场强与功率的关系

概述通常，工作在260MHz至470MHz工业、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，对于发射功率的测量非常重要。具体的测量工作十分复杂，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量中使用的接收单元都会影响辐射功率的测量。

本文将解释辐射功率与场强以及测量接收器的关系。表格中给出了260MHz至470MHz频段的FCC场强要求与辐射功率的对应关系，并给出了接收机测量的典型参数。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量结果是否表明发射器已接近其辐射功率的限制。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(Θ,Φ),(Θ,Φ)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：

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260MHz至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η0表示的自由空间的阻抗(式2)，η0的大小为120πΩ，或377Ω。

从上述两个等式可以得出EIRP，PTGT与场强E的关系，以V/m为单位。

重新整理式3，用场强形式表示EIRP：

在FCC要求的3米距离处，这个关系为：

假设FCC对315MHz的平均场强限制是6mV/m，利用式5，可以得到平均辐射功率的限制为10.8µW，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，场强大小6mV/m可以表示为15.6dBmV/m或75.6dBµV/m。另外，FCC的辐射限制在260MHz到470MHz的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，然后从一种计量单位转换到另一种。FCC规范的15.231部分规定260MHz的场强限制为3750µV/m，在470MHz处线性增加到12500µV/m。

按照式1至式5和FCC规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0dB。接收功率与辐射功率的关系如果对接收功率、辐射功率的测量单位加以限制，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：

λ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：

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。)。测量接收电压和功率表2给出了符合FCC场强限制的50Ω负载接收天线处的测量电压，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给出了同样装置下测量到的功率值，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50Ω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。实际测量考虑本文表格给出了功率和电压的测量值，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。测量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量天线的极化相匹配。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数据的情况。因为测试值满足场强限制，在对设备进行调整时并不困难。举例来说，假如一个产品的占空比允许315MHz下的峰值场强比FCC平均场强高出10dB，