北邮电磁场实验报告1.docx
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北邮电磁场实验报告1
信息与通信工程学院
电磁波与电磁场实验报告
北邮主楼电磁波辐射场强的研究
班级:
201221
姓名:
卢日威张心琪
学号:
201221
201221
日期:
2015.5
-5戏玄卸盘人竽
VEIJIN&tfHrawrFbfKHtl4WntLKCi«lW«:
*fiC*ll
一、实验目的3
二、实验原理3
2.1大尺度路径损耗4
2.2常用的电波传播模型4
2.2.1自由空间模型4
222布灵顿模型5
2.2.3EgLi模型5
2.2.4Hata-Okumura模型6
2.3阴影衰落6
2.4建筑物的穿透损耗7
三、实验内容7
四、数据测量8
4.1测量环境8
4.2测量注意事项144
4.3数据分析错误!
未定义书签。
4.3.1主楼1层15
4.3.2主楼3层16
4.3.3主楼5层17
4.3.4主楼7层18
五、理论分析21
六、实验总结和结论21
七、任务分工22
八、实验心得22
电磁场与电磁波・实验报告
-J
tfHrwmjt1*1Df■Oiil4HCqElttOWWLHCWiCWI
亠、实验目的
1•掌握在移动环境下阴影衰落的概念以及正确的测试方法。
2.研究北邮学6楼电磁波辐射强度的分布规律。
3.掌握在室内环境下场强的正确测试方法,理解建筑物穿透损耗的概念。
4.通过实地测量和撰写实验报告,加深对电磁场和电磁波基础知识的理解,培养严谨
治学的研究态度,提高对实验数据的分析和处理能力。
1、实验原理
无线通信系统有发射机、发射天线、无线信道、接收机、接收天线所组成。
对于接收者,只有处在发射信号的覆盖区域内,才能保证接收机正常接收信号,此时,电波场强大于等于
发射天线
发射机
接收机的灵敏度。
因此,基站的覆盖区的大小,是无限工程师所关心的。
决定覆盖区的大小的主要因素有:
发射功率、馈线及接头损耗、天线增益、天线架设高度、路径损耗、衰落、接收机高度、人体效应、接收机灵敏度、建筑物的穿透损耗、同波、同频干扰。
lenw-imraun1bfti£cOii**Lwcwi0*ii
2.1大尺度路径损耗
在移动通信系统中,路径损耗是影响通信质量的一个重要因素。
大尺度平均路径损耗:
用于测量发射机与接收机之间信号的平均衰落,即定义为有效发
射功率和平均接收功率之间的(dB)差值,根据理论和测试的传播模型,无论室内还是室
外信道,平均接收信号功率随距离对数衰减,这种模型已被广泛使用。
对于任意的传播距离,
大尺度平均路径损耗表示为:
PL(d)[dB]PL(do)10nlg(d/d。
)(n依赖于具体的传输环境)
即平均接收功率为:
P(d)[dBm]R[dBm]PL(d。
)10nlg(d/d。
)Pr(dg)[dBm]10nlg(d/d。
)
其中,n为路径损耗指数,表明路径损耗随距离增长的速度;d0为近地参考距离;d为
发射机与接收机(T-R)之间的距离。
公式中的横岗表示给定值d的所有可能路径损耗的综
合平均。
坐标为对数一对数时,平均路径损耗或平均接收功率可表示为斜率10ndB/10倍程
的直线。
n值依赖于特定的传播环境。
例如在自由空间,n为2,当有阻挡物时,n比2大。
决定路径损耗大小的首要因素是距离,此外,它还与接收点的电波传播条件密切相关。
为此,我们引进路径损耗中值的概念。
中值是使实测数据中一半大于它而另一半小于它的一
个数值(对于正态分布中值就是均值)。
人们根据不同的地形地貌条件,归纳总结出各种电
波传输模型。
下边介绍几种常用的描述大尺度衰落的模型。
2.2常用的电波传播模型
2.2.1自由空间模型
自由空间模型假定发射天线和接收台都处在自由空间。
我们所说的自由空间一是指真空,二是指发射天线与接收台之间不存在任何可能影响电波传播的物体,电波是以直射线的
