電磁輻射照射的場強單位及其換算.doc

電磁輻射照射的場強單位及其換算 電磁干擾場強單位及其換算，是廣大電磁兼容工作者經(jīng)常遇到的、關(guān)切的問題之一。 電磁干擾場強既有電場強度、磁場強度和功率通量密度等基本單位，又有分貝制導出。在某些情況下，單位之間還可相互換算。本文將就這些單位的使用及換算作一簡要的介紹。 一、電磁干擾場強的基本單位 高頻、微波電磁干擾場強有三種基本單位：電場強度V/m、磁場強度A/m和功率通量密度W/m2。 在測量電場時，若儀器的表頭刻度用的是電場強度單位時，則用V/m單位表示之。所測干擾場強小于1V/m時，可用m V /m、V/m單位。 當使用環(huán)天線、框天線或磁性天線等來測量磁場，且儀器的表頭刻度按磁場強度單位A/m刻度時，則可用A/m、 mA /m、A/m單位表示之。 當電磁場頻率高至微波段時，由于對電場、磁場的單獨測量在技術(shù)上有一定困難；或者功率密度測量比電場、磁場測量要方便，所以可采用功率通量密度測量。功率通量密度的單位為W/ m2。國外生產(chǎn)的全向?qū)拵鰪妰x、輻射險計，因其工頻率范圍極寬，從260KHZ26GHZ、，故測試電路中實現(xiàn)|E|2、|H|2較為方便。因此，大多采用功率通量密度測量，并以mW /Cm2為表頭刻單位。 強場儀測得的功率通量密度是Poyn-ting向量模的時間平均值，亦代表電磁場的強度。它的單位W/m2和電場強度單位V /m、磁場強度單位A/m同為電磁干擾場強的基本單位。它們的地位是等同的。 二、電磁干擾場強單位間的相互換算 在一般情況下，V/m、A/m和mW /Cm之間不能相互換算。只有在被測場為平面波情況下，三者間才能相互換算。否則，只能“等效換算”。 何謂平面波？凡遠離發(fā)射天線，在自由空間中傳播的電磁波，皆為平面波。 根據(jù)電磁場理論，在平面波情況下，S=ZoH2=E2/Zo 在自由空間中，Z=120376.7，代入上式后可得： E單位為V/m2，S單位為mW /C m2。 值得指出的是：通常A、B波段（10Khz30MHZ）的干擾場強測量儀（例如德R/S公司的ESH3、日本Anritu公司的ML428B）使用環(huán)形天線進行測量。雖然環(huán)形天線只對磁場分量起作用，但在自由空間中，由于E=Z0H（稱等效電場分量），故表頭可用等效電場分量刻度。但對近區(qū)場而言，電場E 和磁場H并無確定的比例關(guān)系。可能E很大，H很小，也可能H很大，E 很??；需視場源情況而定。此時，公式（1）（2）已不成立，充其量只能“等效換算“，僅供參考而已。 三、電磁干擾場強的分貝制單位 在電磁干擾場強的測試中，往往會遇到量值相差非常懸殊（甚至千百萬倍的信號）。為了便于表達、敘述和運算（變乘除為加減），采用對數(shù)單位分貝（dB）。 分貝（dB）是表征兩個功率電平比值的單位，即 A=10lgp2/p1（dB）.（3） 鑒于p=U2/R=I2R，因此下述表達式 A=20lg U2/U2=20lg I1/I220lg. (4) 亦被接受為dB的定義，但這針對的是同一阻抗。 分貝制單位在電磁干擾場強計量測試中的用法有如下三種： （1） 表示信號傳輸系統(tǒng)中任意兩點間功率（或電壓）的相對大小，或空間某兩點電磁干擾場強的相對大小。 例1 RR3A型干擾場強測量儀。當其輸入端接入20dB固定衰減器，則其測量范圍擴大20dB。這表示儀器輸入電平前后相差20dB。 例2 用RAAM4A型全向?qū)拵鰪妰x測量空間A點的功率通量密度為20 mW /Cm2，測量空間B點的功率通量密度為20 w/Cm2 ，則A、B兩點功率通量密度相差30dB。 例3 有20m長電纜一根，饋入1000MHZ高頻信號電壓100mV，測其輸出電壓只有5mV，則該電纜在1000MHZ頻率點上損耗為6dB。 （2） 在指定參考電平（電壓或電場強度）時，可用分貝表示電壓或電場強度的絕對值。此參考電平通稱為零電平。 在干擾、場強測量儀的檢定測試中，常常對測量接收機施加高頻標準小電 壓，以檢定其端電壓測量精度。定義1V=0dBV（簡寫為dB），此即“分貝微伏”的由來。 同樣，定義場強1V/m=0dBV/m(簡寫為 dB)，稱“分貝微伏/米”。 尚須指出，dB只對小電壓使用較方便，而對大電壓則可采用dBV（分貝伏，1V=0dBV）；或dBmV（分貝毫伏，1mV=odBmV）。 另外，“80dB電壓“這種稱謂是不恰當?shù)?。確切的說法應(yīng)是“80dB電壓”，因為dB是電壓比，而不是電壓值。 表1給出電場強度與dBV/m對應(yīng)關(guān)系。 表1電場強度與dBV/m的對應(yīng)關(guān)系 V/m dB 1 0 10 20 102 40 103 60 104 80 105 100 106 120 107 140 例4 說某干擾電值為86dB，何意？ 答：86dB是80和6這兩個數(shù)字之和。而80dB、6dB的對應(yīng)電壓比為104 2. 故有：1042=2104 =20103 。 因此，86dB即為20mV。 例5 說場強儀的量程是6126 dB，何意？ 答：該場強儀的量程上限是210V/m，或2V/m。量程下限為210V/m，即 2V/m。 （3）用分貝表示電壓或場強的誤差大小。 例六 某場強標準裝置的不確定度為1dB，對應(yīng)的百分誤差是多少？ 答：不確定度1dB意味著百分誤差為+12.2,-10.87。 例七 某干擾場強測量儀的不確定度為3dB，對應(yīng)百分誤差是多少？ 答：+41.25,-29.2。 表2 電場強度分貝誤差與百分誤差對照表。供大家引用參考。 表2 電場強度分貝百分誤差對照表 分貝誤差百分誤差分貝誤差百分誤差 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 四、dBm與dB的換算 近年來，頻譜儀在電磁干擾測量中使用日見廣泛。 美國hp8568B電磁干擾測量儀、日本Auritsu公司生產(chǎn)的MS2601A電磁干擾測量儀和德國R/S的ESA-1型EMI測量儀等都是以頻譜儀為主機附加其它功能發(fā)展而成的。其電壓顯示單位多為dBm，亦有用dB的。 另外，從國外進的合成信號發(fā)生器中，有的只標有dBm和dB。如何換算呢？ （1） dBm的定義。DBm是dBmW的簡寫，稱為“分貝毫瓦”。 1mw=0dBm(5) 上式是以1mW功率電平為參考基準的絕對功率值。正的dBm表示大于1mW功率，負的dBm表示小于1mW的功率。此可見，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 功率信號發(fā)生器XG26，最小輸出功率10-6mW,最大輸出功率27W。請換算成dBm。 答：最小輸出功率為-60dBm，最大輸出功率為+44.3dBm。 實踐中，有時還可遇到dBW（分貝瓦）這個單位。其定義為： PdBw=101gPmw.(7) 1W=0dBW(8) 它是以1W為參考電平的絕對功率值。大于1W為正dBW，小于1W為負dBW。 顯 然0dBW=30dBm (9) (2)dBm與dB的換算 對50源阻抗的信號發(fā)生器而言，當其輸出功率為1mW（0dBm）時，其端電壓輸出應(yīng)為 Uuv=50p106(10) 代入P=1mW=10-3W,可得UV： UV=5010-3106=223606.7978 其dB值為： UdB=201g223606.7978=106.9897107(11) 例9用 頻譜儀測得干擾電壓為-87 dBm，它等于多少dB？ 答：-87+107=20dB，即10V。 五、絕對分貝值的加減問題 應(yīng)當指出，在電磁干擾場強的計量測試中，引入分貝制單位后，把乘除變