,它是钱堆出来的不计较怎行,dBW 大写的W 即为Watt的意思.其时这段文应该跟dBm摆在一起的.就如dBm 般的,它对于声频方面,如麦克风电平位准及线性电平位准（Line Level）而言,运用dBm 来求取数值刚好.dBm or dBv or dBu 就像比例呎一样将一个较大的量测单位照比例缩小到便于我们使用.
如果用dBW 来导入就不太恰当.它是太大了.不过它能利用在求出扩大机功率输出的对数性质,即dBW. 很可怜的dBW与dBm一样的被遗忘掉,这样的单位表示差不多只会出现在学术性的书本里.在消费性电子装置上,当dBW 代换到dBm 时是：
dBW = dBm –30 ，这就是＋30 dBm = 0 dBW. 一如往常的,写东西的人都会鸡婆的准备一些代换表.偶也是啦.前人留下的咱们就勿须伤脑筋去敲计算机啦.（ 说不定还敲错!
）下表是有关dBW 与Watts 的相互对照,
你会发现以1 W 为参考点,每增加1 倍的功率时那dBW 增加了3 dBW要说清楚的话就是加上喇叭组件,这样就有一个音压的单位”dBW”形成.功率瓦数与喇叭音压效率会以对数来表示就是因为上述的贝尔先生他发现我们人类的耳朵对声音强度的反应是成对数形式.刚好近似对数的单位刻度,那要将这喇叭与扩大器结合所产生的果,接近人耳聆听曲线.就是把喇叭加注1 W 功率时.能产生多大的音压,怎么做?
前人延用至今认同的测定方法,就是把1 KHz 的讯号,1 W 的电力,输送给喇叭,在喇叭的「正前方一公尺」处来测量,这个环境必须是在无回响室里.目的不外乎是让喇叭发出的声音打到墙边后,能不再有二次波折回.给收测的麦克风尽可能准确.不管如何,参照对数表,及就人的心理感官,觉得声音大1 倍时,喇叭的音压已增加了近10 dB ,扩大机的功率也大了近10 倍了.而这个因素在S.R的系统里,会将整个声音系统架构上,预保留这10dB的增益,以提供音乐节目瞬间须要的动态电平.这是有学问的哦,..
电压电平的单位dBm、dBu、dBv
电压电平（voltagelevel）的定义是：
某一电压V与一基准电压Vr相比求常用对数乘以20以dB表示的值为电压V的电压电平。
即
由于Vr取值的不同，常用的电压电平单位有下列三种：
A、dBm 由于1mW电功率在600Ω阻抗上的电压可算得为0.775V，所以Vr=0.775V所求得的电压电平，单位也可写为dBm。
由于当设RΩ阻抗上的电功率为P，并设Rr=600Ω时，
如R=Rr=600Ω，则
所以这时以dBm表示的电压电平与相应的电功率电压数值相等。
如R≠Rr=600Ω，则
即以dBm表示的电压电平应为以Vr=0.775V求得的电压电平加上修正项10lgRr/R才与相应的电功率电平dBm值相等。
B、dBu 如果只考虑电压电平本身，不考虑是否与相应的电功率电平之间的关系，那么求电压电平时，就可以不管阻抗是否为600Ω，即不管上述的修正项。
这样，当以Vr=0.775V为基准电压时所求得的电压电平单位为dBu。
C、dBv 以Vr=1V为基准电压时所求得的电压电平值，单位为dBv。
目前 dBu 通用于广播方面，如调 音台的调音设备及电气测试设备及仪表等。
dBv比较通用于声学及其它测试仪器。
600Ω用dB换算表（以1mW为0dB）
0dBm以下
电平（dBm）
0dBm以上
电压（V）
电流（mA）
电功率（mW）
电压（V）
电流（mA）
电功率（mW）
0.7746
1.291
1.000
-0+
0.7746
1.291
1.000
0.695
1.151
0.7943
1
0.8691
1.448
1.259
0.6153
1.026
0.6310
2
0.9752
1.625
1.585
0.5484
0.9140
0.5012
3
1.094
1.823
1.995
0.4887
0.8145
0.3981
4
10228
2.047
2.512
0.4356
0.7260
0.3162
5
1.377
2.295
3.162
0.3882
0.6470
0.2512
6
1.546
2.577
3.981
0.3460
0.5767
0.1995
7
1.734
2.890
5.012
0.3084
0.5140
0.1585
8
1.946
3.243
6.310
0.2748
0.4580
0.1359
9
2.183
3.638
7.943
0.2449
0.4082
0.100
10
2.449
4.082
10.000
0.2183
0.3638
0.07943
11
2.748
4.580
12.59
0.1946
0.3243
0.06310
12
3.084
5.140
15.85
0.1734
0.2890
0.05012
13
3.460
5.767
19.95
0.1546
0.2577
0.03981
14
3.882
6.470
25.12
0.1377
0.2295
0.03162
15
4.356
7.260
31.62
0.1228
0.2047
0.02512
16
4.887
8.145
39.81
0.1494
0.1823
0.01995
17
5.484
9.140
50.12
0.09752
0.1626
0.01585
18
6.153
10.26
63.10
0.08691
0.1448
0.01259
19
6.905
11.51
79.43
0.07746
0.1291
0.01000
-20+
7.746
12.91
100.00
0.04356
0.07260
0.00316
25
13.77
22.95
316.2
0.02449
0.04082
0.00100
30
24.49
40.82
1.000W
0.01377
0.02295
0.000316
35
43.56
72.60
3.162W
0.007746
0.01291
0.000100
40
77.46
129.00
10.000W
0.004356
0.007260
0.0000316
45
137.7
229.5
31.62W
0.002449
0.004082
0.00001
50
244.9
408.2
100W
0.001377
0.002295
0.00000316
55
435.6
726.0
316.2W
0.0007746
0.001291
0.000001
60
774.6
1.291A
1000W
0.0004356
0.0007260
0.000000316
65
1377
2.295A
3162W
0.0002449
0.0004082
0.0000001
70
2449
4.082A
10000W
0.0001377
0.0002295
0.0000000316
75
4356
7.260A
31620W
0.00007746
0.0001291
0.00000001
80
7746
12.910A
100000W
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