电磁干扰场强单位及其换算

中国计量科学研究院  杨盛祥
北京成功信息处理有限公司  杨秀薇
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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，又有分贝制导出单位。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mV／m、V／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、A／m等单位表示之。
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，因其工作频率范围极宽，从260kHz～26GHz，故测试电路中实现、较为方便。因此，大多采用功率通量密度测量，并以mW／cm2为表头刻度单位。
场强仪测得的功率通量密度值是Poynting矢量模的时间平均值，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。
二、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mV／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，
(1)
在自由空间中，Z0=120π≈ 376.7Ω 代入上式后可得：
(2)
式中，E单位为V／m，s单位为mW／cm2。
值得指出的是：通常A、B波段（10kHz～30MHz）的干扰场强测量仪（例如德国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。
三、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(甚至达千百万倍的信号)。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
                  　　　(3)
鉴于，因此上述表达式 (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RAHAM4A型全向宽带场强仪测量空间A点的功率通量密度为20mW／cm2：，测量空间B点的功率通量密度为20μW／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 V（分贝伏，1V＝0dBV）；或dBmV（分贝毫伏，1mV＝0dBmV）。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l.给出电场强度与dBμV／m的对应关系。
表1.   电场强度与dBμV／m的对应关系
E(μV／m)
100
101
102
103
104
105
106
107
dBμ
0
20
40
60
80
100
120
140
例4．说某干扰电压值为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l04×2＝2×104＝20×103。因此，86dBμ即为20mV。
例5．说某场强仪的量程是6～126dBμV，何意？
答：该场强仪的量程上限是2×106μV／m，或2V／m。量程下限为2× 100μV／m，即2μV。
3．用分贝表示电压或场强的误差大小。
例6．某场强标准装置的不确定度为±1dB，对应的百分误差是多少7
答：不确定度±dB意味着百分误差为＋12.2％、－10.87％。
例7．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.为电场强度分贝误差与百分误差对照表。供大家引用参考。
表2. 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
dB
百分误差
％
0.1
1.16
－0.1
－1.14
0.2
2.32
－0.2
－2.27
0.3
3.51
－0.3
－3.39
0.4
4.71
－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
－8.14
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
四、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MS260lA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他功能发展而成的。其电压显示单位多为dBm，亦有用dBμ的。另外，从国外引进的合成信号发生器中，有的只标有dBm单位(如Fluke6060B)。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1mW的功率。由此可见，采用dBm既可表示很小的功率，亦可表示很大的功率。
PdBm＝10lgPmw                           (6)
例8 功率信号发生器XG26，最小输出功率10-8mW，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dBW(分贝瓦)这个单位。其定义为：
PdBm＝10lgPw　　                          (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
0 dBW＝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
                     (10)
代入P＝1mw＝10-3W，可得UμV：
＝223606.7978
其dBμ值为
UdBμ＝20lg223606.7978＝106.9897≈107
例9.用频谱仪测得干扰电压为－87dBm，它等于多少？
答：  －87＋107＝20dBμ， 即10μV。
五、绝对分贝的加减问题
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1. 40dBμ＋40 dBμ≠80dBμ，为什么?
答： 40dBμ＝100μV，40dBμ＋40 dBμ＝200μV。
20lg200(μV)＝46 dBμ。
例2. 0dBμ＋0 dBμ≠0dBμ，为什么?
答： 0dBμ＝1mW， 0dBμ＋0 dBμ＝2mW
10lg2＝3dBm。