场强与功率的关系

1、概述 通常，工作在260MH卷470MH4业、科学和医疗频段（ISM）的发射天线都非常小，只能 辐射发射机功率放大器输出功率的一小部分。由此看来，对于发射功率的测景非常重要。具体的测景工作十分复杂，因为 FCC规范的15.231部分规定了距离发射器3米处的场强 （V/m）限制。另外，接收天线的放置以及测景中使用的接收单元都会影响辐射功率的测景。本文将解释辐射功率与场强以及测景接收器的关系。表格中给出了 260MH连470MH濒段的FCC强要求与辐射功率的对应关系，并给出了接收机测H的典型参数。 通过上述关系可以了解一些转换因数，用户能够确定对接收器的测景结果是否表明发射器已接近其辐射 功率的限

2、制。场强与辐射功率的关系天线发射功率向四周（球形）扩展，如果天线具有方向性，功率沿着传播方向的变化符合其 增益G（。,中）,（。，中）表达式，在半径为R的球体上的任意一点，以瓦/平方米为单位 的功率密度（PD）由式1给出：PD = PtGt/Eq 1这个等式简单地表示为发射功率除以半径为R的球面面积。增益符号，GT没有角度变化。因为在260MH连470MHzISM频段使用的绝大多数天线与工作波长相比非常小，其模板不 会随方向急剧变化。因为天线是效率很低的辐射体，增益非常小，基于这种原因，PT和GT相乘用来表示发射器和天线结合后的等效全向辐射功率（EIRP）。EIRP表示可以从理想的全向天线发射

3、的功率。距离发射器R处的功率密度同样可以表示为辐射信号场强E的平方除以n 0表示的自由空间的阻抗（式2） , n 0的大小为120兀Q，或377Q oPD = E!Eq 2从上述两个等式可以得出 EIRP, PTGN场强E的关系，以V/m为单位。E= -R叩重新整理式3,用场强形式表示EIRP:PtGt = E2R/30Eq 4在FCC要求的3米距离处，这个关系为：PtGt = 0,3E2瞄假设FCC对315MH矛勺平均场强限制是6mV/m利用式5,可以得到平均辐射功率的限制为10.8 W或19.7dBm。从场强到EIRP的转换更加复杂，因为有些文档用对数或 dB形式表 示场强。在上面的例子中

4、，场强大小6mV/m可以表示为15.6dBmV/m或75.6dB V/m。另外， FCC的辐射限制在260MHzgU 470MHZ勺频带范围内随频率而变化，这种变化意味着对于每 种频率，都需要按照FCC要求计算出场强大小，然后从一种计景单位转换到另一种。FCC规范的15.231部分规定260MH矛勺场强限制为3750 V/m,在470MHz#线性增加到 12500 V V/mo按照式1至式5和FCC®范对平均场强的限制得到表 1所示结果，表1中的数据以5MHz 频率为间隔提供了场强规格的多种表达形式。发射天线的增益假设为0d&接收功率与辐射功率的关系如果对接收功率、辐射功率的

5、测景单位加以限制， 从接收到发射之间的功率关系将很容易理解，这是通信系统中计算空间损耗的基础。从在一定距离R处的功率密度开始（式1）,在这个距离处天线的接收功率是功率密度乘以接收天线的有效面积，天线的有效面积由式6定义：% = GAShEq &入为发射波长，用接收天线的有效面积乘以式1表示的密度，可以得到自由空间的损耗计算公式：PH = 1 KEq TH 伽R挣式7表明：如果接收天线的增益保持均匀（采用小尺寸天线，四分之一波长），对于增益均匀的接收天线，频率为300MHz （对应于1米波长）、3米处的功率损耗大概是（1/12兀）2, 或31.5dB。这个值会因接收天线增益的不同而有所变

6、化，变化范围在25dB到35dB,这一步骤对于首先确认发射器、天线和测试装置是否合理很重要。例如，如果希望RK段射器电路板辐射-20dBm的功率，就应该在3米处与接收天线相连的频谱分析仪上看到略小于 -50dBm的功率，假设接收天线保持均匀的增益。测试接收电压与辐射功率的关系在许多旨在证明符合FCC®范的测试中，接收器通常测景的是天线处的RF电压，而不是功率。这是由于FCC需要场强测景，不是 EIRP。场强单位为V/m （或mV/徵 V/m）,通过 测景电压并经过校准常数转换得到 V/m更加直观。接收天线在生产时为了测景其电磁兼容性，给出了一个以1/m为单位的校准常数，我们将在下面讨

