电磁辐射照射的场强单位及其换算.doc

电磁辐射照射的场强单位及其换算 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、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、 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。国外生产的全向宽带场强仪、辐射险计，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。 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 /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=120376.7，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（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=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。 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），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 w/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1V=0dBV（简写为dB），此即“分贝微伏”的由来。 同样，定义场强1V/m=0dBV/m(简写为 dB)，称“分贝微伏/米”。 尚须指出，dB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“80dB电压”，因为dB是电压比，而不是电压值。 表1给出电场强度与dBV/m对应关系。 表1电场强度与dBV/m的对应关系 V/m dB 1 0 10 20 102 40 103 60 104 80 105 100 106 120 107 140 例4 说某干扰电值为86dB，何意？ 答：86dB是80和6这两个数字之和。而80dB、6dB的对应电压比为104 2. 故有：1042=2104 =20103 。 因此，86dB即为20mV。 例5 说场强仪的量程是6126 dB，何意？ 答：该场强仪的量程上限是210V/m，或2V/m。量程下限为210V/m，即 2V/m。 （3）用分贝表示电压或场强的误差大小。 例六 某场强标准装置的不确定度为1dB，对应的百分误差是多少？ 答：不确定度1dB意味着百分误差为+12.2,-10.87。 例七 某干扰场强测量仪的不确定度为3dB，对应百分误差是多少？ 答：+41.25,-29.2。 表2 电场强度分贝误差与百分误差对照表。供大家引用参考。 表2 电场强度分贝百分误差对照表 分贝误差百分误差分贝误差百分误差 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，从国外进的合成信号发生器中，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”。 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dBW（分贝瓦）这个单位。其定义为： PdBw=101gPmw.(7) 1W=0dBW(8) 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dB的换算 对50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=50p106(10) 代入P=1mW=10-3W,可得UV： UV=5010-3106=223606.7978 其dB值为： UdB=201g223606.7978=106.9897107(11) 例9用 频谱仪测得干扰电压为-87 dBm，它等于多少dB？ 答：-87+107=20dB，即10V。 五、绝对分贝值的加减问题 应当指出，在电磁干扰场强的计量测试中，引入分贝制单位后，把乘除变