UHF ISM波段發(fā)射器的輻射功率和場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試

工作在工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)療(ISM)波段，頻率范圍為260MHz至470MHz的近距離無(wú)線通信已廣泛用于遙控?zé)o鑰匙門(mén)禁系統(tǒng)(RKE)、家庭安防和遙控裝置。無(wú)線發(fā)射器的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)是通過(guò)天線發(fā)射的功率，該功率必須足夠大，以保證發(fā)射到接收鏈路的可靠性，但是，這個(gè)功率還必須限制在FCC規(guī)范15.231部分規(guī)定的輻射功率以?xún)?nèi)。本文討論了在260MHz到470MHz頻率范圍內(nèi)，F(xiàn)CC規(guī)范對(duì)場(chǎng)強(qiáng)的要求和接收機(jī)測(cè)試的典型指標(biāo)，表格中列出了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的數(shù)據(jù)。

概述

通常，工作在260MHz至470MHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療頻段(ISM)的發(fā)射天線都非常小，只能輻射發(fā)射機(jī)功率放大器輸出功率的一小部分。由此看來(lái)，對(duì)于發(fā)射功率的測(cè)量非常重要。具體的測(cè)量工作十分復(fù)雜，因?yàn)镕CC規(guī)范的15.231部分規(guī)定了距離發(fā)射器3米處的場(chǎng)強(qiáng)(V/m)限制。另外，接收天線的放置以及測(cè)量中使用的接收單元都會(huì)影響輻射功率的測(cè)量。

本文將解釋輻射功率與場(chǎng)強(qiáng)以及測(cè)量接收器的關(guān)系。表格中給出了260MHz至470MHz頻段的FCC場(chǎng)強(qiáng)要求與輻射功率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并給出了接收機(jī)測(cè)量的典型參數(shù)。通過(guò)上述關(guān)系可以了解一些轉(zhuǎn)換因數(shù)，用戶能夠確定對(duì)接收器的測(cè)量結(jié)果是否表明發(fā)射器已接近其輻射功率的限制。

場(chǎng)強(qiáng)與輻射功率的關(guān)系

天線發(fā)射功率向四周(球形)擴(kuò)展，如果天線具有方向性，功率沿著傳播方向的變化符合其增益G(Θ, Φ), (Θ, Φ)表達(dá)式，在半徑為R的球體上的任意一點(diǎn)，以瓦/平方米為單位的功率密度(PD)由式1給出：



這個(gè)等式簡(jiǎn)單地表示為發(fā)射功率除以半徑為R的球面面積。增益符號(hào)，G_T，沒(méi)有角度變化。因?yàn)樵?60MHz至470MHz ISM頻段使用的絕大多數(shù)天線與工作波長(zhǎng)相比非常小，其模板不會(huì)隨方向急劇變化。因?yàn)樘炀€是效率很低的輻射體，增益非常小，基于這種原因，P_T和G_T相乘用來(lái)表示發(fā)射器和天線結(jié)合后的等效全向輻射功率(EIRP)。EIRP表示可以從理想的全向天線發(fā)射的功率。

距離發(fā)射器R處的功率密度同樣可以表示為輻射信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)E的平方除以η₀表示的自由空間的阻抗(式2)，η₀的大小為120πΩ，或377Ω。



從上述兩個(gè)等式可以得出EIRP，P_TG_T與場(chǎng)強(qiáng)E的關(guān)系，以V/m為單位。



重新整理式3，用場(chǎng)強(qiáng)形式表示EIRP：



在FCC要求的3米距離處，這個(gè)關(guān)系為：



假設(shè)FCC對(duì)315MHz的平均場(chǎng)強(qiáng)限制是6mV/m，利用式5，可以得到平均輻射功率的限制為10.8μW，或-19.7dBm。

從場(chǎng)強(qiáng)到EIRP的轉(zhuǎn)換更加復(fù)雜，因?yàn)橛行┪臋n用對(duì)數(shù)或dB形式表示場(chǎng)強(qiáng)。在上面的例子中，場(chǎng)強(qiáng)大小6mV/m可以表示為15.6dBmV/m或75.6dBμV/m。

另外，F(xiàn)CC的輻射限制在260MHz到470MHz的頻帶范圍內(nèi)隨頻率而變化，這種變化意味著對(duì)于每種頻率，都需要按照FCC要求計(jì)算出場(chǎng)強(qiáng)大小，然后從一種計(jì)量單位轉(zhuǎn)換到另一種。FCC規(guī)范的15.231部分規(guī)定260MHz的場(chǎng)強(qiáng)限制為3750μV/m，在470MHz處線性增加到12500μV/m。

