電磁輻射測量的基礎(chǔ)知識

1、電磁輻射測量的基礎(chǔ)知識1.電磁輻射傳播區(qū)域的分類電磁輻射傳播區(qū)域可分為 近場區(qū) 和遠(yuǎn)場區(qū)兩大范圍，因此電磁輻射測量首先 要考慮 測量點(diǎn)和輻射源/天線之間的距離，即確定所進(jìn)行的測量是近場測量還是 遠(yuǎn)場測量。近場 區(qū)通常指靠近天線或其他輻射源的區(qū)域，在此區(qū)域內(nèi)，電場和磁 場不具備完全的平面波特 性，點(diǎn)和點(diǎn)之間的差異非常大。近場區(qū)又進(jìn)一步分為感應(yīng)近場區(qū)（Reactive Nearfield Region） 和輻射近場區(qū)（Radiating Nearfield Region）。1 ）最接近輻射源/天線的是感應(yīng)近場區(qū)，相對于輻射近場區(qū)，這里感應(yīng)場占支配地位，它 包含大部分或者幾乎所有的儲存能量。無線電發(fā)

2、射機(jī)供給發(fā)射天線以電荷和電荷的變化， 對于任一瞬間，這種電荷可以看作是由靜止電荷和變化電荷所組成。其變化電荷即電流又 可以看作是由恒定電流和變化電流所組成。靜電荷產(chǎn) 生靜電場，恒定電流產(chǎn)生 恒定磁場， 變化電流產(chǎn)生 交變電磁場。因而近場區(qū)分布 不但具有交變電磁場成份，而且更具有靜電 場和恒定磁場的特征。一般情況下，對于電壓高電流小的場源（如發(fā)射天線、饋線 等），電場要比磁場強(qiáng)得多；對于電壓低電流大的場源（如某些感應(yīng)加熱設(shè)備的模 具），磁場要比電場大得多。在靠近輻射源/天線的地方，感應(yīng)場強(qiáng)度與R?至R3成反 比，因此隨著距離R的減小，感應(yīng)場強(qiáng)度急劇增加。感應(yīng)近場區(qū)的電磁場強(qiáng)度比其它區(qū) 域大得多，

3、電磁輻射防護(hù)的重點(diǎn)應(yīng)該在這里。2）當(dāng)測量距離增大到Ri=A72時(shí)兀（入為電磁波波長，&c/，fc為光速，f為頻率）， 感應(yīng)場強(qiáng)度與輻射場強(qiáng)度相當(dāng)，即為感應(yīng)近場區(qū)和輻射近場區(qū)的分界線。進(jìn)入輻射近場 區(qū)后，相對于感應(yīng)近場區(qū)，這里輻射場占支配地位。電磁能量基本上均以 電磁波形式輻 射傳播，輻射強(qiáng)度的衰減比感應(yīng)場要慢得多。但這里的電磁場仍不具備平面波特性，即 輻射場強(qiáng)度角分布與距天線的距離有關(guān)。3）當(dāng)測量距離增大到R2=2D2/入時(shí)（D為天線的最大物理性尺寸），就進(jìn)入了遠(yuǎn)場 區(qū)，電磁波輻射具備平面波特性，即輻射場強(qiáng)度角分布基本上與距天線的距離無關(guān)。此時(shí) 可利用自由空間傳播模型來測量計(jì)算電磁輻射

4、強(qiáng)度的衰減（參見后面章節(jié)）。例：天線最 大尺寸為1m，載波頻率為900MHz （ X=c/f=0.33m），遠(yuǎn)場區(qū)距離2是多少？答：R = 2 （1） 2/0.33 = 6m一般認(rèn)為，當(dāng)測量點(diǎn)與輻射源的距離大于3九時(shí)，就可忽略感應(yīng)場的成份，認(rèn)為處于 遠(yuǎn)場區(qū)，電磁場強(qiáng)度相對較小。2.常用單位1) dBmdBm是表達(dá)功率的絕對值，計(jì)算公式為：10lgP (功率值/1mw)。例1若發(fā)射功率P為1 mW，折算成dBm后為OdBm。例2對于40W的功率，按dBm單位進(jìn)行折算后的值應(yīng)為：101g (40W/1mW) = 101g (40000) = 10lg4+10lg10+10lg1000 = 46dB

