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m V /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 /C m²。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=20lg U2/U2=20lg I1/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1       RR3A 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20 mW / Cm2，测量空间B 点的功率通量密度为20 wμ/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/m	1	10	102	103	104	105	106	107
dBμ	0	20	40	60	80	100	120	140

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10⁴ 2.

故有：10⁴×2=2×10⁴ =20×10³ 。因此，86dBμ即为20mV 。例五说场强仪的量程是6~126 dBμ， 何意？答：该场强仪的量程上限是2×10μV/m，或2 V/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。电场强度分贝——百分误差对照表

分贝误差dB	百分误差	分贝误差	误差		百分
o.1	1.16	-0.1		-1.14
0.2	2.32	-0.2		-2.27
0.3	3.5I	-O.3		-3.39
O.4	4.7I	-0.4		-4.50
0.5	5.93	-0.5		-5.59
0.6	7.15	-0.6		-6.67
0.7	8.39	-0.7		-7.74
0.8	9.65	-0.8		-8.41
0.9	10.92	-0.9		-9.84
1.0	12.20	-1.0		-10.87
1.5	18.85	-1.5		-15.86
2.0	25.89	-2.0		-20.56
2.5	33.35	-2.5		-25.01
3.0	41.25	-3.0		-29.20
3.5	49.62	-3.5		-33.16
4.0	58.49	-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1m W 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-87 dBm，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140 dBμ+ 40 dBμ/=80 dBμ，为什么？
答：40dBµ=100µV,40dBµ+40dBµ=200µV 201g200(µV)=46 dBµ.
例20dBm+0dBm/=0 dBm，为什么？
答:0dBm=1mW 0dBm+0dBm=2mW
101g2=3dBm。