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zhaoruifeng»2006-8-612:12:00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mV/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/Cm2。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=20lgU2/U2=20lgI1/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1RR3A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20wμ/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/mdBμ101020102401036010480105100106120107140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1042.故有：104×2=2×104=20×103。因此，86dBμ即为20mV。例五说场强仪的量程是6~126dBμ，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.11.16-0.1-1.140.22.32-0.2-2.270.33.5I-O.3-3.39O.44.7I-0.4-4.500.55.93-0.5-5.590.67.15-0.6-6.670.78.39-0.7-7.740.89.65-0.8-8.410.910.92-0.9-9.841.012.20-1.0-10.871.518.85-1.5-15.862.025.89-2.0-20.562.533.35-2.5-25.013.041.25-3.0-29.203.549.62-3.5-33.164.058.49-4.0-36.90三、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-87dBm，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140dBμ+40dBμ/=80dBμ，为什么？答：40dBµ=100µV,40dBµ+40dBµ=200µV201g200(µV)=46dBµ.例20dBm+0dBm/=0dBm，为什么？答:0dBm=1mW0dBm+0dBm=2mW101g2=3dBm。dBvanddBu小写的v和u表示相似的东西,dBv和dBu也是在一个电子电路内,求得一声频讯号电平(AudioSignalLevel)的量测单位.而且它们在分贝(decibel)的领域内,所依据的基准也是0.775VRMS值,与上述dBm不同之处是它会运用在任何的阻抗情形下去算出数据来,我们会时常见到dBu但较少见到dBv,是因为dBv它会混淆到我们以为是dBV,dBv和dBV这两者是不同的.另一方面要知道的是dBu是欧洲惯用的,而dBv是美国惯用的.知道么?因此dBv或dBu小写的v和u在基本上表示相同的事物,当一个电压在做测量的时候,没有牵拖到电路阻抗,但起始运算是拿0.775V来导入,这样说好了,假设好像电路是600Ω这是我们认为的,(在实际情况上,这可能是不知道的.)因为电路阻抗是不清楚的,因而实际有效功率是不明确的,那求出的值亦是不准确,如果要认真讲,严革的,使用dBvordBu来求取数值时.并不是一个正确的dB测量法,然而它所得的果还是有用的.我们来瞧瞧不同之处。dBm=20log(E/0.775),dBv=20log(E/0.775),dBm式子里的0.775V是以正600奥姆求出的.dBv式子里的0.775V则是假设它们是600奥姆的,式中的E是经量测后所得到的电压值,至后此两式子的差值在现今已被画成等号了.也就是说dBm=dBvordBu而且很不幸的是dBv变成现在大家通用的运算法则.这是为什么?这两只式子,都没有问题.故事告诉我们,业者的产品设备虽不达学术标准,但足以供民生消费上运用,这在音响商业里,非常方便的宣告自己的产品规格数据,以这样的方式去解释「分贝」(Decibel).但又没有真实说明.dBVdBV也是运用在一个电子电路内,求得一声频讯号电平(AudioSignalLevel)的量测单位.它在分贝(decibel)的领域内所依据的基准是1VRMS值的分贝.它量测时的条件很松.可作用在任何的阻抗值上,dBV的测量是相似于dBv(或dBu)测量的方式,但大V表示参考于1伏特电压(电压基准),且不管给予的任何阻抗值,那么这个值就更不是那么的精准了.不过起码能知道任一电路架构的讯号电平位准差不多在那儿.是的,dBV会在那儿出现呢?通常呀是运用在－10dBV的非平衡式(Unbalanced)or高阻抗(HighImpedance)的消费性电子装置设备上,一般制造商所提供的文件上,会标注输入及输出是依据于「－10」的,又应标注何时是利用dBV参考,(这点有时被忽略了).以及何时又是利用dBvordBu参考的,大致上高阶的器材设备上,几乎看不到这样的数值表示.当厂商提示出dBV时,您也就不必太”关心”这个值了,它不会准到那儿去,也不会差到那儿,知道么.仅是利用在产品架构上,去界定它为消费半专业性装置或专业级的设备.dBW它在分贝的领域内,所依据的基准是明确的在1W的分贝,*注意哦!是清楚确定的,不是随便的哦!对于功率,它是钱堆出来的不计较怎行,dBW大写的W即为Watt的意思.其时这段文应该跟dBm摆在一起的.就如dBm般的,它对于声频方面,如麦克风电平位准及线性电平位准(LineLevel)而言,运用dBm来求取数值刚好.dBmordBvordBu就像比例呎一样将一个较大的量测单位照比例缩小到便于我们使用.如果用dBW来导入就不太恰当.它是太大了.不过它能利用在求出扩大机功率输出的对数性质,即dBW.很可怜的dBW与dBm一样的被遗忘掉,这样