电磁辐射测量的基础知识.docx

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电磁辐射测量的基础知识

电磁辐射测量的基础知识

1.电磁辐射传播区域的分类

电磁辐射传播区域可分为近场区和远场区两大范围，因此电磁辐射测量首先要考虑测量点和辐射源/天线之间的距离，即确定所进行的测量是近场测量还是远场测量。

近场区通常指靠近天线或其他辐射源的区域，在此区域内，电场和磁场不具备完全的平面波特性，点和点之间的差异非常大。

近场区又进一步分为感应近场区（ReactiveNear-fieldRegion）和辐射近场区（RadiatingNear-fieldRegion）。

1）最接近辐射源/天线的是感应近场区，相对于辐射近场区，这里感应场占支配地位，它包含大部分或者几乎所有的储存能量。

无线电发射机供给发射天线以电荷和电荷的变化，对于任一瞬间,这种电荷可以看作是由静止电荷和变化电荷所组成。

其变化电荷即电流又可以看作是由恒定电流和变化电流所组成。

静电荷产生静电场,恒定电流产生恒定磁场,变化电流产生交变电磁场。

因而近场区分布不但具有交变电磁场成份,而且更具有静电场和恒定磁场的特征。

一般情况下，对于电压高电流小的场源（如发射天线、馈线等），电场要比磁场强得多；对于电压低电流大的场源（如某些感应加热设备的模具），磁场要比电场大得多。

在靠近辐射源/天线的地方，感应场强度与R2至R3成反比，因此随着距离R的减小，感应场强度急剧增加。

感应近场区的电磁场强度比其它区域大得多，电磁辐射防护的重点应该在这里。

2）当测量距离增大到R1＝λ/2π时（λ为电磁波波长，λ=c/f，c为光速，f为频率），感应场强度与辐射场强度相当，即为感应近场区和辐射近场区的分界线。

进入辐射近场区后，相对于感应近场区，这里辐射场占支配地位。

电磁能量基本上均以电磁波形式辐射传播，辐射强度的衰减比感应场要慢得多。

但这里的电磁场仍不具备平面波特性，即辐射场强度角分布与距天线的距离有关。

3）当测量距离增大到R2＝2D2/λ时（D为天线的最大物理性尺寸），就进入了远场区，电磁波辐射具备平面波特性，即辐射场强度角分布基本上与距天线的距离无关。

此时可利用自由空间传播模型来测量计算电磁辐射强度的衰减（参见后面章节）。

例：

天线最大尺寸为1m，载波频率为900MHz（λ=c/f=0.33m），远场区距离是多少？

答：

R=2

（1）2/0.33=6m

一般认为，当测量点与辐射源的距离大于3λ时，就可忽略感应场的成份，认为处于远场区，电磁场强度相对较小。

2.常用单位

1）dBm

dBm是表达功率的绝对值，计算公式为：

10lgP（功率值/1mw）。

Ø[例1]若发射功率P为1mW，折算成dBm后为0dBm。

Ø[例2]对于40W的功率，按dBm单位进行折算后的值应为：

10lg（40W/1mW）=10lg（40000）=10lg4+10lg10+10lg1000=46dBm

dBm

功率

dBm

功率

dBm

功率

-100

-55

0.0000032mW

-10

0.1mW

-95

-50

0.00001mW

-5

0.3mW

-90

-45

0.000032mW

0

1.0mW

-85

-40

0.0001mW

5

3.2mW

-80

-35

0.00032mW

10

10mW

-75

-30

0.001mW

15

32mW

-70

-25

0.0032mW

20

100mW

-65

-20

0.01mW

25

320mW

-60

-15

0.03mW

30

1.0W

2）dBi和dBd

dBi和dBd是功率增益的单位，两者都是相对值，但参考基准不一样。

dBi的参考基准为全向天线；dBd的参考基准为偶极子天线。

一般认为dBi和dBd表示同一个增益，用dBi表示的值比用dBd表示的要大2.15，因为偶极子天线具有1.64的增益，比全向天线高10lg1.64=2.15dB。

