北郵電磁場和電磁波實驗報告

1、信息通信工程學院電磁波和電磁場的實驗報告北郵學五層電磁波輻射電場強度的研究班級：名字：謝魏浩廖寧班內(nèi)序列號： 19，18日期： 2012.3一、實驗?zāi)康? .掌握移動環(huán)境下陰影衰落的概念和正確的測試方法。2 .研究北郵學5層電磁波輻射強度的分布規(guī)律。3、掌握室內(nèi)環(huán)境下結(jié)果強、準確的測試方法，了解建筑物透射損失的概念。4、通過實地測量和寫實驗報告，加深對電磁場和電磁波基礎(chǔ)知識的理解，培養(yǎng)嚴密的研究態(tài)度，提高實驗數(shù)據(jù)的分析和處理能力。二、實驗原理無線通信系統(tǒng)由發(fā)送機、發(fā)送天線、無線信道、接收機、接收天線構(gòu)成。 對于接收器，如果不在發(fā)送信號的壟斷區(qū)域內(nèi)，就不能保證接收機正常地接收信號。 在這種情況下

2、，電波的電場強度為接收機的靈敏度以上。 因此，基站的霸復蓋區(qū)域的大小是無限的工程師所關(guān)心的。 確定霸蓋區(qū)的尺寸的主要因素有：發(fā)送功率、饋電線和連接器損耗、天線增益、天線架設(shè)高度、路徑損耗、衰落、接收機高度、人體效應(yīng)、接收機靈敏度、建筑物透射損耗、同頻和同頻干擾。發(fā)射機接收機發(fā)射天線接收天線無線電信道2.1大規(guī)模路徑損失在移動通信系統(tǒng)中，路徑損耗是影響通信質(zhì)量的重要因素之一。大規(guī)模平均路徑損耗：被定義為發(fā)射機和接收機之間的信號的平均衰落，即有效發(fā)射功率和平均接收功率之差(dB )，根據(jù)理論和測試傳播模型，無論室內(nèi)信道和室外信道，平均接收信號功率根據(jù)距離相對地衰減，該模型已經(jīng)被廣泛使用對于任何傳播

3、距離，大比例的平均路徑損失如下所示(n取決于具體的傳輸環(huán)境)即，平均接收功率其中n是路徑損耗指數(shù)，其中n指示路徑損耗隨距離而增加的速度，其中d0是近地基準距離d是發(fā)射器與接收器(tr )之間的距離。 公式中的橫岡表示給定值d的所有可能的路徑損失的總平均值。 如果坐標為對數(shù)-對數(shù)，則平均路徑損耗或平均接收功率表示為斜率為10ndB/10倍左右的直線。 n的值取決于特定的傳播環(huán)境。 例如，在自由空間中，n是2。當有柵格時，n大于2。確定路徑損耗的大小的第一因素是距離，并且與接收點的電波傳播條件密切相關(guān)。 因此，我們導入了路徑損失中值的概念。 中央值是實測數(shù)據(jù)的一半大于其，另一半小于其的數(shù)值(正態(tài)分

4、布的中央值為平均值)。 人們根據(jù)地形的地形條件，總結(jié)了各種各樣的電波傳輸模型。 其次，介紹了幾種常見尺度衰退的模型。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)射天線和接收站處于自由空間。 自由空間是指在發(fā)送天線和接收站之間不存在有可能影響無線電波傳播的物體，并且無線電波線性地到達移動站。自由空間模型計算路徑損失的公式如下這里，是單位的路徑損耗，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率點或工作頻帶的頻率。由于空氣特性接近真空，所以如果發(fā)射和接收天線相對高于地面，可近似地使用自由空間模型來估計路徑損耗。2.2.2布林頓型號布林頓模型假定發(fā)射天

5、線和移動站之間是理想的平面地面，并且兩者之間的距離d遠大于發(fā)射天線的高度ht和移動站的高度hr。布林頓模型的出發(fā)角度是接收信號從電波的直射和一次反射，也被稱為“平面大地模型”。模型的路徑損失公式如下單位： d(km) ht(m)hr(m)Lp(dB )。系統(tǒng)設(shè)計時，通常以標準hr=1.5m來處理接收器的高度，而這時的路徑損耗的計算如下在自由空間模型中計算時，距離加倍時對應(yīng)的路徑損耗將增加6dB；而在布里頓模型中計算時，距離加倍時對應(yīng)的路徑損耗將增加12dB。2.2.3 EgLi模型上述兩個模型都是基于理論計算分析的計算公式。 EgLi模型是從大量實測結(jié)果歸納出來的中值預(yù)測模型，屬于經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。?/p>

6、徑損失的公式如下單位： d (千米) ht (m ) HR (m ) f (MHz ) g (db ) LP (db )。其中g(shù)是地下修復因子，g反映了地形因素對路徑損失的影響。 EgLi模型認為路徑損失與接收點地形起伏的程度有關(guān)，地形起伏越大，路徑損失也越大。 用米測量時，地形的影響可以用以下公式近似：如果將移動站的典型高度值hr=1.5m代入EgLi模型2.2.4 Hata-Okumura型號該模型也是基于實測數(shù)據(jù)建立的模型，屬于經(jīng)驗?zāi)Ｐ汀?如果hr=1.5m，此模型計算的路徑損失如下市區(qū)：廣闊的土地：單位： d(km) ht(m)f(MHz)Lp(dB )。一般來說，開放地的路徑損失比市

