应用笔记 3815

UHF ISM波段发射器的辐射功率和场强测试


摘要 : 工作在工业、科学及医疗(ISM)波段,频率范围为260MHz至470MHz的近距离无线通信已广泛用于遥控无钥匙门禁系统(RKE)、家庭安防和遥控装置。无线发射器的一个关键参数是通过天线发射的功率,该功率必须足够大,以保证发射到接收链路的可靠性,但是,这个功率还必须限制在FCC规范15.231部分规定的辐射功率以内。本文讨论了在260MHz到470MHz频率范围内,FCC规范对场强的要求和接收机测试的典型指标,表格中列出了现场测试的数据。

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)。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:

式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260MHz至470MHz ISM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。

式2

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。

式3

重新整理式3,用场强形式表示EIRP:

式4

在FCC要求的3米距离处,这个关系为:

式5

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。

表1. EIRP与FCC规范15.231部分的平均场强限制
Frequency MHz Field Strength µV/meter Field Strength dBµV/meter EIRP mW EIRP dBm
260 3750 71.5 0.004 -23.7
265 3958 72.0 0.005 -23.3
270 4167 72.4 0.005 -22.8
275 4375 72.8 0.006 -22.4
280 4583 73.2 0.006 -22.0
285 4792 73.6 0.007 -21.6
290 5000 74.0 0.007 -21.1
295 5208 74.3 0.008 -20.9
300 5417 74.7 0.009 -20.6
305 5625 75.0 0.009 -20.2
310 5833 75.3 0.010 -19.9
315 6042 75.6 0.011 -19.6
320 6250 75.9 0.012 -19.3
325 6458 76.2 0.013 -19.0
330 6667 76.5 0.013 -18.8
335 6875 76.7 0.014 -18.5
340 7083 77.0 0.015 -18.2
345 7292 77.3 0.016 -18.0
350 7500 77.5 0.017 -17.7
355 7708 77.7 0.018 -17.5
360 7917 78.0 0.019 -17.3
365 8125 78.2 0.020 -17.0
370 8333 78.4 0.021 -16.8
375 8542 78.6 0.022 -16.6
380 8750 78.8 0.023 -16.4
385 8958 79.0 0.024 -16.2
390 9167 79.2 0.025 -16.0
395 9375 79.4 0.026 -15.8
400 9583 79.6 0.028 -15.6
405 9792 79.8 0.029 -15.4
410 10000 80.0 0.030 -15.2
415 10208 80.2 0.031 -15.0
420 10417 80.4 0.033 -14.9
425 10625 80.5 0.034 -14.7
430 10833 80.7 0.035 -14.5
435 11042 80.9 0.037 -14.4
440 11250 81.0 0.038 -14.2
445 11458 81.2 0.039 -14.0
450 11667 81.3 0.041 -13.9
455 11875 81.5 0.042 -13.7
460 12083 81.6 0.044 -13.6
465 12292 81.8 0.045 -13.4
470 12500 81.9 0.047 -13.3

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:

式6

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

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(1/12π)2,或31.5dB。这个值会因接收天线增益的不同而有所变化,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RKE发射器电路板辐射-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规范的测试中,接收器通常测量的是天线处的RF电压,而不是功率。这是由于FCC需要场强测量,不是EIRP。场强单位为V/m (或mV/m或µV/m),通过测量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量其电磁兼容性,给出了一个以1/m为单位的校准常数,我们将在下面讨论这个校准常数的意义和来历,说明电压测量和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50Ω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:

式8

把上式带入式7,得到用EIRP表示的接收电压表达式(式9):

式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:

式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:

式11

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50Ω的阻抗Z0 ,η0 = 120πΩ,上式可以简化为式12:

式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是测量值,E是与FCC标准进行比较的数值。天线生产厂商进行场强测量时列出该系数,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:

式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。

用于场强测量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LPA,TDK RF Solution公司的PLP-3003,在300MHz下具有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300MHz频率下,这种天线的增益为5.6dB。

