北邮电磁场和电磁波实验报告

信息与通信工程学院电磁波与电磁场实验报告北邮学5楼电磁波辐射场强的研究班级：2009211114姓名：谢玮浩廖宁班内序号：19，18日期：2012.3一、实验目的1．掌握在移动环境下阴影衰落的概念以及正确的测试方法。2．研究北邮学5楼电磁波辐射强度的分布规律。3．掌握在室内环境下场强的正确测试方法，理解建筑物穿透损耗的概念。4．通过实地测量和撰写实验报告，加深对电磁场和电磁波基础知识的理解，培养严谨治学的研究态度，提高对实验数据的分析和处理能力。二、实验原理无线通信系统有发射机、发射天线、无线信道、接收机、接收天线所组成。对于接收者，只有处在发射信号的覆盖区域内，才能保证接收机正常接收信号，此时，电波场强大于等于接收机的灵敏度。因此，基站的覆盖区的大小，是无限工程师所关心的。决定覆盖区的大小的主要因素有：发射功率、馈线及接头损耗、天线增益、天线架设高度、路径损耗、衰落、接收机高度、人体效应、接收机灵敏度、建筑物的穿透损耗、同波、同频干扰。2.1大尺度路径损耗在移动通信系统中，路径损耗是影响通信质量的一个重要因素。大尺度平均路径损耗：用于测量发射机与接收机之间信号的平均衰落，即定义为有效发射功率和平均接收功率之间的（dB）差值，根据理论和测试的传播模型，无论室内还是室外信道，平均接收信号功率随距离对数衰减，这种模型已被广泛使用。对于任意的传播距离，大尺度平均路径损耗表示为：发射机接收机发射天线接收天线无线信道()[]()10lg(/)ooPLddBPLdndd（n依赖于具体的传输环境）即平均接收功率为：0000()[][]()10lg(/)()[]10lg(/)rtrPddBmPdBmPLdnddPddBmndd其中，n为路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速度；d0为近地参考距离；d为发射机与接收机（T-R）之间的距离。公式中的横岗表示给定值d的所有可能路径损耗的综合平均。坐标为对数—对数时，平均路径损耗或平均接收功率可表示为斜率10ndB/10倍程的直线。n值依赖于特定的传播环境。例如在自由空间，n为2，当有阻挡物时，n比2大。决定路径损耗大小的首要因素是距离，此外，它还与接收点的电波传播条件密切相关。为此，我们引进路径损耗中值的概念。中值是使实测数据中一半大于它而另一半小于它的一个数值（对于正态分布中值就是均值）。人们根据不同的地形地貌条件，归纳总结出各种电波传输模型。下边介绍几种常用的描述大尺度衰落的模型。2.2常用的电波传播模型2.2.1自由空间模型自由空间模型假定发射天线和接收台都处在自由空间。我们所说的自由空间一是指真空，二是指发射天线与接收台之间不存在任何可能影响电波传播的物体，电波是以直射线的方式到达移动台的。自由空间模型计算路径损耗的公式是：10lg/32.420lg20lgptrLPPdf其中pL是以Bd为单位的路径损耗，d是以公里为单位的移动台和基站之间的距离，f是以MHz为单位的移动工作频点或工作频段的频率。空气的特性近似为真空，因此当发射天线和接收天线距离地面都比较高时，可以近似使用自由空间模型来估计路径损耗。2.2.2布灵顿模型布灵顿模型假设发射天线和移动台之间是理想平面大地，并且两者之间的距离d远大于发射天线的高度ht或移动台的高度hr。布灵顿模型的出发角度是接收信号来自于电波的直射和一次反射，也被叫做“平面大地模型”。该模型的路径损耗公式为：12040lg20lg20lgptrLdhh单位：d（km）ht（m）hr（m）Lp（dB）GfhrhtdLp)lg(20)lg(20)lg(20)lg(4088系统设计时一般把接收机高度按典型值hr=1.5m处理，这时的路径损耗计算公式为：116.540lg20lgptLdh按自由空间模型计算时，距离增加一倍时对应的路径损耗增加6dB，按布灵顿模型计算时，距离增加一倍时对应的路径损耗要增加12dB。2.2.3EgLi模型前述的2个模型都是基于理论计算分析得出的计算公式。EgLi模型则是从大量实测结果中归纳出来的中值预测模型，属于经验模型。其路径损耗公式为：单位：d（km）ht（m）hr（m）f（MHz）G（dB）Lp（dB）其中G是地下修复因子，G反映了地形因素对路径损耗的影响。EgLi模型认为路径损耗同接收点的地形起伏程度h有关，地形起伏越大，则路径损耗也越大。当h用米来测量时，可按下式近似的估计地形的影响：0152.43(1)15150152.43(1)1515015hmhGhmMHzhhmMHz频段频段若将移动台的典型高度值hr=1.5m，代入EgLi模型则有：84.540lg20lg20lgptLdhfG2.2.4Hata-Okumura模型该模型也是依据实测数据建立的模型，属于经验模型。当hr=1.5m时，按此模型计算的路径损耗为：市区：169.5526.2lg13.82lg(44.96.55lg)lgpttLfhhd开阔地：2214.78(lg)18.33lg40.94ppLLff单位：d（km）ht（m）f（MHz）Lp（dB）一般情况下，开阔地的路径损耗要比市区小。2.3阴影衰落在无线信道里，造成慢衰落的最主要原因是建筑物或其他物体对电波的遮挡。在测量过程中，不同测量位置遇到的建筑物遮挡情况不同，因此接收功率不同，这样就会观察到衰落现象，由于这种原因造成的衰落也叫“阴影衰落”或“阴影效应”。在阴影衰落的情况下，移动台被建筑物遮挡，它收到的信号是各种绕射、反射、散射波的合成。所以，在距基站距离相同的地方，由于阴影效应的不同，它们收到的信号功率有可能相差很大，理论和测试表明，对任意的d值，特定位置的接收功率为随机对数正态分布即：XddndBmdPXdBmdPdBmdPoorrr)/log(10][)(][)(])[(其中，X为均值为0的高斯分布随机变量，单位为dB，标准差为，单位也是dB。