7、區(qū)小。2.3陰影衰落無線信道引起慢衰落的最大原因是建筑物和其他物體遮擋電波。 在測量過程中，建筑物的遮蔽狀況根據(jù)測量場所而不同，所以接收功率不同時觀察到衰落現(xiàn)象，因此引起的衰落也稱為“陰影衰落”和“陰影效應(yīng)”。 當進行陰影衰落時，移動站被建筑物遮擋，接收到的信號是各種衍射、反射、散射波的合成。 因此，由于陰影效應(yīng)的差異，在距基站的距離相同的地方，所接收的信號功率可能大不相同，理論和測試表明對于任何d值，在特定地方的接收功率為隨機對數(shù)正態(tài)分布其中平均值為0的高斯分布隨機變量，單位為標準差，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距離時不同隨機陰影的效果。 這樣利用高斯分布，可以容易

8、地分析陰影的隨機效果。 正態(tài)分布的概率密度函數(shù)是：如果應(yīng)用于陰影衰落，則上式的x表示通過某種測量所獲得的接收功率，m表示接收功率的平均值或中值，單位為。 陰影衰退的標準偏差與地形、建筑物類型、建筑物密度有關(guān)，在市區(qū)150MHz頻帶其代表值為5不僅陰影的衰退，大氣的變化也緩慢衰退。 例如，整天的白天、夜晚、一年中的春夏秋冬、晴天、下雨時，在同一地方也能觀察到路徑損失的變化。 然而，在所測量的無線信道中，大氣變化所造成的影響遠小于陰影效果。 下表顯示了陰影衰落分布的標準偏差。 表示陰影效果的標準差。表1陰影衰落分布的標準偏差(數(shù)據(jù)庫)頻率(MHZ )平坦的地形不規(guī)則地形(米)城市郊區(qū)5015030

9、01503.55.54到79111345067.51115189006.581418212.4建筑物的透過損失建筑物透射損失的大小對研究室內(nèi)無線頻道有重要意義。 透射損失也稱為大樓效應(yīng)，一般是指建筑物一層內(nèi)的中央值電場強度和室外附近街道的中央值電場強度的差。發(fā)射機在室外，接收機在室內(nèi)，電波從室外進入室內(nèi)，產(chǎn)生建筑物的透射損失，對建筑物有屏蔽和吸收作用，所以室內(nèi)的電場強度一定小于室外的電場強度，導致傳輸損失。 從室外到室內(nèi)的建筑物的透射損失定義為從在室外測得的信號平均電場強度減去在相同地方的室內(nèi)測得的信號平均電場強度。 用以下公式表示透過損失、單位、室內(nèi)測得的每一點的電力、單位、合計點、室外測得

10、的每一點的電力、單位、合計點。三、實驗內(nèi)容使用DS1131場強計現(xiàn)場測量信號的電場強度1 .研究陰影在具體的現(xiàn)實環(huán)境中的衰退分布規(guī)律，以及具體的分布參數(shù)是什么樣的。2 .研究北郵學5層電磁波傳播規(guī)律與現(xiàn)有模型的一致度、測量值和模型預(yù)測值的預(yù)測誤差如何。3 .研究電磁波在北郵學5層這樣的建筑物中的傳播和樓層的變化規(guī)律。4 .實驗性的預(yù)測五、數(shù)據(jù)測量4.1測量環(huán)境我們決定在北京郵電大學的五樓進行室內(nèi)信號的測量。 所選擇的測量頻帶為無線電視信道174.75MHz。 測量時間從周末下午13:30日到16:30日，這個時候大樓內(nèi)的人移動少，門的開關(guān)也少，室內(nèi)環(huán)境比較穩(wěn)定，適合我們的測量。根據(jù)測定要求，如

11、果每半波長測定數(shù)據(jù)，在174.75MHz下，每波長約為1.7m，每半波長為0.85m，因此實驗時選定了正常的每兩個階段測定的數(shù)據(jù)。 同時，還發(fā)出電場強度計的聲音，以宏觀的方式感測接收到的聲音信號的強度變化。我們選擇共計8層樓進行測量，分為三組：中間樓8、9、10層，低層樓4、3、1層，高層樓15、14層。 各層測得的數(shù)據(jù)在60個以上，分析了穩(wěn)定中間的60個數(shù)據(jù)。被測定的數(shù)據(jù)如下北郵學5層電磁波電場強度測定數(shù)據(jù)2012.03.11單位：-dBmwf10f9f8f4f3系列f1f15系列f14系列43.647.643.667.467.473.756.149.145.548.344.070.271.

12、676.252.549.251.652.549.968.171.970.649.047.449.257.354.670.470.070.460.552.951.849.747.770.869.271.952.848.058.149.453.070.670.271.456.651.656.654.364.271.272.172.167.362.556.659.862.672.869.872.859.857.955.653.861.471.470.471.458.458.760.555.051.673.669.875.058.267.660.863.656.373.069.173.269.656.

13、761.051.059.774.473.074.270.657.861.253.257.372.772.673.965.259.672.360.057.272.372.375.661.058.868.155.464.874.874.375.470.861.068.258.165.774.072.776.071.060.268.659.362.774.674.575.071.863.369.159.663.172.874.074.872.064.970.865.061.375.074.374.770.468.571.164.668.475.174.175.070.769.471.566.062.

14、173.274.474.969.969.668.265.867.672.773.275.071.473.066.768.162.274.573.874.669.766.269.765.465.974.273.376.068.267.667.967.068.074.472.274.870.571.472.068.469.673.474.474.967.470.571.371.062.674.574.373.072.368.969.263.165.274.373.874.768.272.070.367.166.174.473.572.467.968.263.567.164.073.072.771.969.470.967.066.062.974.472.472.666.066.571.264.164.974.672.474.068.168.468.372.060.574.672.871.166.468.960.865.657