Ø[例3]对于一增益为16dBd的天线，其增益折算成单位为dBi时，则为18.15dBi，一般忽略小数位，为18dBi。

Ø[例4]GSM900天线增益可以为13dBd（15dBi），GSM1800天线增益可以为15dBd（17dBi）。

3）dB

dB也是功率增益的单位，表示一个相对值，当考虑甲的功率相比于乙功率大或小多少个dB时，按下面计算公式：

10lg（甲功率/乙功率）。

Ø[例5]甲功率是乙功率的两倍，那么10lg（甲功率/乙功率）=10lg2=3dB。

也就是说，甲的功率比乙的功率大3dB。

Ø[例6]7/8英寸GSM900馈线的100米传输损耗约为3.9dB。

Ø[例7]若甲的功率为46dBm，乙的功率为40dBm，则可以说，甲比乙大6dB。

3.手机天线介绍

1）手机天线的分类

天线类型

外置天线

内置天线

单极子天线

螺旋天线

PCB印制螺旋天线

PIFA天线

贴片天线

缝隙天线

陶瓷天线

价格比较

拉杆天线价格较贵

价格便宜

价格便宜

价格便宜

很少用

很少用

价格便宜

电性能比较

外置天线的驻波比可以做到2，增益可以做到0-1dBi

内置天线，驻波比比较差，一般在6左右。

增益可做到0-1dBi

电性能一般，主要是平均效率比较差

用途说明

目前手机上的外置天线，螺旋天线是主流，主要原因是可以降低天线的尺寸，而柔性PCB的螺旋天线是将来的发展方向

PIFA是现在使用最多的一种手机内置天线，由倒F线天线演变而来。

体积小，增益高，剖面低，带宽比较宽

一般用在蓝牙，WLAN和GPS上，在PHS上也有应用

螺旋天线PCB印制螺旋天线

外置鞭状天线拉杆天线

陶瓷天线PIFA天线

2）天线的匹配

设计天线时还需要重点考虑电路一侧接点处的输入特性，设计准确的匹配电路，即消除天线输入阻抗中的电抗分量，使电阻分量尽可能地接近馈线的特性阻抗（50欧）。

如果天线输入阻抗和馈线的阻抗不匹配，行波在两者分界点处发生反射，则能量无法完全提供给天线，导致天线性能的大幅下降。

手机天线是一种驻波天线，天线的阻抗不匹配，将导致大量的信号反射，使天线的辐射效率降低，同时由于反射的影响使得天线在宽频带内的增益有抖动，如果天线的驻波为6，手机前端的击穿电压将降为原来的1/6，而功率容量就会下降。

另外，天线和馈线之间的平衡转换也需要考虑。

例如当采用单极/不平衡天线时，若RF芯片是差分PA端口，则需要在天线与馈线的接口处额外增加平衡-不平衡变换器（Balun），将差分PA端口提供的双向平衡电流变换成单极天线所需的单向不平衡电流。

3）天线的效率

天线等效电路图

天线谐振频率如下，其中电感L和电容C为无功成分：

天线的效率为天线辐射能量与天线从馈线接收总能量的比值，即：

其中Rr为天线辐射电阻，Rloss为天线损耗电阻。

4）天线的长度

偶极子天线的长度为L=

/2，单极子天线的长度为L=

/4，

为载波波长，

等于

，其中

是光速，

是载波频率。

对于2GHz的电磁波，单极子天线长度L=

/4

4cm。

假设基带信号

=3000Hz，如果不对其调制即不通过载波直接耦合到天线发送，则天线的长度L=

/4

25km，这是无法接受的。

5）天线的增益

天线增益用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，是设计或选择天线时最重要的参数之一。

一般情况下，增益的提高主要依靠减小垂直面向辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向或者定向的辐射性能。

增加增益就可以在某一确定方向上增大无线网络的覆盖范围，或者在确定范围内增加增益余量。

安装天线时应尽量使发射天线的最大增益方向与接收天线的最大增益方向对齐。

天线水平放置时的增益/辐射图天线旋转90度后垂直放置时的增益/辐射图

6）天线的极化

天线的极化指天线辐射电磁波时形成的电场强度方向。

当电场强度方向垂直于地面时，此电磁波就称为垂直极化波；当电场强度方向平行于地面时，此电磁波就称为水平极化波。

图中的实曲线表示垂直极化波，虚曲线表示水平极化波。

天线的极化不同会产生极化损耗，一般情况下对于理想的线性极化天线，极化损耗同两个天线的极化方向的夹角余弦的平方成正比。

不考虑其它损耗，当发射天线与接收天线的电磁波极化方向完全一致时，极化损耗为0，可做到百分之百的信号接收；当两个天线的极化方向的夹角为45度时，极化损耗约为3dB；当两个天线的极化方向相互垂直时，则没有信号会被接收。

4.自由空间传播模型

第一菲涅耳区域

自由空间传播模型用于预测接收机和发射机之间是完全无阻挡的视距路径时接收信号的场强。

无阻挡的视距路径即无线发射机与接收机彼此之间能直接看到对方（LineofSight），并且在两者的第一菲涅耳区域（TheFirstOrderFresnelZone）内没有阻挡物。