5、mdBm功率dBm功本dBm功率-100-550.0000032mW-100.1 mW-95-500.00001 mW-50.3mW-90-450.000032mW01.0mW-85-400.0001 mW53.2 mW-80-350.00032mW1010 mW-75-300.001 mW1532 mW-70-250.0032mW20100 mW-65-200.01 mW25320 mW-60-150.03mW301.0 W2) dBi 和 dBddBi和dBd是功率增益的單位，兩者都是相對值，但參考基準(zhǔn)不一樣。dBi的參 考基準(zhǔn)為全向天 線；dBd的參考基準(zhǔn)為偶極子天線。一般認(rèn)為dBi和d

6、Bd表示同一個(gè)增益，用dBi表示的值比用 dBd表示的要大2.15，因?yàn)榕紭O子天線具有1.64的增益，比全向天線高10lg1.64=2.15dB。例3對于一增益為16dBd的天線，其增益折算成單位為dBi時(shí)，則為18.15dBi，一般忽略 小數(shù)位，為18dBi。例4 GSM900天線增益可以為13dBd (15dBi)，GSM1800天線增益可以為15dBd (17dBi)。3) dBdB也是功率增益的單位，表示一個(gè)相對值，當(dāng)考慮甲的功率相比于乙功率大或小多少個(gè)dB時(shí)，按 下面計(jì)算公式：101g (甲功率/乙功率)。例5甲功率是乙功率的兩倍，那么101g (甲功率/乙功率)=10lg2=3dB

7、。也 就是說，甲的 功率比乙的功率大3 dB。例6 7/8英寸GSM900饋線的100米傳輸損耗約為3.9dB。例7若甲的功率為46dBm，乙的功率為40dBm，則可以說，甲比乙大6 dB3.手機(jī)天線介紹1）手機(jī)天線的分類天線類型外置天線內(nèi)置天線單極子天線螺旋天線PCB EP 制螺旋天線PIFA天線貼片天線縫隙天線陶瓷天線價(jià)格比較拉桿天線價(jià)格較貴價(jià)格便宜價(jià)格便宜價(jià)格便宜很少用很少用價(jià)格便宜電性能比較外置天線的駐波比可以做到2，增益可以做到0-1 dBi內(nèi)置天線，駐波比比較差，一般在6左右。增益可做到0-1 dBi電性能一般，主要是平均效率比較差用途說明目刖手機(jī)上的外置天線，螺旋天線是主流，主要

8、原因 是可以降低天線的尺寸，而柔性PCB的螺旋天線是將 來的發(fā)展方向PIFA是現(xiàn)在使用最多的一種手機(jī)內(nèi)置天 線，由倒F線天線演變而來。體積小，增 益高，剖面低，帶寬比較寬一般用在藍(lán)牙，WLAN和GPS上，在PHS上也有應(yīng)用螺旋天線PCB印制螺旋天線外置鞭狀天線拉桿天線陶瓷天線PI FA天線2）天線的匹配設(shè)計(jì)天線時(shí)還需要重點(diǎn)考慮電路一側(cè)接點(diǎn)處的輸入特性，設(shè)計(jì)準(zhǔn)確的匹配 電 路，即消除天線輸入阻抗中的電抗分量，使電阻分量盡可能地接近饋線的特性阻抗（50歐）。 如果天線輸入阻抗和饋線的阻抗不匹配，行波在兩者分界點(diǎn)處發(fā)生反射，則能量無法完全提 供給天線，導(dǎo)致天線性能的大幅下降。手機(jī)天線是一種駐波天線，

9、天線的阻抗不匹配，將 導(dǎo)致大量的信號反射，使天線的輻射效率降低，同時(shí)由于反射的影響使得天線在寬頻帶內(nèi)的 增益有抖動，如果天線的駐波為6，手機(jī)前端的擊穿電壓將降為原來的1/6，而功率容量就會下降。另外，天線和饋線之間的平 衡轉(zhuǎn)換也需要考慮。例如當(dāng)采用單極/不平衡天線時(shí)，若RF芯片是差分PA端口，則 需要在天線與饋線的接口處額外增加平衡-不平衡變換器（Balun），將差分PA端口提供的 雙向平衡電流變換成單極天線所需的單向不平衡電流。3）天線的效率天線等效電路圖天線諧振頻率如下，其中電感L和電容C為無功成分：，2LC天線的效率為天線輻射能量與天線從饋線接收總能量的比值，即:RRr Rloss其中R

