UHF ISM波段发射器的辐射功率和场强测试

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：



把上式带入式7，得到用EIRP表示的接收电压表达式(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：



根据式8所表达的P_R和接收电压的关系，推导出式11，V_R和E之间的关系为：



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：



场强E与接收电压V_R的关系系数通常用E和V_R之比表示，这是由于V_R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

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