图1. 典型测量天线的系数(AF)与频率的关系曲线
图1. 典型测量天线的系数(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5417µV/m,在50Ω输入接收器处测试到的结果应该在1056µV以内。用dB表示时,74.7dBµV/m的FCC场强限制,对应于接收器的测量值为60.5dBµV,50Ω负载下的测量功率为-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,那么此时峰值场强的大小可以为19.1µV/m,或85.6dBµV/m。表2和表3种对应的电压和功率为71dBµV 、-36dBm。

测量并获得所有这些参数后,即可利用这里提供的表格确定发射器是否满足设计要求。

表2. 用FCC场强限制表示的测试到的接收器电压
Frequency MHz Field Strength µV/meter Field Strength dBµV/meter Meas. Antenna Gain Meas. Antenna Gain, dB Meas. Antenna Factor,
1/meter
Meas. Antenna Factor, dB(1/m) Meas. Recv. Voltage, µV Meas. Recv. Voltage, dBµV
260 3750 71.5 3.6 5.6 4.4 13.0 844 58.5
265 3958 72.0 3.6 5.6 4.5 13.1 874 58.8
270 4167 72.4 3.6 5.6 4.6 13.3 903 59.1
275 4375 72.8 3.6 5.6 4.7 13.4 931 59.4
280 4583 73.2 3.6 5.6 4.8 13.6 958 59.6
285 4792 73.6 3.6 5.6 4.9 13.8 984 5939
290 5000 74.0 3.6 5.6 5.0 13.9 1009 60.1
295 5208 74.3 3.6 5.6 5.0 14.1 1033 60.3
300 5417 74.7 3.6 5.6 5.1 14.2 1056 60.5
305 5625 75.0 3.6 5.6 5.2 14.3 1079 60.7
310 5833 75.3 3.6 5.6 5.3 14.5 1101 60.8
315 6042 75.6 3.6 5.6 5.4 14.6 1122 61.0
320 6250 75.9 3.6 5.6 5.5 14.8 1143 61.2
325 6458 76.2 3.6 5.6 5.6 14.9 1163 61.3
330 6667 76.5 3.6 5.6 5.6 15.0 1182 61.5
335 6875 7637 3.6 5.6 5.7 15.2 1201 61.6
340 7083 77.0 3.6 5.6 5.8 15.3 1219 61.7
345 7292 77.3 3.6 5.6 5.9 15.4 1236 61.8
350 7500 77.5 3.6 5.6 6.0 15.5 1254 62.0
355 7708 77.7 3.6 5.6 6.1 15.7 1270 62.1
360 7917 78.0 3.6 5.6 6.2 15.8 1286 62.2
365 8125 78.2 3.6 5.6 6.2 15.9 1302 62.3
370 8333 78.4 3.6 5.6 6.3 16.0 1318 62.4
375 8542 78.6 3.6 5.6 6.4 16.1 1333 62.5
380 8750 78.8 3.6 5.6 6.5 16.3 1347 62.6
385 8958 79.0 3.6 5.6 6.6 16.4 1361 62.7
390 9167 79.2 3.6 5.6 6.7 16.5 1378 62.8
395 9375 79.4 3.6 5.6 6.8 16.6 1388 62.9
400 9583 79.6 3.6 5.6 6.8 16.7 1402 62.9
405 9792 79.8 3.6 5.6 6.9 16.8 1414 63.0
410 10000 80.0 3.6 5.6 7.0 16.9 1427 63.1
415 10208 80.2 3.6 5.6 7.1 17.0 1439 63.2
420 10417 80.4 3.6 5.6 7.2 17.1 1451 63.2
425 10625 80.5 3.6 5.6 7.3 17.2 1463 63.3
430 10833 80.7 3.6 5.6 7.4 17.3 1474 63.4
435 11042 80.9 3.6 5.6 7.4 17.4 1485 63.4
440 11250 81.0 3.6 5.6 7.5 17.5 1496 63.5
445 11458 81.2 3.6 5.6 7.6 17.6 1506 63.6
450 11667 81.3 3.6 5.6 7.7 17.7 1517 63.6
455 11875 81.5 3.6 5.6 7.8 17.8 1527 63.7
460 12083 81.6 3.6 5.6 7.9 17.9 1537 63.7
465 12292 81.8 3.6 5.6 7.9 18.0 1546 63.8
470 12500 81.9 3.6 5.6 8.0 18.1 1556 63.8