10、為天線輻射電阻，Ross為天線損耗電阻4）天線的長度偶極子天線的長度為L = /2，單極子天線的長度為L = /4，為載波波長，等于c/ f，其中C是光速，f是載波頻率。對于2GHz的電磁波，單極子天線長度L = c/ 4 f 4cm。假設(shè)基帶信號f =3000Hz，如果不對其調(diào)制即不通過載波直接耦合到天線發(fā)送，則 天線的長度L = c/ 4 f 25km，這是無法接受的。5）天線的增益天線增益用來衡量天線朝一個(gè)特定方向收發(fā)信號的能力，是設(shè)計(jì)或選擇天線時(shí)最重要 的參數(shù)之一。一般情況下，增益的提高主要依靠減小垂直面向輻射的波瓣寬度，而在水 平面上保持全向或者定向的輻射性能。增加增益就可以在某一確

11、定方向上增大無線網(wǎng)絡(luò)的 覆蓋范圍，或者在確定范圍內(nèi)增加增益余量。安裝天線時(shí)應(yīng)盡量使發(fā)射天線的最大增益方 向與接收天線的最大增益方向?qū)R。天線水平放置時(shí)的增益/輻射圖天線旋轉(zhuǎn)90度后垂直放置時(shí)的增益/輻射圖6）天線的極化天線的極化指天線輻射電磁波時(shí)形成的電場強(qiáng)度方向。當(dāng)電場強(qiáng)度方向垂直 于地面時(shí)，此電磁波就稱為垂直極化波；當(dāng)電場強(qiáng)度方向平行于地面時(shí)，此電磁 波就稱為 水平極化波。圖中的實(shí)曲線表示垂直極化波，虛曲線表示水平極化波。天線的極化不同會產(chǎn) 生極化損耗，一般情況下對于理想的線性極化天線，極化損耗同兩個(gè)天線的極化方向的夾 角余弦的平方成正比。不考慮其它損耗，當(dāng)發(fā)射天線與接收天線的電磁波極化方

12、向完全一 致時(shí)，極化損耗為0，可做到百分之百的信號接收；當(dāng)兩個(gè)天線的極化方向的夾角為45度 時(shí)，極化損耗約為3dB ；當(dāng)兩個(gè)天線的極化方向相互垂直時(shí)，則沒有信號會被接收。4.自由空間傳播模型第一菲涅耳區(qū)域自由空間傳播模型用于預(yù)測接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間是完全無阻擋的視距路徑時(shí)接收信號 的場強(qiáng)。無阻擋的視距路徑即無線發(fā)射機(jī)與接收機(jī)彼此之間能直接看到對方(Line of Sight)，并且在兩者的 第一菲涅耳區(qū)域(The First Order Fresnel Zone)內(nèi)沒有阻擋物。 第一菲涅耳區(qū)域位于發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間，是由兩點(diǎn)連線上的某點(diǎn)為圓心的一系列同心圓 構(gòu)成的空間范圍。以某點(diǎn)P為圓心的同心圓

13、的半徑R(單位為m)的計(jì)算公式為：&和d2分別為P點(diǎn)到兩端發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的距離，單位為m；入為電磁波波長，單位 為m。由上述公式可推出發(fā)射機(jī)與接收機(jī)間直線上的中點(diǎn)所對應(yīng)的同心圓半徑Rmax(單位為 m)為：Rn a x= 1 7 .其中d為發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的距離，單位為km "為電磁波的頻率，單位為GHz。在 自由空間傳播模型中，接收信號的強(qiáng)度會隨著發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間距離2次方的增加而線性衰減，其關(guān)系可由Friis傳播方程式表達(dá)：P2酒 GtGrPt tr4d其中Pt是發(fā)射功率；Pr是接收功率；Gt是發(fā)射機(jī)的天線增益，Gr是接收機(jī)的天線 增益，均以全向天線為參考基準(zhǔn)；d是發(fā)射機(jī)

14、與接收機(jī)的距離，單位為m；入則是電磁波波長，單位也為m。當(dāng)忽略硬件的影響，即發(fā)射和接收天線的增益均為1(單位 增益)時(shí)，可推出自由空間路徑損耗(Free-Space Path LossF, SPL)方程式，其中c為電 磁波傳播速度：PFSPLJ pr4d、224df 2C若以分貝為單位表示自由空間路徑損耗即發(fā)射功率與接收功率的差值，則可推出表達(dá)式:PFSPLdB 101g1101gPr24 df /I4 c201gc201g d 201g f 201g201g d 201g f 32.45為了計(jì)算和表達(dá)方便，式中f的單位為GHz，d的單位為m。應(yīng)用Friis傳播 方程 式及自由空間路徑損耗方程