7、论这个校准常数的意义和来历，说明电压测景和EIRP关系的重要性。当接收器获得来自天线的功率时，这个功率通常通过50Q的负载电阻Z0转变成电压，接收电压和 接收功率的关系由式8表示：W = P壮。Eq a把上式带入式7,得到用EIRP表示的接收电压表达式（式9）:=荣有妒花舄WEq 9测试接收电压与场强的关系建立接收功率或接收电压与场强的关系可以通过式6、式7完成。将功率密度和接收天线的有效面积相乘，式10中的唯一区别是功率密度由场强E表示，与式2类似：律=但为板= （E2 f巾2月"侃Eq 10根据式8所表达的PR和接收电压的关系，推导出式 11, VR和E之间的关系为： Vr2 =

8、 Zo（E2 En） GRX2 / 4k =翌也匚芸Eq 11可mi。等式两边进行开方运算，所得接收电压为一个系数乘以场强。多数接收器具有50Q的阻12：抗Z0 , n 0 = 120冗Q ,上式可以简化为式973Eq 12场强E与接收电压VR的关系系数通常用E和VR之比表示，这是由于VR是测景值，E是与FCCfe准进行比较的数值。天线生产厂商进行场强测景时列出该系数，称其为天线因数(AF), 规格书中这个系数与频率有关。由式12的得到天线系数如下所示：AF-E/Vr=Eq 13式13的单位用1/m或以20 log10 V/m/V , dB表示。天线增益用功率增益表示， 所以6dB 的天线增益

9、系数为4, 10dB的天线增益系数为10。假如波长为1米(300MHz频率)，天线 增益为6dB,则等式13中的天线系数为4.87/m ,或13.6dB/m。用于场强测景的常用接收天线是对数周期阵列(LPA)天线,在测试范围内其增益大小与频率无关。这意味着天线因数随频率线性增加。典型的LPATDKRFSolution公司的PLP-3003, 在300MH逢具有14.2dB的天线系数，或5.1/m，天线系数与频率的关系如图1所示。按 照式13,在300MH濒率下，这种天线的增益为 5.6dB。朝FDK RF SoLiions Inc.(MHz)1Con-Eta nt Gatn-Smalli财 i

10、VTMICh图1.典型测景天线的系数(AF)与频率的关系曲线根据式13和图1,为了满足300MHz下FCC对平均场强的限制5417 V/m,在50Q输入接收器处测试到的结果应该在 1056Z以内。用dB表示时，74.7dB V/湖勺FCC场强限制，对 应于接收器的测景值为60.5dB V, 50Q负载下的测景功率为-46.5dBm。这个结果和前面 的功率损失估算一致（由此，我们得到发射端-20dBm的EIRP信号，会由接收器收到大约-50dBm ）。测景接收电压和功率表2给出了符合FCC场强限制的50 Q负载接收天线处的测景电压， 表2所采用的AF取自 图一对数周期阵列天线的规格书。表3给出了

11、同样装置下测景到的功率值， 表3所示有效辐射功率来自于符合场强限制的发射器和天线，空间损耗和接收天线增益决定50Q负载上的功率。两个表格中的结果一致。这些表格为短波UHF发射器的设计者和使用者提供了参考，帮忙确定系统是否满足 FCC要求，是否能够提供所需功率。实际测景考虑本文表格给出了功率和电压的测景值，它们是规范中场强和EIRP的函数。这些数值会因使用测试天线的不同而变化。测景中还需要参考校正系数，考虑电缆损耗、失配损耗等， 这些因素与频率有关。测试环境中，特别是来自地面的反射，能够造成接收电压发生显著 变化（多达6dB）。需要校准地面反射，可以使用另一个参考天线，通常为偶极子天线，辐 射天线的极化需要尽可能与测景天线的极化相匹配。需考虑辐射设备的方向模板，即使辐射天线尺寸非常小（小于1/6波长），因为封装、测试装置、同轴电缆的地屏蔽层都会引起 方向性的变化。这些表格中的场强大小参照了 FCC规范允许的平均功率限制，假如传输持续时间、占空比 符合某些限制条件，辐射峰值功率限制在20dB左右。因此，设计人员需要特别注意明显高于表格中所列