对数正态分布描述了在传播路径上，具有相同T-R距离时，不同的随机阴影效应。这样利用高斯分布可以方便地分析阴影的随机效应。正态分布的概率密度函数是:22()221()2xmfxe应用于阴影衰落时，上式的x表示某一次测量得到的接收功率，m表示以dB表示的接收功率的均值或中值，表示接收功率的标准差，单位为dB。阴影衰落的标准差同地形、建筑物类型、建筑物密度有关，在市区的150MHz频段其典型值是5dB.除了阴影衰落外，大气变化也会导致慢衰落。比如一天中的白天、夜晚，一年中的春夏秋冬，天晴时、下雨时，即使在同一地点上，也会观察到路径损耗的变化。但在测量的无线信道中，大气变化造成的影响要比阴影效应小的多。下表列出了阴影衰落分布的标准差，其中的()sdB是阴影效应的标准差。表1阴影衰落分布的标准差s（dB）频率（MHZ）准平坦地形不规则地形h（米）城市郊区501503001503.5~5.54~79111345067.51115189006.581418212.4建筑物的穿透损耗建筑物的穿透损耗的大小对于研究室内无线信道具有重要意义。穿透损耗也称为大楼效应，一般是指建筑物一楼内的中值电场强度和室外附近街道上中值电场强度dB之差。发射机位于室外，接收机位于室内，电波从室外进入室内，产生建筑物的穿透损耗，由于建筑物存在屏蔽和吸收作用，室内场强一定小于室外的场强，造成传输损耗。室外NiMjinsidejoutsideiPMPNP11)()(11至室内建筑物的穿透损耗定义为：室外测量的信号平均场强减去在同一位置室内测量的信号平均场强。用公式表示为：P是穿透损耗，单位dB，jP是在室内所测得每一点的功率，单位dBV，共M个点，P是在室外所测得每一点的功率，单位dBV，共N个点。三、实验内容利用DS1131场强仪，实地测量信号场强1．研究具体现实环境下阴影衰落分布规律，以及具体的分布参数如何。2．研究在北邮学5楼内电磁波传播规律与现有模型的吻合程度，测试值与模型预测值的预测误差如何。3．研究北邮学5楼这样的建筑物中电磁波传播与随着楼层的变化规律。四．实验猜想五、数据测量4.1测量环境我们选择在北京邮电大学学5楼进行室内信号的测量。选择测量的频段为无线电视频道174.75MHz。测量时间为周末下午13:30到16:30，此时楼内人的走动较少，门的开关也很少，室内环境比较稳定，比较适合我们的测量。根据测定要求，每半个波长测定一次数据，则对于174.75MHz而言，每个波长约为1.7m，半个波长为0.85m，故实验时选定每正常的两步测定一个数据。同时，打开场强仪的声音，宏观地感受接收到音频信号的强度变化。我们共选择了8层楼进行测量，分为3组：中间楼层8、9、10层，低层楼4、3、1层、高层楼15、14楼。每层测的数据为60个以上，取稳定的中间60个数据进行分析。测量的数据如下：北邮学5楼电磁波场强测量数据2012.03.11单位：-dBmwf10f9f8f4f3f1f15f1443.647.643.667.467.473.756.149.145.548.344.070.271.676.252.549.251.652.549.968.171.970.649.047.449.257.354.670.470.070.460.552.951.849.747.770.869.271.952.848.058.149.453.070.670.271.456.651.656.654.364.271.272.172.167.362.556.659.862.672.869.872.859.857.955.653.861.471.470.471.458.458.760.555.051.673.669.875.058.267.660.863.656.373.069.173.269.656.761.051.059.774.473.074.270.657.861.253.257.372.772.673.965.259.672.360.057.272.372.375.661.058.868.155.464.874.874.375.470.861.068.258.165.774.072.776.071.060.268.659.362.774.674.575.071.863.369.159.663.172.874.074.872.064.970.865.061.375.074.374.770.468.571.164.668.475.174.175.070.769.471.566.062.173.274.474.969.969.668.265.867.672.773.275.071.473.066.768.162.274.573.874.669.766.269.765.465.974.273.376.068.267.667.967.068.074.472.274.870.571.472.068.469.673.474.474.967.470.571.371.062.674.574.373.072.368.969.263.165.274.373.874.768.272.070.367.166.174.473.572.467.968.263.567.164.073.072.771.969.470.967.066.062.974.472.472.666.066.571.264.164.974.672.474.068.168.468.372.060.574.672.871.166.468.960.865.657.675.267.871.071.965.259.865.461.375.266.171.464.468.467.269.161.871.170.772.760.866.462.271.856.369.671.472.457.370.762.663.556.070.870.372.458.965.157.757.160.470.