15、式時(shí)必須嚴(yán)格滿足以下幾個(gè)條件：1 .位于天線的遠(yuǎn)場區(qū)(far-field);2 .無線發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間能直接看到對方，第一菲涅耳區(qū)域內(nèi)無阻擋物；3 .電磁波傳播路徑上不存在折射、反射、衍射或散射所造成的多徑傳播及能量損耗；4 .發(fā)射機(jī)與接收機(jī)的天線必須對齊且極化方向一致，不存在天線損耗；5 .頻帶寬度必須足夠的小，以用單值表達(dá)。在實(shí)際應(yīng)用中，受硬件條件和自然環(huán)境的限制，總存在著天線損耗及傳播路徑上多 徑或吸收造成的損耗，無法完全滿足上述理想的傳播條件，因此實(shí)際傳輸距離也會相應(yīng)減 少。實(shí)際路徑損耗即鏈路預(yù)算(Link Budget)的表達(dá)式如下：PL PtGtPrGrFSPL Lm1. PL表

16、示實(shí)際路徑損耗，單位dB ；2. Pt表示發(fā)射機(jī)天線發(fā)射功率，單位dBm ；3. Pr表示接收機(jī)天線接收靈敏度，單位dBm ；4. Gt表示發(fā)射機(jī)天線的增益，單位dBi ;5. Gr表示接收機(jī)天線的增益，單位dBi ;6. Lm表示除FSPL夕卜的各種其他損耗，單位dB。其中Lm表示除自由空間路徑損耗外，由天線失匹、阻擋物、多徑、電波干擾等因素 造成的其他損耗，Lm數(shù)值的大小由具體不同的傳輸環(huán)境而定，阻擋物 是其中的主要因素。假設(shè)工作載頻為2020MHz，即2.02GHz ； Node B發(fā)射功率Pt為20dBm(0.1W)； 發(fā)射機(jī)和接收機(jī)天線增益均為單位增益即OdBi ；在自由空間傳播，不

17、考慮其他損耗 Lm?？傻孟铝械仁剑篜L = Pt + Gt - Pr + Gr = 20dBm + OdBi - Pr + OdBiFSPL = 20lgd + 20lg(2.02) + 32.45dB即 20lgd + 20lg(2.02) + 32.45 = 20 - Pr可計(jì)算出在自由空間中距天線d=100m處的接收信號強(qiáng)度為：Pr = -20lg(2.02) -52.45 = -58.56dBm距天線d =1 km處的接收信號強(qiáng)度為：Pr = -20lg(2.02) -72.45 = -78.56dBm上述的推算是在理想狀況下的傳輸，現(xiàn)在將其他損耗Lm的參考值計(jì)入上式中，假定LM=25

18、dB?？傻孟铝械仁剑篜L = Ptx + Gtx - Prx + Grx = 20dBm + OdBi - Pr + OdBiFSPL+Lm= 20lgd + 20lg(2.02) + 32.45dB + 25dB即 20lgd + 20lg(2.02) + 32.45 + 25 = 20 Pr可計(jì)算出在自由空間中距天線d=100m處的接收信號強(qiáng)度降為：Pr = -20lg(2.02) -77.45 = -83.56dBm距天線d =1km處的接收信號強(qiáng)度降為：Pr = -20lg(2.02) -97.45 = -103.56dBm由上述推導(dǎo)計(jì)算式可以看出，無線傳輸損耗Lm每增加6dB，信號傳

19、輸距離變?yōu)樵?來的一半；Lm每增加20dB，傳輸距離變?yōu)樵瓉淼氖种?。提高信號傳輸距離主要可以 采用以下幾種方法：1 .使用高增益天線，即增大Gt和Gr ；2 .增加功率放大器(PA)，提高無線通信設(shè)備信號發(fā)射功率Pt ;3 .增加低噪聲放大器(LNA)，提高無線通信設(shè)備信號接收靈敏度Pr;4 .至少保證第一菲涅耳區(qū)域內(nèi)60%(55%)的范圍沒有阻擋物。阻擋物與兩點(diǎn)中心線的距離C必須大于其所對應(yīng)的同心圓半徑R的60%，推薦值為 大于80%。在實(shí)際環(huán)境中，除了像人體、汽車、樹木或房屋等物體可能位于第一菲涅耳區(qū) 域內(nèi)成為阻擋物之外，大地也經(jīng)常會對電磁波的傳輸形成阻礙。此時(shí)就需要提高天線的水平 高

