北邮电磁场实验报告

1、信息与通信工程学院电磁波与电磁场实验报告北邮主楼电磁波辐射场强的研究班级：姓名：卢日威 张心琪学 号：日期：2015.5目录一、实验目的3二、实验原理32.1大尺度路径损耗42.2 常用的电波传播模型42.2.1自由空间模型42.2.2布灵顿模型52.2.3 EgLi模型52.2.4 Hata-Okumura模型62.3阴影衰落62.4建筑物的穿透损耗7三、实验内容7四、数据测量84.1测量环境84.2测量注意事项144.3数据分析134.3.1 主楼1层134.3.2 主楼3层144.3.3 主楼5层154.3.4 主楼7层16五、理论分析19六实验总结和结论20七、任务分工21八、实验心得

2、21一、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6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

3、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。发射机接收机发射天线接收天线无线信道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： （n依赖于具体的传输环境）即平均接收功率为： 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

4、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

5、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： 其中是以为单位的路径损耗，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

6、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：单位： d（km） ht（m）hr（m）Lp（dB）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： 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。2.2.3 EgLi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

7、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有关，地形起伏越大，则路径损耗也越大。当用米来测量时，可按下式近似的估计地形的影响：若将移动台的典型高度值hr=1.5m，代入EgLi模型则有：2.2.4 Hata-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： 开阔地： 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

8、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：其中，为均值为0的高斯分布随机变量，单位为，标准差为，单位也是。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: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

9、示以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。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5.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，其中的是阴影效应的标准差。 表1 阴影衰落分布的标准差（dB）频率（MHZ）准平坦地形不规则地形（米）城市郊区501503001503.55.5479111345067.51115189006.581418212.

10、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：是穿透损耗，单位，是在室内所测得每一点的功率，单位，共个点，是在室外所测得每一点的功率，单位，共个点。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

11、衰落分布规律，以及具体的分布参数如何。2 研究在北邮主楼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 研究北邮主楼中电磁波传播与随着楼层的变化规律。四、数据测量4.1测量环境我们选择在北京邮电大学主楼进行室内信号的测量。选择测量的频段为FM频道106.1MHz。测量时间为周日早上8:00到10:00，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106.1 MHz而言，每个波长约为2.8 m，半个波长为1.4 m，故实验时选定每正常的两步测定一个数据。我们选择了1、3、5、7楼共4层楼进行

12、测量。示意图：东侧走廊南侧走廊北侧走廊天井电梯间楼梯天井西侧走廊测量的数据如下：北邮主楼电磁波场强测量数据2015.5.20单位：dBmw一楼三楼五楼七楼大堂-57.9电梯之间-72.4电梯之间-71.2电梯之间-71.2-60.9-72.3-72-71.3-57.9-71.9-73.1-70.6-64.7-71.4-72.4-70.6-68-72-73.5-69.9-65.2-72.5-74.3-69.3-70.5-72.4-73.2-69.5-69.1-72.1-70.2-69.8-70.5-72.3-70.6-69.5电梯之间-70.2-70.8-70.4-71.4-71.3-71.1-

13、70-70.8-71.4-71.8-68.2-71.6-71.7-72.5-66.5-70.4-70.8-72.8-69.2-68.3-71.6-72.3-68.6-68.8-63.9-72-69.1-67.6-65.2-72.3-69.7-69.1-65.9-72.5-69.3-68.2-65.5西北角-61.3-70.5-69.4-62.5-66.2-69.6-68.9东侧走廊向南走-72.4-60.5-70.2-71.3-71.6-60.4-71.1西北角-55.5-72.1北侧向东-60.1-71.4-53.1-69.9-60.7-70.5-56.1-70.5-61.9-71.2-53

14、.2-70.9-63.2-70.8北侧向东-59.6南侧走廊向西走-71.2-63.8-70.6-58.5-73-69.4-70.4-61.9-70.5-70.9西北角-59.2-63.1-70.6-70.1-54.8-67.2-71.4-71.3-57.8-66.8-72.1-69.8-61.5-59.4-67.8-71.6-65.3-55.6-66.2-70.2北侧向东-57.9-65.1-67-69.9-56.2-66.7西侧走廊向北走-71.6-70.6-59.7-57.9-72.9-67.5-62.7-50.6-66.6-65.3-60.2-49.5-66.3-66.5-57.9-5