按照式1至式5和FCC規(guī)范對(duì)平均場(chǎng)強(qiáng)的限制得到表1所示結(jié)果，表1中的數(shù)據(jù)以5MHz頻率為間隔提供了場(chǎng)強(qiáng)規(guī)格的多種表達(dá)形式。發(fā)射天線的增益假設(shè)為0dB。

表1. EIRP與FCC規(guī)范15.231部分的平均場(chǎng)強(qiáng)限制

接收功率與輻射功率的關(guān)系

如果對(duì)接收功率、輻射功率的測(cè)量單位加以限制，從接收到發(fā)射之間的功率關(guān)系將很容易理解，這是通信系統(tǒng)中計(jì)算空間損耗的基礎(chǔ)。

從在一定距離R處的功率密度開(kāi)始(式1)，在這個(gè)距離處天線的接收功率是功率密度乘以接收天線的有效面積，天線的有效面積由式6定義：



λ為發(fā)射波長(zhǎng)，用接收天線的有效面積乘以式1表示的密度，可以得到自由空間的損耗計(jì)算公式：



式7表明：如果接收天線的增益保持均勻(采用小尺寸天線，四分之一波長(zhǎng))，對(duì)于增益均勻的接收天線，頻率為300MHz (對(duì)應(yīng)于1米波長(zhǎng))、3米處的功率損耗大概是(1/12π)²，或31.5dB。這個(gè)值會(huì)因接收天線增益的不同而有所變化，變化范圍在25dB到35dB，這一步驟對(duì)于首先確認(rèn)發(fā)射器、天線和測(cè)試裝置是否合理很重要。例如，如果希望RKE發(fā)射器電路板輻射-20dBm的功率，就應(yīng)該在3米處與接收天線相連的頻譜分析儀上看到略小于-50dBm的功率，假設(shè)接收天線保持均勻的增益。

測(cè)試接收電壓與輻射功率的關(guān)系

在許多旨在證明符合FCC規(guī)范的測(cè)試中，接收器通常測(cè)量的是天線處的RF電壓，而不是功率。這是由于FCC需要場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量，不是EIRP。場(chǎng)強(qiáng)單位為V/m (或mV/m或μV/m)，通過(guò)測(cè)量電壓并經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)常數(shù)轉(zhuǎn)換得到V/m更加直觀。

接收天線在生產(chǎn)時(shí)為了測(cè)量其電磁兼容性，給出了一個(gè)以1/m為單位的校準(zhǔn)常數(shù)，我們將在下面討論這個(gè)校準(zhǔn)常數(shù)的意義和來(lái)歷，說(shuō)明電壓測(cè)量和EIRP關(guān)系的重要性。當(dāng)接收器獲得來(lái)自天線的功率時(shí)，這個(gè)功率通常通過(guò)50Ω的負(fù)載電阻Z₀轉(zhuǎn)變成電壓，接收電壓和接收功率的關(guān)系由式8表示：



把上式帶入式7，得到用EIRP表示的接收電壓表達(dá)式(式9)：

測(cè)試接收電壓與場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系

建立接收功率或接收電壓與場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系可以通過(guò)式6、式7完成。將功率密度和接收天線的有效面積相乘，式10中的唯一區(qū)別是功率密度由場(chǎng)強(qiáng)E表示，與式2類(lèi)似：



根據(jù)式8所表達(dá)的P_R和接收電壓的關(guān)系，推導(dǎo)出式11，V_R和E之間的關(guān)系為：



等式兩邊進(jìn)行開(kāi)方運(yùn)算，所得接收電壓為一個(gè)系數(shù)乘以場(chǎng)強(qiáng)。多數(shù)接收器具有50Ω的阻抗Z₀ ，η0 = 120πΩ，上式可以簡(jiǎn)化為式12：



場(chǎng)強(qiáng)E與接收電壓V_R的關(guān)系系數(shù)通常用E和V_R之比表示，這是由于V_R是測(cè)量值，E是與FCC標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較的數(shù)值。天線生產(chǎn)廠商進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量時(shí)列出該系數(shù)，稱(chēng)其為天線因數(shù)(AF),規(guī)格書(shū)中這個(gè)系數(shù)與頻率有關(guān)。

由式12的得到天線系數(shù)如下所示：



式13的單位用1/m或以20 log₁₀ [V/m/V]，dB表示。天線增益用功率增益表示，所以6dB的天線增益系數(shù)為4，10dB的天線增益系數(shù)為10。假如波長(zhǎng)為1米(300MHz頻率)，天線增益為6dB，則等式13中的天線系數(shù)為4.87/m，或13.6dB/m。

