电磁辐射照射的场强单位及其换算

henqueen

  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，从260KHZ~26GHZ、，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。

同样，定义场强1μV/m==0dBμV/m(简写为 dBμ)，称“分贝微伏/米”。

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给出电场强度与dBμV/m对应关系。

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




例4     说某干扰电值为86dBμ，何意？

答：86dBμ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：104×2=2×104 =20×103 。

         因此，86dBμ即为20mV。

         例五 说场强仪的量程是6~126 dBμ，何意？

         答：该场强仪的量程上限是2×10μV/m，或2V/m。量程下限为2×10μV/m，即

         2μV/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


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)

   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。

四、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，把乘除变为加减，大方便了表达、叙述和运算。但是，有些分贝制单位是不能直接相加减的，这并不是因为什么相位关系。下面举例说明：

例1       40 dBμ+ 40 dBμ/=80 dBμ，为什么？

答：40dBμ=100μV,40dBμ+40dBμ=200μV   201g200(μV)=46 dBμ.

例2       0dBm+0dBm/=0dBm，为什么？

答:0dBm=1mW   0dBm+0dBm=2mW

         101g2=3dBm。

12lg

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