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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 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 m V /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, 260KHZ~26GHZ、 从 , 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 /C m2。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=20lg U2/U2=20lg I1/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 20 mW /Cm2,测量空间 B 点的功率通量密度为 20 wμ/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。



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 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

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)

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-87 dBm,它等于多少 dBμ?

答:-87+107=20dBμ,即 10μV。

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