方式到达移动台的。
自由空间模型计算路径损耗的公式是:
Lp10lgR/Pr32.420lgd20lgf
其中Lp是以dB为单位的路径损耗,d是以公里为单位的移动台和基站之间的距
离,f是以MHz为单位的移动工作频点或工作频段的频率。
空气的特性近似为真空,因此当发射天线和接收天线距离地面都比较高时,可以近似使
用自由空间模型来估计路径损耗。
裁恆iiifof*hottifcowwtHc^iQNi
222布灵顿模型
布灵顿模型假设发射天线和移动台之间是理想平面大地,并且两者之间的距离d远
大于发射天线的高度ht或移动台的高度hr。
布灵顿模型的出发角度是接收信号来自于电波的直射和一次反射,也被叫做“平面大地模型”。
该模型的路径损耗公式为:
Lp12040lgd20lgh,20lghr
单位:
d(km)ht(m)hr(m)Lp(dB)
系统设计时一般把接收机高度按典型值hr=1.5m处理,这时的路径损耗计算公式为:
Lp116.540lgd20lgh,
按自由空间模型计算时,距离增加一倍时对应的路径损耗增加6dB,按布灵顿模
型计算时,距离增加一倍时对应的路径损耗要增加12dB。
2.2.3EgLi模型
前述的2个模型都是基于理论计算分析得出的计算公式。
EgLi模型则是从大量实测
结果中归纳出来的中值预测模型,属于经验模型。
其路径损耗公式为:
Lp8840lg(d)20lg(ht)20lg(hr)20lg(f)G
单位:
d(km)ht(m)hr(m)f(MHz)G(dB)Lp
(dB)
其中G是地下修复因子,G反映了地形因素对路径损耗的影响。
EgLi模型认为路径损耗同接收点的地形起伏程度h有关,地形起伏越大,则路径损耗也越大。
当h用米来测
量时,可按下式近似的估计地形的影响:
0
h15m
G2.43(1
*)
h
15m
150MHz频段
2.43(1
*)
h
15m
150MHz频段
若将移动台的典型高度值hr=1.5m,代入
EgLi
模型则有
:
Lp84.5
40lgd
20lght20lg
fG
224Hata-Okumura模型
该模型也是依据实测数据建立的模型,属于经验模型。
当hr=1.5m时,按此模型计
算的路径损耗为:
市区:
Lp1
69.5526.2lgf
13.82lght
(44.96.55lght)lgd
开阔地:
Lp2
Lp14.78(lgf)2
18.33lgf
40.94
单位:
d(km)ht(
m)f(MHz)
Lp(dB)
一般情况下,
开阔地的路径损耗要比市区小。
2.3阴影衰落
在无线信道里,造成慢衰落的最主要原因是建筑物或其他物体对电波的遮挡。
在测量过
程中,不同测量位置遇到的建筑物遮挡情况不同,因此接收功率不同,这样就会观察到衰落
现象,由于这种原因造成的衰落也叫“阴影衰落”或“阴影效应”。
在阴影衰落的情况下,
移动台被建筑物遮挡,它收到的信号是各种绕射、反射、散射波的合成。
所以,在距基站距离相同的地方,由于阴影效应的不同,它们收到的信号功率有可能相差很大,理论和测试表
明,对任意的d值,特定位置的接收功率为随机对数正态分布即:
Pr(d)[dBm]Pr(d)[dBm]XPr(d°)[dBm]10nlog(d/d。
)X
其中,X为均值为0的高斯分布随机变量,单位为dB,标准差为,单位也是dB。
对数正态分布描述了在传播路径上,具有相同T-R距离时,不同的随机阴影效应。
这样
利用高斯分布可以方便地分析阴影的随机效应。
正态分布的概率密度函数是:
(xm)2
f(x)=e22
“22
应用于阴影衰落时,上式的x表示某一次测量得到的接收功率,m表示以dB表示的接
收功率的均值或中值,表示接收功率的标准差,单位为dB。
阴影衰落的标准差同地形、
建筑物类型、建筑物密度有关,在市区的150MHz频段其典型值是5dB.