用于場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量的常用接收天線是對(duì)數(shù)周期陣列(LPA)天線,在測(cè)試范圍內(nèi)其增益大小與頻率無(wú)關(guān)。這意味著天線因數(shù)隨頻率線性增加。典型的LPA，TDK RF Solution公司的PLP-3003，在300MHz下具有14.2dB的天線系數(shù)，或5.1/m，天線系數(shù)與頻率的關(guān)系如圖1所示。按照式13，在300MHz頻率下，這種天線的增益為5.6dB。


圖1. 典型測(cè)量天線的系數(shù)(AF)與頻率的關(guān)系曲線

根據(jù)式13和圖1，為了滿足300MHz下FCC對(duì)平均場(chǎng)強(qiáng)的限制_5417μV/m，在50Ω輸入接收器處測(cè)試到的結(jié)果應(yīng)該在1056μV以?xún)?nèi)。用dB表示時(shí)，74.7dBμV/m的FCC場(chǎng)強(qiáng)限制，對(duì)應(yīng)于接收器的測(cè)量值為60.5dBμV，50Ω負(fù)載下的測(cè)量功率為-46.5dBm 。這個(gè)結(jié)果和前面的功率損失估算一致(由此，我們得到發(fā)射端-20dBm的EIRP信號(hào)，會(huì)由接收器收到大約-50dBm。)。

測(cè)量接收電壓和功率

表2給出了符合FCC場(chǎng)強(qiáng)限制的50Ω負(fù)載接收天線處的測(cè)量電壓，表2所采用的AF取自圖一對(duì)數(shù)周期陣列天線的規(guī)格書(shū)。表3給出了同樣裝置下測(cè)量到的功率值，表3所示有效輻射功率來(lái)自于符合場(chǎng)強(qiáng)限制的發(fā)射器和天線，空間損耗和接收天線增益決定50Ω負(fù)載上的功率。兩個(gè)表格中的結(jié)果一致。這些表格為短波UHF發(fā)射器的設(shè)計(jì)者和使用者提供了參考，幫忙確定系統(tǒng)是否滿足FCC要求，是否能夠提供所需功率。

實(shí)際測(cè)量考慮

本文表格給出了功率和電壓的測(cè)量值，它們是規(guī)范中場(chǎng)強(qiáng)和EIRP的函數(shù)。這些數(shù)值會(huì)因使用測(cè)試天線的不同而變化。測(cè)量中還需要參考校正系數(shù)，考慮電纜損耗、失配損耗等，這些因素與頻率有關(guān)。測(cè)試環(huán)境中，特別是來(lái)自地面的反射，能夠造成接收電壓發(fā)生顯著變化(多達(dá)6dB)。需要校準(zhǔn)地面反射，可以使用另一個(gè)參考天線，通常為偶極子天線，輻射天線的極化需要盡可能與測(cè)量天線的極化相匹配。需考慮輻射設(shè)備的方向模板，即使輻射天線尺寸非常小(小于1/6波長(zhǎng))，因?yàn)榉庋b、測(cè)試裝置、同軸電纜的地屏蔽層都會(huì)引起方向性的變化。

這些表格中的場(chǎng)強(qiáng)大小參照了FCC規(guī)范允許的平均功率限制，假如傳輸持續(xù)時(shí)間、占空比符合某些限制條件，輻射峰值功率限制在20dB左右。因此，設(shè)計(jì)人員需要特別注意明顯高于表格中所列數(shù)據(jù)的情況。因?yàn)闇y(cè)試值滿足場(chǎng)強(qiáng)限制，在對(duì)設(shè)備進(jìn)行調(diào)整時(shí)并不困難。舉例來(lái)說(shuō)，假如一個(gè)產(chǎn)品的占空比允許315MHz下的峰值場(chǎng)強(qiáng)比FCC平均場(chǎng)強(qiáng)高出10dB，那么此時(shí)峰值場(chǎng)強(qiáng)的大小可以為19.1μV/m，或85.6dBμV/m。表2和表3種對(duì)應(yīng)的電壓和功率為71dBμV 、-36dBm。

測(cè)量并獲得所有這些參數(shù)后，即可利用這里提供的表格確定發(fā)射器是否滿足設(shè)計(jì)要求。

表2. 用FCC場(chǎng)強(qiáng)限制表示的測(cè)試到的接收器電壓