电磁辐射照射的场强单位及其换算110228(阅校,120617V1)

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（伏/米）单位表示之。所测干扰场强小于1V/m时，可用m V /m、V/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（安/米）、 mA /m、A/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（瓦/平方米）。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，从260KHZ26GHZ、，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（毫瓦/平方厘米）或W/cm2（微瓦/平方厘米）为表头刻度单位。场强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。功率通量密度单位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。二、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/cm2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（1），（2）在自由空间中，Zo=120376.7，代入上式后可得：E单位为V/m，H单位为A/m，S单位为mW/cm2。例1：如果E=5.8V/m，那么S=E2/Zo(5.8)2/376.7=POWER(5.8,2)/376.70.0893mW/cm2=89.3W/cm2。例2：如果S=40W/cm2=0.040mW/cm2，那么E=(S*Zo)1/2(0.040*376.7)1/2=SQRT(0.04*376.7)3.88175V/m。例3：如果E=1.12V/m，那么S=E2/Zo(1.12)2/376.7=POWER(1.12,2)/376.70.0333mW/cm2=33.3W/cm2。值得指出的是：通常A、B波段（10Khz30MHZ）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=ZoH（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。三、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=10lg(p2/p1)（dB）（3）鉴于p=U2/R=(IR)2/R=I2R，因此下述表达式A=20lg(U2/U1)=20lg(I2/I1)（dB）（4）亦被接受为分贝（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20mW/cm2【】，测量空间B点的功率通量密度为20W/cm2【0.02mW/cm2，-16.99dBm/cm2】，则A、B两点功率通量密度相差10lg(20*1000/20)=30dB。-75dBm/cm2=Power(10,-75/10)=0.0000000316228mW/cm2=0.0000316228W/cm2-80dBm/cm2=Power(10,-80/10)=0.00000001mW/cm2=0.00001W/cm2-47dBm/cm2=Power(10,-47/10)=0.0000199526231496888mW/cm2=0.0199526231496888W/cm2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1V=0dBV（简写为dB），此即“分贝微伏”的由来。尚须指出，dB只对小电压使用较方便，而对于较大电压则可采用dBV（分贝伏，1V=0dBV）或dBmV（分贝毫伏，1mV=0dBmV）。另外，“80dB电压”这种称谓是不恰当的。确切的说法应是“80dB电压”，因为dB是电压比，而不是电压值。表1电场强度与dBV/m、电场强度与dBmV/m的对应关系V/mdB (dBV)mV/mdBm (dBmV)101010201020102401024010360103601048010480105100105100106120106120107140107140四、dBm与dB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dB的。另外，一些合成信号发生器中，有的只标有dBm和dB，如何换算呢？（1）dBm的定义dBm是dBmW的简写，称为“分贝毫瓦”。RX Level（dBm） 接收电平（场强）RX LevFull（dBm） 接收信号场强RX LevSub（dBm） 接收信号场强，在开通下行DTX 情况下使用。1mW=0dBm=0dBmW（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=10lg(PmW)（6） 【PmW=10(PdBm/10)】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dBW（分贝瓦）这个单位。其定义为：PdBW=10lg(PW)（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=30dBmW （8）（9）（2）dBm与dB的换算对50源阻抗的信号发生器而言，当其输出功率p为1mW（0dBm）时，其端电压输出应为：UV=(50p)106（10）代入P=1mW=10-3W，可得UV：UV=(5010-3)106=223606.7978V，其dB值为：UdB=201g223606.7978=106.9897107dB（11）例9 用频谱仪测得干扰电压为-87dBm，它等于多少dB？答：-87+107=20dB，即PmW=10(PdB/20)=10(20/20)=10V。例10 用频谱仪测得干扰电压为-47dBm，它等于多少dB？答：-47+107=60dB，即PmW=10(PdB/20)=10(60/20)=1000V=1mV。例11 用频谱仪测得干扰电压为-33dBm，它等于多少dB？答：-33+107=74dB，即PmW=10(PdB/20)=10(74/20)=5011.872V=5.012mV。