UHF ISM波段發(fā)射器的輻射功率和場強測試

測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)范的測試中，接收器通常測量的是天線處的RF電壓，而不是功率。這是由于FCC需要場強測量，不是EIRP。場強單位為V/m (或mV/m或μV/m)，通過測量電壓并經(jīng)過校準(zhǔn)常數(shù)轉(zhuǎn)換得到V/m更加直觀。

接收天線在生產(chǎn)時為了測量其電磁兼容性，給出了一個以1/m為單位的校準(zhǔn)常數(shù)，我們將在下面討論這個校準(zhǔn)常數(shù)的意義和來歷，說明電壓測量和EIRP關(guān)系的重要性。當(dāng)接收器獲得來自天線的功率時，這個功率通常通過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式(式9)：

測試接收電壓與場強的關(guān)系

建立接收功率或接收電壓與場強的關(guān)系可以通過式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)別是功率密度由場強E表示，與式2類似：



根據(jù)式8所表達的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：



等式兩邊進行開方運算，所得接收電壓為一個系數(shù)乘以場強。多數(shù)接收器具有50Ω的阻抗Z₀ ，η0 = 120πΩ，上式可以簡化為式12：



場強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是測量值，E是與FCC標(biāo)準(zhǔn)進行比較的數(shù)值。天線生產(chǎn)廠商進行場強測量時列出該系數(shù)，稱其為天線因數(shù)(AF),規(guī)格書中這個系數(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。假如波長為1米(300MHz頻率)，天線增益為6dB，則等式13中的系數(shù)為4.87/m，或13.6dB/m。

用于場強測量的常用接收天線是對數(shù)周期陣列(LPA)天線,在測試范圍內(nèi)其增益大小與頻率無關(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對平均場強的限制_5417μV/m，在50Ω輸入接收器處測試到的結(jié)果應(yīng)該在1056μV以內(nèi)。用dB表示時，74.7dBμV/m的FCC場強限制，對應(yīng)于接收器的測量值為60.5dBμV，50Ω負(fù)載下的測量功率為-46.5dBm 。這個結(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，會由接收器收到大約-50dBm。)。

測量接收電壓和功率

表2給出了符合FCC場強限制的50Ω負(fù)載接收處的測量電壓，表2所采用的AF取自圖一對數(shù)周期陣列天線的規(guī)格書。表3給出了同樣裝置下測量到的功率值，表3所示有效輻射功率來自于符合場強限制的發(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。

實際測量考慮

本文表格給出了功率和電壓的測量值，它們是規(guī)范中場強和EIRP的函數(shù)。這些數(shù)值會因使用測試天線的不同而變化。測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)。測試環(huán)境中，特別是來自地面的反射，能夠造成接收電壓發(fā)生顯著變化(多達6dB)。需要校準(zhǔn)地面反射，可以使用另一個參考天線，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)，因為封裝、測試裝置、同軸電纜的地屏蔽層都會引起方向性的變化。

這些表格中的場強大小參照了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。因為測試值滿足場強限制，在對設(shè)備進行調(diào)整時并不困難。舉例來說，假如一個產(chǎn)品的占空比允許315MHz下的峰值場強比FCC平均場強高出10dB，那么此時峰值場強的大小可以為19.1μV/m，或85.6dBμV/m。表2和表3種對應(yīng)的電壓和功率為71dBμV 、-36dBm。

測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)計要求。

表2. 用FCC場強限制表示的測試到的接收器電壓