北郵電磁場實驗報告1

1、 電磁場與電磁波·實驗報告信息與通信工程學院電磁波與電磁場實驗報告北郵主樓電磁波輻射場強的研究班級：201221姓名：盧日威 張心琪學 號：201221201221日期：2015.5目錄一、實驗目的3二、實驗原理32.1大尺度路徑損耗42.2 常用的電波傳播模型42.2.1自由空間模型42.2.2布靈頓模型52.2.3 EgLi模型52.2.4 Hata-Okumura模型62.3陰影衰落62.4建筑物的穿透損耗7三、實驗內容7四、數(shù)據(jù)測量84.1測量環(huán)境84.2測量注意事項144.3數(shù)據(jù)分析134.3.1 主樓1層134.3.2 主樓3層144.3.3 主樓5層154.3.4 主樓

2、7層16五、理論分析19六實驗總結和結論20七、任務分工21八、實驗心得21一、實驗目的1 掌握在移動環(huán)境下陰影衰落的概念以及正確的測試方法。2 研究北郵學6樓電磁波輻射強度的分布規(guī)律。3 掌握在室內環(huán)境下場強的正確測試方法，理解建筑物穿透損耗的概念。4 通過實地測量和撰寫實驗報告，加深對電磁場和電磁波基礎知識的理解，培養(yǎng)嚴謹治學的研究態(tài)度，提高對實驗數(shù)據(jù)的分析和處理能力。二、實驗原理無線通信系統(tǒng)有發(fā)射機、發(fā)射天線、無線信道、接收機、接收天線所組成。對于接收者，只有處在發(fā)射信號的覆蓋區(qū)域內，才能保證接收機正常接收信號，此時，電波場強大于等于接收機的靈敏度。因此，基站的覆蓋區(qū)的大小，是無限工程師

3、所關心的。決定覆蓋區(qū)的大小的主要因素有：發(fā)射功率、饋線及接頭損耗、天線增益、天線架設高度、路徑損耗、衰落、接收機高度、人體效應、接收機靈敏度、建筑物的穿透損耗、同波、同頻干擾。發(fā)射機接收機發(fā)射天線接收天線無線信道2.1大尺度路徑損耗 在移動通信系統(tǒng)中，路徑損耗是影響通信質量的一個重要因素。大尺度平均路徑損耗：用于測量發(fā)射機與接收機之間信號的平均衰落，即定義為有效發(fā)射功率和平均接收功率之間的（dB）差值，根據(jù)理論和測試的傳播模型，無論室內還是室外信道，平均接收信號功率隨距離對數(shù)衰減，這種模型已被廣泛使用。對于任意的傳播距離，大尺度平均路徑損耗表示為： （n依賴于具體的傳輸環(huán)境）即平均接收功率為：

4、 其中，n為路徑損耗指數(shù)，表明路徑損耗隨距離增長的速度；d0為近地參考距離；d為發(fā)射機與接收機（T-R）之間的距離。公式中的橫崗表示給定值d的所有可能路徑損耗的綜合平均。坐標為對數(shù)對數(shù)時，平均路徑損耗或平均接收功率可表示為斜率10ndB/10倍程的直線。n值依賴于特定的傳播環(huán)境。例如在自由空間，n為2，當有阻擋物時，n比2大。決定路徑損耗大小的首要因素是距離，此外，它還與接收點的電波傳播條件密切相關。為此，我們引進路徑損耗中值的概念。中值是使實測數(shù)據(jù)中一半大于它而另一半小于它的一個數(shù)值（對于正態(tài)分布中值就是均值）。人們根據(jù)不同的地形地貌條件，歸納總結出各種電波傳輸模型。下邊介紹幾種常用的描述大