15、0.2-71.9-70.6-58.8-53.4-70.4东北角-65.3-64.9东北角-66.1-70.7-64.8-67.2-61.1-73.1-65.2-62.4-58-68.5-65.9-63.1-60.9-68.6东侧向南-65.3-59.6-61.7-66.2-67.2-65.6东侧向南-54.5-74.8-66.1-64.5-56.7-71.8-68.3东北角-66.2-62.1北侧走廊向东走-72.5-67.9-68.5-61.6-73.2-70.1-64.9-58.1-73.8-66.5东侧向南-63.4-65.1-68.1-65.9-64.8-64.3-69.6-66.2-

16、61.3-59.6-70.3-68.3-64.1-61.2-72.1-70.3-63.6-68.8-71.8-68.5-65.7-63.2-73.1-71.1-62.7-62.3-73.8-69.6-63.8-65.4-72.6-69.3-66.5-69.7-74-65.3-65.7-65.1-68-63.5-63.7-71.6-61.6-57.6-66.6-62.3-54.3-64.8-65.1-58.1-68.3-62.6-63.2-69.2-65.8-67.5-73.4-69.5-62.9-63.5-64.6-57.2-62-59.1-55.1-62.3-61.9-53.4-62.6-6

17、2.5-67.9-63-62.4-60.2-60.1-65.1东南角-60.8-60-64.1-50.8-57.1-58.3-58-57.7-60.1-49.5-59.5-58.9-52.3东南角-61.3-55.2-52.2-61.2-62.1南侧向西-46.1-57.5-63.3-50.9-56.1东南角-56.9-41.4-58-58.1-42.3南侧向西-61.7-61.9-45.2-59.5-65.2-54.1-65.2-56.6-51.2-64.8南侧向西-55.2-51.5-66.5-53.4-51.9-68.5-52.8-52.1-63.3-45.9-56.2-62.8-47.

18、8-56.9-65.1-57.1-52.4-68.1-68.1-54.3-64.9-55.4-51.8-61.7-53.7-52.9-61.9-55.3西南角-53.7-65.1-56.2-48.9-64.3-59.8-52.1-64.8-58.1-47.6西南角-60.8-49.2西侧向北-55.4-64.1-50.8-57.2-65.8西南角-57.1-56.4-63.1-69.3-60.2-66.4-58.4-54.5-64.7-56.2-55.1西侧向北-64.3-56.4-67.1-68.7-59.1-53.7-62.3西侧向北-60.2-60.3-62.8-64.1-59.6-64

19、.6-64.9-64.7-61.8-64.2-62.1-60.6-64.3门-67.1-64.4-60.7-60.9-70.8-67.6-62.9-67.1-61.9-71.1-65.7-58.3-71.6-65.8-62.9-61.4-69.3-61.9-66.7-67.5-55.8-60.2-70.1-57.3-58.7-61.3-64.4-59.1-64.3-61.7-63.7-65.6-60.6-58.9-63.4-65.3-59.3-62.3-66.2-57.5-62.7-70.4-65.4-63.7-65.3-56.4-70.3-62.1-50.2-66.8-68.8-52.3-6

20、4.3-61.4-56.6-62.6-63.3-54.6-65.6-64.5-56.1-66.3-64.8-57.5-65.8-67.3-61.5-66.6-59.3-66.1-61.2-61.4-66.3-62.8-62.5-68.3-55.7-62.7-56.2-59.6-53.8-58.1-53.6-61.6-55.7-65.3-57.2-55.84.2测量注意事项（1）在使用场强仪时，由于天线的长度、方向等对于接收信号的强度值是有影响的，而且影响还不小，所以在使用时要保证天线始终处于全伸直状态，并且尽量在测定一个区域时保证其方向不变。（2）在测量时尽量保持身体的姿势是不变的，减少由于身