第一菲涅耳区域位于发射机与接收机之间，是由两点连线上的某点为圆心的一系列同心圆构成的空间范围。

以某点P为圆心的同心圆的半径

（单位为m）的计算公式为：

d1和d2分别为P点到两端发射机与接收机的距离，单位为m；λ为电磁波波长，单位为m。

由上述公式可推出发射机与接收机间直线上的中点所对应的同心圆半径Rmax（单位为m）为：

其中d为发射机与接收机的距离，单位为km；f为电磁波的频率，单位为GHz。

在自由空间传播模型中，接收信号的强度会随着发射机与接收机之间距离2次方的增加而线性衰减，其关系可由Friis传播方程式表达：

其中Pt是发射功率；Pr是接收功率；Gt是发射机的天线增益，Gr是接收机的天线增益，均以全向天线为参考基准；d是发射机与接收机的距离，单位为m；λ则是电磁波波长，单位也为m。

当忽略硬件的影响，即发射和接收天线的增益均为1（单位增益）时，可推出自由空间路径损耗（Free-SpacePathLoss,FSPL）方程式，其中c为电磁波传播速度：

若以分贝为单位表示自由空间路径损耗即发射功率与接收功率的差值，则可推出表达式：

为了计算和表达方便，式中f的单位为GHz，d的单位为m。

应用Friis传播方程式及自由空间路径损耗方程式时必须严格满足以下几个条件：

1.位于天线的远场区（far-field）；

2.无线发射机与接收机之间能直接看到对方，第一菲涅耳区域内无阻挡物；

3.电磁波传播路径上不存在折射、反射、衍射或散射所造成的多径传播及能量损耗；

4.发射机与接收机的天线必须对齐且极化方向一致，不存在天线损耗；

5.频带宽度必须足够的小，以用单值表达。

在实际应用中，受硬件条件和自然环境的限制，总存在着天线损耗及传播路径上多径或吸收造成的损耗，无法完全满足上述理想的传播条件，因此实际传输距离也会相应减少。

实际路径损耗即链路预算（LinkBudget）的表达式如下：

1.PL表示实际路径损耗，单位dB；

2.Pt表示发射机天线发射功率，单位dBm；

3.Pr表示接收机天线接收灵敏度，单位dBm；

4.Gt表示发射机天线的增益，单位dBi；

5.Gr表示接收机天线的增益，单位dBi；

6.LM表示除FSPL外的各种其他损耗，单位dB。

其中LM表示除自由空间路径损耗外，由天线失匹、阻挡物、多径、电波干扰等因素造成的其他损耗，LM数值的大小由具体不同的传输环境而定，阻挡物是其中的主要因素。

假设工作载频为2020MHz，即2.02GHz；NodeB发射功率Pt为20dBm（0.1W）；发射机和接收机天线增益均为单位增益即0dBi；在自由空间传播，不考虑其他损耗LM。

可得下列等式：

PL=Pt+Gt–Pr+Gr=20dBm+0dBi-Pr+0dBi

FSPL=20lgd+20lg（2.02）+32.45dB

即20lgd+20lg（2.02）+32.45=20–Pr

可计算出在自由空间中距天线d=100m处的接收信号强度为：

Pr=-20lg（2.02）-52.45=-58.56dBm

距天线d=1km处的接收信号强度为：

Pr=-20lg（2.02）-72.45=-78.56dBm

上述的推算是在理想状况下的传输，现在将其他损耗LM的参考值计入上式中，假定LM=25dB。

可得下列等式：

PL=Ptx+Gtx–Prx+Grx=20dBm+0dBi-Pr+0dBi

FSPL+LM=20lgd+20lg（2.02）+32.45dB+25dB

即20lgd+20lg（2.02）+32.45+25=20-Pr

可计算出在自由空间中距天线d=100m处的接收信号强度降为：

Pr=-20lg（2.02）-77.45=-83.56dBm

距天线d=1km处的接收信号强度降为：

Pr=-20lg（2.02）-97.45=-103.56dBm

由上述推导计算式可以看出，无线传输损耗LM每增加6dB，信号传输距离变为原来的一半；LM每增加20dB，传输距离变为原来的十分之一。

提高信号传输距离主要可以采用以下几种方法：

1.使用高增益天线，即增大Gt和Gr；

2.增加功率放大器（PA），提高无线通信设备信号发射功率Pt；

3.增加低噪声放大器（LNA），提高无线通信设备信号接收灵敏度Pr；

4.至少保证第一菲涅耳区域内60%（55%）的范围没有阻挡物。

阻挡物与两点中心线的距离C必须大于其所对应的同心圆半径R的60%，推荐值为大于80%。

在实际环境中，除了像人体、汽车、树木或房屋等物体可能位于第一菲涅耳区域内成为阻挡物之外，大地也经常会对电磁波的传输形成阻碍。

此时就需要提高天线的水平高度，使水平地面尽量处于60%的第一菲涅耳区域范围之外。

点P到地面的距离C应大于其所对应的同心圆半径Rmax的60%。

阻挡物对传输距离的影响

大地对传输距离的影响

下面针对前面的举例估算经过改进后的传输距离。

仍然工作载频为2.02GHz，发射功率Pt增加到30dBm（1W），发射机天线增益Gt为5.5dBi，接收机天线增益Gr为1.5dBi，其他损耗LM减少为20dB。