5、尺度衰落的模型。2.2 常用的電波傳播模型 2.2.1自由空間模型自由空間模型假定發(fā)射天線和接收臺都處在自由空間。我們所說的自由空間一是指真空，二是指發(fā)射天線與接收臺之間不存在任何可能影響電波傳播的物體，電波是以直射線的方式到達移動臺的。自由空間模型計算路徑損耗的公式是： 其中是以為單位的路徑損耗，d是以公里為單位的移動臺和基站之間的距離，f是以MHz為單位的移動工作頻點或工作頻段的頻率?？諝獾奶匦越茷檎婵?，因此當發(fā)射天線和接收天線距離地面都比較高時，可以近似使用自由空間模型來估計路徑損耗。2.2.2布靈頓模型布靈頓模型假設發(fā)射天線和移動臺之間是理想平面大地，并且兩者之間的距離d遠大于發(fā)射天

6、線的高度ht或移動臺的高度hr。布靈頓模型的出發(fā)角度是接收信號來自于電波的直射和一次反射，也被叫做“平面大地模型”。該模型的路徑損耗公式為：單位： d（km） ht（m）hr（m）Lp（dB）系統(tǒng)設計時一般把接收機高度按典型值hr=1.5m處理，這時的路徑損耗計算公式為： 按自由空間模型計算時，距離增加一倍時對應的路徑損耗增加6dB，按布靈頓模型計算時，距離增加一倍時對應的路徑損耗要增加12dB。2.2.3 EgLi模型前述的2個模型都是基于理論計算分析得出的計算公式。EgLi模型則是從大量實測結果中歸納出來的中值預測模型，屬于經驗模型。其路徑損耗公式為：單位： d（km） ht（m） hr（

7、m） f（MHz）G（dB） Lp（dB）其中G是地下修復因子，G反映了地形因素對路徑損耗的影響。EgLi模型認為路徑損耗同接收點的地形起伏程度有關，地形起伏越大，則路徑損耗也越大。當用米來測量時，可按下式近似的估計地形的影響：若將移動臺的典型高度值hr=1.5m，代入EgLi模型則有：2.2.4 Hata-Okumura模型該模型也是依據(jù)實測數(shù)據(jù)建立的模型，屬于經驗模型。當hr=1.5m時，按此模型計算的路徑損耗為：市區(qū)： 開闊地： 單位： d（km） ht（m）f（MHz）Lp（dB）一般情況下，開闊地的路徑損耗要比市區(qū)小。2.3陰影衰落在無線信道里，造成慢衰落的最主要原因是建筑物或其他物

8、體對電波的遮擋。在測量過程中，不同測量位置遇到的建筑物遮擋情況不同，因此接收功率不同，這樣就會觀察到衰落現(xiàn)象，由于這種原因造成的衰落也叫“陰影衰落”或“陰影效應”。在陰影衰落的情況下，移動臺被建筑物遮擋，它收到的信號是各種繞射、反射、散射波的合成。所以，在距基站距離相同的地方，由于陰影效應的不同，它們收到的信號功率有可能相差很大，理論和測試表明，對任意的d值，特定位置的接收功率為隨機對數(shù)正態(tài)分布即：其中，為均值為0的高斯分布隨機變量，單位為，標準差為，單位也是。對數(shù)正態(tài)分布描述了在傳播路徑上，具有相同T-R距離時，不同的隨機陰影效應。這樣利用高斯分布可以方便地分析陰影的隨機效應。正態(tài)分布的概率

9、密度函數(shù)是:應用于陰影衰落時，上式的x表示某一次測量得到的接收功率，m表示以表示的接收功率的均值或中值，表示接收功率的標準差，單位為。陰影衰落的標準差同地形、建筑物類型、建筑物密度有關，在市區(qū)的150MHz頻段其典型值是5.除了陰影衰落外，大氣變化也會導致慢衰落。比如一天中的白天、夜晚，一年中的春夏秋冬，天晴時、下雨時，即使在同一地點上，也會觀察到路徑損耗的變化。但在測量的無線信道中，大氣變化造成的影響要比陰影效應小的多。下表列出了陰影衰落分布的標準差，其中的是陰影效應的標準差。 表1 陰影衰落分布的標準差（dB）頻率（MHZ）準平坦地形不規(guī)則地形（米）城市郊區(qū)501503001503.55.