21、体的姿势的不同而导致的对于测量的干扰。（3）在读数时应该注意，有时测量到的场强强度变化较快，有时甚至在一个比较夸张的动态范围内跳变，这时应等待读数数值比较稳定时再进行读数，以免造成较大的误差。（4）遇到有不稳定情况时，比如有人走动，有人开关门，或者有人在楼道内打移动电话时，应在原地停止读数，等周围环境稳定时再重新读数。（5）场强仪电力不足时，应停止测量，等充好了电再进行测量。4.3数据分析4.3.1 主楼1层 方差为-69.50dBmw，标准差为3.74从上面的接收功率概率分布柱状图的模型来看，实际的样本数据不是很集中。主楼1层处于建筑低层，建筑结构不是对称性，大堂和电梯之间的信号功率相差较大

22、。地理环境环境较复杂，东、南和北侧都有建筑遮挡，西侧是广场，较为开阔。总体来看，信号不是很集中，变化规律挺明显的，信号功率多集中在-66dBmw-75dBmw。4.3.2 主楼3层 方差为-64.53dBmw，标准差为4.20接收信号强度分布呈波动性，在一定范围内呈现正态分布特性。从信号功率分布图来看，采集的个别点数会出现一定的跳变。主楼内门和窗户的关闭情况以及实验室内学生数量的多少对数据结果造成了影响。在门开启的情况下，信号有一定增强。信号功率主要集中在-65 dBmw附近。4.3.3 主楼5层 方差为-61.44dBmw，标准差为4.64主楼五楼的分布和三楼差不多，不过由于楼层较高，周围没

23、有高于五层的建筑遮挡，因此信号衰减较小，主要集中在-63dBmw附近。4.3.4 主楼7层 方差为-58.03dBmw，标准差为6.15主楼七楼的周围建筑遮挡已经可以忽略不计了，信号分布有一定规律，较为平稳，说明主楼四周环境因素影响逐渐减小，信号功率集中在-58dBmw附近。4.3.5 主楼各层电梯间1楼3楼5楼7楼主楼的电梯间位于两个天井之间，且前后两侧都有电梯遮挡，电梯是由金属构成的，所以信号衰减很高，即信号的穿透损耗大，其信号功率比各层的走廊都小，主要集中在-72dBmw附近。五、理论分析通过查找资料以及估计，获取以下参数：移动台与基站之间的距离d=12km测量频率f=97.4MHz发射

24、天线高度ht=50m移动台高度hr=1.5m发射功率Pt=10kw各个模型的路径损耗通过测量发现，信号的平均接收强度约为-62.98dbm，而由查到的数据知发射功率为70dbm，故信号的衰减约为132.98db。通过上面数据可以发现，此主楼模型最接近于EgLi模型。在测量范围内 ，仅有0.46db的误差。我们可以选定EgLi模型，然后根据相应的实测数据得出修正后的模型。六实验总结和结论综上分析可知，校园内的总体信号强度强度状况还是不错的。对于实际的室外模型而言，阴影衰落服从对数正态分布规律。接收信号强度概率分布满足正态分布规律。在距离发射基站比较近的区域，信号强度较强，在较远的地方信号强度较弱。由近至远呈现出大尺度的衰落规律。在个别区域，由于周围建筑物、树木的遮挡以及人群、车辆等的流动因素，使得这些区域信号出现急剧的衰减。电磁波在建筑群间的传输，主要依靠的是绕射现象。当楼层小于三层时，测量的高度平均比较小，电磁波在此空间区域内传输时会遇到各种各样的障碍物，如建筑物、车辆、行人等等，因此在传播过程中会发生大量的绕射，相比起中频信号，低频信号的波长更长，绕射能力也越强，所以信号的衰减程度会相对小一些，导致测量到的信号电平均值要相对大一些。而当楼层大于三层时，测量的高度平均比较大，在此空间区域内的障碍物相对低空的要少很多，因此电磁波在传播过程中产生的绕射现象要比在低空传播时少，在失去