除了阴影衰落外,大气变化也会导致慢衰落。
比如一天中的白天、夜晚,一年中的春夏
秋冬,天晴时、下雨时,即使在同一地点上,也会观察到路径损耗的变化。
但在测量的无线信道中,大气变化造成的影响要比阴影效应小的多。
下表列出了阴影衰落分布的标准差,其中的s(dB)是阴影效应的标准差。
表1阴影衰落分布的标准差
S(dB)
频率(MHZ)
准平坦地形
不规则地形h(米)
城市
郊区
50
150
300
150
3.5~5.5
4~7
9
11
13
450
6
7.5
11
15
18
900
6.5
8
14
18
21
2.4建筑物的穿透损耗
建筑物的穿透损耗的大小对于研究室内无线信道具有重要意义。
穿透损耗也称为大楼效应,一般是指建筑物一楼内的中值电场强度和室外附近街道上中值电场强度dB之
差。
发射机位于室外,接收机位于室内,电波从室外进入室内,产生建筑物的穿透损耗,
由于建筑物存在屏蔽和吸收作用,室内场强一定小于室外的场强,造成传输损耗。
室外至室内建筑物的穿透损耗定义为:
室外测量的信号平均场强减去在同一位置室内测量的信号平均场强。
用公式表示为:
…1N(outside)1M(inside)
PPP
Ni1iMj1j
P是穿透损耗,单位dB,Pj是在室内所测得每一点的功率,单位dBV,共M
个点,P是在室外所测得每一点的功率,单位dBV,共N个点。
[、实验内容
利用DS1131场强仪,实地测量信号场强
1•研究具体现实环境下阴影衰落分布规律,以及具体的分布参数如何。
2.研究在北邮主楼楼内电磁波传播规律与现有模型的吻合程度,测试值与模型预测值
的预测误差如何。
3.研究北邮主楼中电磁波传播与随着楼层的变化规律。
习ISPUNatfMMiWf1?
0>吃村4M>^IfCOWWCtWII
四、数据测量
4.1测量环境
我们选择在北京邮电大学主楼进行室内信号的测量。
选择测量的频段为FM频道
106.1MHz。
测量时间为周日早上8:
00到10:
00,此时楼内人的走动较少,门的开关也很少,室内环境比较稳定,比较适合我们的测量。
根据测定要求,每半个波长测定一次数据,则对于106.1MHz而言,每个波长约为
2.8m,半个波长为1.4m,故实验时选定每正常的两步测定一个数据。
我们选择了1、3、5、7楼共4层楼进行测量。
示意图:
北侧走廊
南侧走廊
东侧走廊
西侧走廊
-5安疣卸境氏第
DfKHtl旺哄0**3<:
障10刚
测量的数据如下:
北邮主楼电磁波场强测量数据
2015.5.20
单位:
dBmw
一楼
三楼
五楼
七楼
大堂
-57.
9
电梯之间
-72.4
电梯之间
-71.2
电梯之间
-71.2
-60.
9
-72.3
-72
-71.3
-57.
9
-71.9
-73.1
-70.6
-64.
7
-71.4
-72.4
-70.6
-68
-72
-73.5
-69.9
-65.
2
-72.5
-74.3
-69.3
-70.
5
-72.4
-73.2
-69.5
-69.
1
-72.1
-70.2
-69.8
-70.
5
-72.3
-70.6
-69.5
电梯之间
-70.
2
-70.8
-70.4
-71.4
-71.
3
-71.1
-70
-70.8
-71.
4
-71.8
-68.2
-71.6
-71.
7
-72.5
-66.5
-70.4
-70.
8
-72.8
-69.2
-68.3
-71.
6
-72.3
-68.6
-68.8
-5安疣卸境人竽
机Df*0(1nElt -63. 9 -72 -69.1 -67.6 -65. 2 -72.3 -69.7 -69.1 -65. 9 -72.5 -69.3 -68.2 -65. 5 西北角 -61.3 -70.5 -69.4 -62. 5 -66.2 -69.6 -68.9 东侧走廊向南走 -72. 4 -60.5 -70.2 -71.3 -71. 6 -60.4 -71.1 西北角 -55.5 -72. 1 北侧向东 -60.1 -71.4 -53.1 -69. 9 -60.7 -70.5 -56.1 -70. 5 -61.9 -71.2 -53.2 -70. 9 -63.2 -70.8 北侧向东 -59.6 南侧走廊向西走 -71. 2 -63.8 -70.6 -58.5 -73 -69.4 -70.4 -61.9 -70. 5 -70.9 西北角 -59.2 -63.1 -70. 6 -70.1 -54.8 -67.2 -71. 4 -71.3 -57.8 -66.8 -72. 1 -69.8 -61.5 -59.4 -67. 8 -71.6 -65.3 -55.6 -66. 2 -70.2 北侧向东 -57.9 -65.1 -67 -69.9 -56.2 -66.7 西侧走廊向北走 -71. 6 -70.6 -59.7 -57.9 -72. 9 -67.5 -62.7 -50.6 -66. -65.3 -60.2 -49.5 -5安疣卸愛人号 机庁礙.wPOflil4HOfll£€Oi«lw■: WKWI 6 -66. 