10、5479111345067.51115189006.581418212.4建筑物的穿透損耗建筑物的穿透損耗的大小對于研究室內無線信道具有重要意義。穿透損耗也稱為大樓效應，一般是指建筑物一樓內的中值電場強度和室外附近街道上中值電場強度之差。發(fā)射機位于室外，接收機位于室內，電波從室外進入室內，產生建筑物的穿透損耗，由于建筑物存在屏蔽和吸收作用，室內場強一定小于室外的場強，造成傳輸損耗。室外至室內建筑物的穿透損耗定義為：室外測量的信號平均場強減去在同一位置室內測量的信號平均場強。用公式表示為：是穿透損耗，單位，是在室內所測得每一點的功率，單位，共個點，是在室外所測得每一點的功率，單位，共個點。三、實

11、驗內容利用DS1131場強儀，實地測量信號場強1 研究具體現(xiàn)實環(huán)境下陰影衰落分布規(guī)律，以及具體的分布參數(shù)如何。2 研究在北郵主樓樓內電磁波傳播規(guī)律與現(xiàn)有模型的吻合程度，測試值與模型預測值的預測誤差如何。3 研究北郵主樓中電磁波傳播與隨著樓層的變化規(guī)律。四、數(shù)據(jù)測量4.1測量環(huán)境我們選擇在北京郵電大學主樓進行室內信號的測量。選擇測量的頻段為FM頻道106.1MHz。測量時間為周日早上8:00到10:00，此時樓內人的走動較少，門的開關也很少，室內環(huán)境比較穩(wěn)定，比較適合我們的測量。根據(jù)測定要求，每半個波長測定一次數(shù)據(jù)，則對于106.1 MHz而言，每個波長約為2.8 m，半個波長為1.4 m，故實

12、驗時選定每正常的兩步測定一個數(shù)據(jù)。我們選擇了1、3、5、7樓共4層樓進行測量。示意圖：東側走廊南側走廊北側走廊天井電梯間樓梯天井西側走廊測量的數(shù)據(jù)如下：北郵主樓電磁波場強測量數(shù)據(jù)2015.5.20單位：dBmw一樓三樓五樓七樓大堂-57.9電梯之間-72.4電梯之間-71.2電梯之間-71.2-60.9-72.3-72-71.3-57.9-71.9-73.1-70.6-64.7-71.4-72.4-70.6-68-72-73.5-69.9-65.2-72.5-74.3-69.3-70.5-72.4-73.2-69.5-69.1-72.1-70.2-69.8-70.5-72.3-70.6-69.

13、5電梯之間-70.2-70.8-70.4-71.4-71.3-71.1-70-70.8-71.4-71.8-68.2-71.6-71.7-72.5-66.5-70.4-70.8-72.8-69.2-68.3-71.6-72.3-68.6-68.8-63.9-72-69.1-67.6-65.2-72.3-69.7-69.1-65.9-72.5-69.3-68.2-65.5西北角-61.3-70.5-69.4-62.5-66.2-69.6-68.9東側走廊向南走-72.4-60.5-70.2-71.3-71.6-60.4-71.1西北角-55.5-72.1北側向東-60.1-71.4-53.1-6

14、9.9-60.7-70.5-56.1-70.5-61.9-71.2-53.2-70.9-63.2-70.8北側向東-59.6南側走廊向西走-71.2-63.8-70.6-58.5-73-69.4-70.4-61.9-70.5-70.9西北角-59.2-63.1-70.6-70.1-54.8-67.2-71.4-71.3-57.8-66.8-72.1-69.8-61.5-59.4-67.8-71.6-65.3-55.6-66.2-70.2北側向東-57.9-65.1-67-69.9-56.2-66.7西側走廊向北走-71.6-70.6-59.7-57.9-72.9-67.5-62.7-50.6-

15、66.6-65.3-60.2-49.5-66.3-66.5-57.9-50.2-71.9-70.6-58.8-53.4-70.4東北角-65.3-64.9東北角-66.1-70.7-64.8-67.2-61.1-73.1-65.2-62.4-58-68.5-65.9-63.1-60.9-68.6東側向南-65.3-59.6-61.7-66.2-67.2-65.6東側向南-54.5-74.8-66.1-64.5-56.7-71.8-68.3東北角-66.2-62.1北側走廊向東走-72.5-67.9-68.5-61.6-73.2-70.1-64.9-58.1-73.8-66.5東側向南-63.4