20、度，使水平地面盡量處于60%的第一菲涅耳區(qū)域范圍之外。點(diǎn)P到地面的距離C應(yīng) 大于其所對應(yīng)的同心圓半徑Rmax的60%。阻擋物對傳輸距離的影響下面針對前面的舉例估算經(jīng)過改進(jìn)后的傳輸距離。仍然工作載頻為2.02GHz，發(fā)射功 率Pt增加到30dBm(1W)，發(fā)射機(jī)天線增益Gt為5.5dBi，接收機(jī) 天線增益Gr為 1.5dBi，其他損耗Lm減少為20dB?？傻孟铝械仁剑篜L = Pt + Gt - Pr + Gr = 30dBm + 5.5dBi - Pr+1.5dBiFSPL + Lm = 20lgd + 20lg(2.02) + 32.45dB + 20dB即 20lgd + 20lg(2.0

21、2) + 32.45 + 20 = 37 dBm - Pr可計(jì)算出在自由空間中距天線d=100m處的接收信號強(qiáng)度增大為：Pr = -20lg(2.02) -55.45 = -61.56dBm距天線d =1km處的接收信號強(qiáng)度增大為：Pr = -20lg(2.02) -75.45 = -81.56dBm (1)最后以實(shí)驗(yàn)室內(nèi)電磁波傳播模型為例進(jìn)行信號接收功率值的估算。TD-SCDMA工作載頻為2.02GHz，Node B最大下行發(fā)射功率Pt為28dBm，車臺天線 TQC-2000AU增益Gt為5.5dBi，不考慮其他損耗Lm和室內(nèi)反射?？傻孟铝械仁剑篜L = Pt + Gt - Pr + Gr

22、= 28dBm + 5.5dBi - PrFSPL + Lm = 20lgd + 20lg(2.02) + 32.45dB即 20lgd + 20lg(2.02) + 32.45 = 33.5 dBm - Pr可計(jì)算出距天線d =0.5m處(0.5m>3入=0.45m)的人體接收到的電磁波信號輻射強(qiáng)度 為：Pr = 1dBm = 1.26mW可見在感應(yīng)近場區(qū)外，單個(gè)天線對人體輻射值不大5地面反射（雙線）模型發(fā)射機(jī)此模型不僅考慮了直接路徑，也同時(shí)考慮了地面反射路徑。當(dāng)距離d很大（遠(yuǎn) 遠(yuǎn)大 于hth），可應(yīng)用下式估算接收功率，與頻率無關(guān)。Pr Pt Gt Gr 201g ht20lg hr

23、401g d工作載頻為2.02GHz ；發(fā)射功率Pt為30dBm（1W）；發(fā)射機(jī)天線增益Gt為5.5dBi，接收機(jī)天線增益Gr為1.5dBi ；其他損耗Lm為20dB ；發(fā)射天線距地面高度ht 為50m，接收天線距地面高度hr為1.5m ；接收機(jī)距發(fā)射機(jī)距離d為1km。Pr = 30dBm + 5.5dBi +1.5dBi + 20lg50 + 20lg1.5 - 40lgd - 20=37 + 37.5 - 120-20=-65.5dBm地面反射使信號增強(qiáng)了6. Okumura 模型此模型為預(yù)測平滑城區(qū)信號時(shí)使用最廣泛的模型，完全基于測量數(shù)據(jù)。一 般預(yù)測和測試的路徑損耗的標(biāo)準(zhǔn)偏差為10-14

24、dB，缺點(diǎn)是對地形變化反應(yīng)較慢。1）完全開闊環(huán)境工作載頻為2.02GHz ；發(fā)射功率Pt為30dBm（1W）；發(fā)射機(jī)天線增益Gt為5.5dBi，接收機(jī)天線增益Gr為1.5dBi ；發(fā)射天線距地面高度ht為50m，接收天 線距地 面高度hr為1.5m ；接收機(jī)距發(fā)射機(jī)距離d為1km。FSPL = 20lgd + 20lg(2.02) + 32.45dBAmu(2020MHz(1km) = 22dBGarea = 32dBG(hte) = 20lg(50/200) = -12dBG(hre) = 10lg(1.5/3) =-3dB自由空間路徑損耗相對于自 由空間的衰減中值環(huán)境類型 所帶來的增益基站天線高度 增益因子移動臺天線高度增 益因子Pr = Pt + Gt + Gr - FSPL - Amu + G(hte) + G(h