可得下列等式：

PL=Pt+Gt–Pr+Gr=30dBm+5.5dBi–Pr+1.5dBi

FSPL+LM=20lgd+20lg（2.02）+32.45dB+20dB

即20lgd+20lg（2.02）+32.45+20=37dBm–Pr

可计算出在自由空间中距天线d=100m处的接收信号强度增大为：

Pr=-20lg（2.02）-55.45=-61.56dBm

距天线d=1km处的接收信号强度增大为：

Pr=-20lg（2.02）-75.45=-81.56dBm

（1）

最后以实验室内电磁波传播模型为例进行信号接收功率值的估算。

TD-SCDMA工作载频为2.02GHz，NodeB最大下行发射功率Pt为28dBm，车台天线TQC-2000AⅡ增益Gt为5.5dBi，不考虑其他损耗LM和室内反射。

可得下列等式：

PL=Pt+Gt–Pr+Gr=28dBm+5.5dBi–Pr

FSPL+LM=20lgd+20lg（2.02）+32.45dB

即20lgd+20lg（2.02）+32.45=33.5dBm–Pr

可计算出距天线d=0.5m处（0.5m＞3λ=0.45m）的人体接收到的电磁波信号辐射强度为：

Pr=1dBm=1.26mW可见在感应近场区外，单个天线对人体辐射值不大

5.地面反射（双线）模型

此模型不仅考虑了直接路径，也同时考虑了地面反射路径。

当距离d很大（远远大于

），可应用下式估算接收功率，与频率无关。

工作载频为2.02GHz；发射功率Pt为30dBm（1W）；发射机天线增益Gt为5.5dBi，接收机天线增益Gr为1.5dBi；其他损耗LM为20dB；发射天线距地面高度ht为50m，接收天线距地面高度hr为1.5m；接收机距发射机距离d为1km。

Pr=30dBm+5.5dBi+1.5dBi+20lg50+20lg1.5-40lgd-20

=37+37.5–120-20

=-65.5dBm

（2）地面反射使信号增强了

6.Okumura模型

此模型为预测平滑城区信号时使用最广泛的模型，完全基于测量数据。

一般预测和测试的路径损耗的标准偏差为10~14dB，缺点是对地形变化反应较慢。

1）完全开阔环境

工作载频为2.02GHz；发射功率Pt为30dBm（1W）；发射机天线增益Gt为5.5dBi，接收机天线增益Gr为1.5dBi；发射天线距地面高度ht为50m，接收天线距地面高度hr为1.5m；接收机距发射机距离d为1km。

FSPL=20lgd+20lg（2.02）+32.45dB自由空间路径损耗

Amu（2020MHz（1km））=22dB相对于自由空间的衰减中值

GAREA=32dB环境类型所带来的增益

G（hte）=20lg（50/200）=-12dB基站天线高度增益因子

G（hre）=10lg（1.5/3）=-3dB移动台天线高度增益因子

Pr=Pt+Gt+Gr-FSPL-Amu+G（hte）+G（hre）+GAREA

=30dBm+5.5dBi+1.5dBi–（20lgd+20lg（2.02）+32.45dB）–22dB–12dB-3Db+32dB

=37–98.56–5

=-66.56dBm（3）和

（2）数值相近

2）城区环境

工作载频为2.02GHz；发射功率Pt为30dBm（1W）；发射机天线增益Gt为5.5dBi，接收机天线增益Gr为1.5dBi；发射天线距地面高度ht为50m，接收天线距地面高度hr为1.5m；接收机距发射机距离d为1km。

FSPL=20lgd+20lg（2.02）+32.45dB

Amu（2020MHz（1km））=22dB

G（hte）=20lg（50/200）=-12dB

G（hre）=10lg（1.5/3）=-3dB

Pr=Pt+Gt+Gr-FSPL-Amu+G（hte）+G（hre）

=30dBm+5.5dBi+1.5dBi–（20lgd+20lg（2.02）+32.45dB）–22dB–12dB-3dB

=37–98.56–37

=-98.56dBm（4）城区环境中信号值大幅下降

发射天线距地面高度ht增加为200m，其他参数不变。

FSPL=20lgd+20lg（2.02）+32.45dB

Amu（2020MHz（1km））=22dB

G（hte）=20lg（200/200）=0dB

G（hre）=10lg（1.5/3）=-3dB

Pr=Pt+Gt+Gr-FSPL-Amu+G（hte）+G（hre）

=30dBm+5.5dBi+1.5dBi–（20lgd+20lg（2.02）+32.45dB）–22dB-3dB

=37–98.56–25

=-86.56dBm（5）增加天线高度可提高信号值