表3. 用EIRP表示接收功率的测量值
Frequency MHz Field Strength
µV/meter
EIRP mW EIRP dBm Meas. Antenna Gain Meas. Antenna Gain, dB Meas. Recv. Power, µW Meas. Recv. Power, dBm
260 3750 0.004 -23.7 3.6 5.6 0.014 -48.5
265 3958 0.005 -23.3 3.6 5.6 0.015 -48.2
270 4167 0.005 -22.8 3.6 5.6 0.016 -47.9
275 4375 0.006 -22.4 3.6 5.6 0.017 -47.6
280 4583 0.006 -22.0 3.6 5.6 0.018 -47.4
285 4792 0.007 -21.6 3.6 5.6 0.019 -47.1
290 5000 0.007 -21.2 3.6 5.6 0.020 -46.9
295 5208 0.008 -20.9 3.6 5.6 0.021 -46.7
300 5417 0.009 -20.6 3.6 5.6 0.022 -46.5
305 5625 0.009 -20.2 3.6 5.6 0.023 -46.3
310 5833 0.010 -19.9 3.6 5.6 0.025 -46.2
315 6042 0.011 -19.6 3.6 5.6 0.025 -46.0
320 6250 0.012 -19.3 3.6 5.6 0.026 -45.8
325 6458 0.013 -19.0 3.6 5.6 0.027 -45.7
330 6667 0.013 -18.8 3.6 5.6 0.028 -45.5
335 6875 0.014 -18.5 3.6 5.6 0.029 -45.4
340 7083 0.015 -18.2 3.6 5.6 0.030 -45.3
345 7292 0.016 -18.0 3.6 5.6 0.031 -45.1
350 7500 0.017 -17.7 3.6 5.6 0.031 -45.0
355 7708 0.018 -17.5 3.6 5.6 0.032 -44.9
360 7917 0.019 -17.3 3.6 5.6 0.033 -44.8
365 8125 0.020 -17.0 3.6 5.6 0.034 -44.7
370 8333 0.021 -16.8 3.6 5.6 0.035 -44.6
375 8542 0.022 -16.6 3.6 5.6 0.035 -44.5
380 8750 0.023 -16.4 3.6 5.6 0.036 -44.4
385 8958 0.024 -16.2 3.6 5.6 0.037 -44.3
390 9167 0.025 -16.0 3.6 5.6 0.038 -44.2
395 9375 0.026 -15.8 3.6 5.6 0.039 -44.1
400 9583 0.028 -15.6 3.6 5.6 0.039 -44.1
405 9792 0.029 -15.4 3.6 5.6 0.040 -44.0
410 10000 0.030 -15.2 3.6 5.6 0.041 -43.9
415 10208 0.031 -15.0 3.6 5.6 0.041 -43.8
420 10417 0.033 -14.9 3.6 5.6 0.042 -43.8
425 10625 0.034 -14.7 3.6 5.6 0.043 -43.7
430 10833 0.035 -14.5 3.6 5.6 0.043 -43.6
435 11042 0.037 -14.4 3.6 5.6 0.044 -43.6
440 11250 0.038 -14.2 3.6 5.6 0.045 -43.5
445 11458 0.039 -14.0 3.6 5.6 0.045 -43.4
450 11667 0.041 -13.9 3.6 5.6 0.046 -43.4
455 11875 0.042 -13.7 3.6 5.6 0.047 -43.3
460 12083 0.044 -13.6 3.6 5.6 0.047 -43.3
465 12292 0.045 -13.4 3.6 5.6 0.048 -43.2
470 12500 0.047 -13.3 3.6 5.6 0.048 -43.2

本文发表于High Frequency,2006年11月。
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