16、-65.1-68.1-65.9-64.8-64.3-69.6-66.2-61.3-59.6-70.3-68.3-64.1-61.2-72.1-70.3-63.6-68.8-71.8-68.5-65.7-63.2-73.1-71.1-62.7-62.3-73.8-69.6-63.8-65.4-72.6-69.3-66.5-69.7-74-65.3-65.7-65.1-68-63.5-63.7-71.6-61.6-57.6-66.6-62.3-54.3-64.8-65.1-58.1-68.3-62.6-63.2-69.2-65.8-67.5-73.4-69.5-62.9-63.5-64.6-57.

17、2-62-59.1-55.1-62.3-61.9-53.4-62.6-62.5-67.9-63-62.4-60.2-60.1-65.1東南角-60.8-60-64.1-50.8-57.1-58.3-58-57.7-60.1-49.5-59.5-58.9-52.3東南角-61.3-55.2-52.2-61.2-62.1南側向西-46.1-57.5-63.3-50.9-56.1東南角-56.9-41.4-58-58.1-42.3南側向西-61.7-61.9-45.2-59.5-65.2-54.1-65.2-56.6-51.2-64.8南側向西-55.2-51.5-66.5-53.4-51.9-68

18、.5-52.8-52.1-63.3-45.9-56.2-62.8-47.8-56.9-65.1-57.1-52.4-68.1-68.1-54.3-64.9-55.4-51.8-61.7-53.7-52.9-61.9-55.3西南角-53.7-65.1-56.2-48.9-64.3-59.8-52.1-64.8-58.1-47.6西南角-60.8-49.2西側向北-55.4-64.1-50.8-57.2-65.8西南角-57.1-56.4-63.1-69.3-60.2-66.4-58.4-54.5-64.7-56.2-55.1西側向北-64.3-56.4-67.1-68.7-59.1-53.7-

19、62.3西側向北-60.2-60.3-62.8-64.1-59.6-64.6-64.9-64.7-61.8-64.2-62.1-60.6-64.3門-67.1-64.4-60.7-60.9-70.8-67.6-62.9-67.1-61.9-71.1-65.7-58.3-71.6-65.8-62.9-61.4-69.3-61.9-66.7-67.5-55.8-60.2-70.1-57.3-58.7-61.3-64.4-59.1-64.3-61.7-63.7-65.6-60.6-58.9-63.4-65.3-59.3-62.3-66.2-57.5-62.7-70.4-65.4-63.7-65.3-

20、56.4-70.3-62.1-50.2-66.8-68.8-52.3-64.3-61.4-56.6-62.6-63.3-54.6-65.6-64.5-56.1-66.3-64.8-57.5-65.8-67.3-61.5-66.6-59.3-66.1-61.2-61.4-66.3-62.8-62.5-68.3-55.7-62.7-56.2-59.6-53.8-58.1-53.6-61.6-55.7-65.3-57.2-55.84.2測量注意事項（1）在使用場強儀時，由于天線的長度、方向等對于接收信號的強度值是有影響的，而且影響還不小，所以在使用時要保證天線始終處于全伸直狀態(tài)，并且盡量在測定一個區(qū)

21、域時保證其方向不變。（2）在測量時盡量保持身體的姿勢是不變的，減少由于身體的姿勢的不同而導致的對于測量的干擾。（3）在讀數(shù)時應該注意，有時測量到的場強強度變化較快，有時甚至在一個比較夸張的動態(tài)范圍內跳變，這時應等待讀數(shù)數(shù)值比較穩(wěn)定時再進行讀數(shù)，以免造成較大的誤差。（4）遇到有不穩(wěn)定情況時，比如有人走動，有人開關門，或者有人在樓道內打移動電話時，應在原地停止讀數(shù)，等周圍環(huán)境穩(wěn)定時再重新讀數(shù)。（5）場強儀電力不足時，應停止測量，等充好了電再進行測量。4.3數(shù)據(jù)分析4.3.1 主樓1層 方差為-69.50dBmw，標準差為3.74從上面的接收功率概率分布柱狀圖的模型來看，實際的樣本數(shù)據(jù)不是很集中。主