3 -66.5 -57.9 -50.2 -71. 9 -70.6 -58.8 -53.4 -70. 4 东北角 -65.3 -64.9 东北角 -66.1 -70. 7 -64.8 -67.2 -61.1 -73. 1 -65.2 -62.4 -58 -68. 5 -65.9 -63.1 -60.9 -68. 6 东侧向南 -65.3 -59.6 -61.7 -66. 2 -67.2 -65.6 东侧向南 -54.5 -74. 8 -66.1 -64.5 -56.7 -71. 8 -68.3 东北角 -66.2 -62.1 北侧走廊向东走 -72. 5 -67.9 -68.5 -61.6 -73. 2 -70.1 -64.9 -58.1 -73. 8 -66.5 东侧向南 -63.4 -65.1 -68. 1 -65.9 -64.8 -64.3 -69. 6 -66.2 -61.3 -59.6 -70. 3 -68.3 -64.1 -61.2 -72. 1 -70.3 -63.6 -68.8 -71. 8 -68.5 -65.7 -63.2 -73. 1 -71.1 -62.7 -62.3 -73. 8 -69.6 -63.8 -65.4 -72. 6 -69.3 -66.5 -69.7 -74 -65.3 -65.7 -65.1 -68 -63.5 -63.7 -71.6 -61.6 -57.6 -66.6 -62.3 -54.3 -64.8 -65.1 -58.1 -68.3 -62.6 -63.2 -69.2 -65.8 -67.5 -73.4 -69.5 -62.9 -63.5 -64.6 -57.2 -62 -59.1 -55.1 -62.3 -61.9 -53.4 -62.6 -62.5 -67.9 -63 -62.4 -60.2 -60.1 -65.1 东南角 -60.8 -60 -64.1 -50.8 -57.1 -58.3 -58 -57.7 -60.1 -49.5 -59.5 -58.9 -52.3 东南角 -61.3 -55.2 -52.2 -61.2 -62.1 南侧向西 -46.1 -57.5 -63.3 -50.9 -56.1 东南角 -56.9 -41.4 -58 -58.1 -42.3 南侧向西 -61.7 -61.9 -45.2 -59.5 -65.2 -54.1 -65.2 -56.6 -51.2 -64.8 南侧向西 -55.2 -51.5 -66.5 -53.4 -51.9 -68.5 -52.8 -52.1 -63.3 -45.9 -56.2 -62.8 -47.8 -56.9 -65.1 -57.1 -52.4 -68.1 -68.1 -54.3 -64.9 -55.4 -51.8 -61.7 -53.7 -52.9 -61.9 -55.3 西南角 -53.7 -65.1 -56.2 -48.9 -64.3 -59.8 -52.1 -64.8 -58.1 -47.6 西南角 -60.8 -49.2 西侧向北 -55.4 -64.1 -50.8 -57.2 -65.8 西南角 -57.1 -56.4 -63.1 -69.3 -60.2 -66.4 -58.4 -54.5 -64.7 -56.2 -55.1 西侧向北 -64.3 -56.4 -67.1 -68.7 -59.1 -53.7 -62.3 西侧向北 -60.2 -60.3 -62.8 -64.1 -59.6 -64.6 -64.9 -64.7 -61.8 -64.2 -62.1 -60.6 -64.3 门 -67.1 -64.4 -60.7 -60.9 -70.8 -67.6 -62.9 -67.1 -61.9 -71.1 -65.7 -58.3 -71.6 -65.8 -62.9 -61.4 -69.3 -61.9 -66.7 -67.5 -55.8 -60.2 -70.1 -57.3 -58.7 -61.3 -64.4 -59.1 -64.3 -61.7 -63.7 -65.6 -60.6 -58.9 -63.4 -65.3 -59.3 -62.3 -66.2 -57.5 -62.7 -70.4 -65.4 -63.7 -65.3 -56.4 -70.3 -62.1 -50.2 -66.8 -68.8 -52.3 -64.3 -61.4 -56.6 -62.6 -63.3 -54.6 -65.6 -64.5 -56.1 -66.3 -64.8 -57.5 -65.8 -67.3 -61.5 -66.6 -59.3 -66.1 -61.2 -61.4 -66.3 -62.8 -62.5 -68.3 -55.7 -62.7 -56.2 -59.6 -53.8 -58.1 -53.6 -61.6 -55.7 -65.3 -5安疣卸境人号 IEIJN&tfHW
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