22、樓1層處于建筑低層，建筑結構不是對稱性，大堂和電梯之間的信號功率相差較大。地理環(huán)境環(huán)境較復雜，東、南和北側都有建筑遮擋，西側是廣場，較為開闊?？傮w來看，信號不是很集中，變化規(guī)律挺明顯的，信號功率多集中在-66dBmw-75dBmw。4.3.2 主樓3層 方差為-64.53dBmw，標準差為4.20接收信號強度分布呈波動性，在一定范圍內呈現(xiàn)正態(tài)分布特性。從信號功率分布圖來看，采集的個別點數(shù)會出現(xiàn)一定的跳變。主樓內門和窗戶的關閉情況以及實驗室內學生數(shù)量的多少對數(shù)據(jù)結果造成了影響。在門開啟的情況下，信號有一定增強。信號功率主要集中在-65 dBmw附近。4.3.3 主樓5層 方差為-61.44dBm

23、w，標準差為4.64主樓五樓的分布和三樓差不多，不過由于樓層較高，周圍沒有高于五層的建筑遮擋，因此信號衰減較小，主要集中在-63dBmw附近。4.3.4 主樓7層 方差為-58.03dBmw，標準差為6.15主樓七樓的周圍建筑遮擋已經可以忽略不計了，信號分布有一定規(guī)律，較為平穩(wěn)，說明主樓四周環(huán)境因素影響逐漸減小，信號功率集中在-58dBmw附近。4.3.5 主樓各層電梯間1樓3樓5樓7樓主樓的電梯間位于兩個天井之間，且前后兩側都有電梯遮擋，電梯是由金屬構成的，所以信號衰減很高，即信號的穿透損耗大，其信號功率比各層的走廊都小，主要集中在-72dBmw附近。五、理論分析通過查找資料以及估計，獲取以

24、下參數(shù)：移動臺與基站之間的距離d=12km測量頻率f=97.4MHz發(fā)射天線高度ht=50m移動臺高度hr=1.5m發(fā)射功率Pt=10kw各個模型的路徑損耗通過測量發(fā)現(xiàn)，信號的平均接收強度約為-62.98dbm，而由查到的數(shù)據(jù)知發(fā)射功率為70dbm，故信號的衰減約為132.98db。通過上面數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，此主樓模型最接近于EgLi模型。在測量范圍內 ，僅有0.46db的誤差。我們可以選定EgLi模型，然后根據(jù)相應的實測數(shù)據(jù)得出修正后的模型。六實驗總結和結論綜上分析可知，校園內的總體信號強度強度狀況還是不錯的。對于實際的室外模型而言，陰影衰落服從對數(shù)正態(tài)分布規(guī)律。接收信號強度概率分布滿足正態(tài)分布

25、規(guī)律。在距離發(fā)射基站比較近的區(qū)域，信號強度較強，在較遠的地方信號強度較弱。由近至遠呈現(xiàn)出大尺度的衰落規(guī)律。在個別區(qū)域，由于周圍建筑物、樹木的遮擋以及人群、車輛等的流動因素，使得這些區(qū)域信號出現(xiàn)急劇的衰減。電磁波在建筑群間的傳輸，主要依靠的是繞射現(xiàn)象。當樓層小于三層時，測量的高度平均比較小，電磁波在此空間區(qū)域內傳輸時會遇到各種各樣的障礙物，如建筑物、車輛、行人等等，因此在傳播過程中會發(fā)生大量的繞射，相比起中頻信號，低頻信號的波長更長，繞射能力也越強，所以信號的衰減程度會相對小一些，導致測量到的信號電平均值要相對大一些。而當樓層大于三層時，測量的高度平均比較大，在此空間區(qū)域內的障礙物相對低空的要少很多，因此電磁波在傳播過程中產生的繞射現(xiàn)象要比在低空傳播時少，在失去繞射能力強這個優(yōu)勢后，穿透力較弱的