北邮电磁场与电磁波测量实验报告4场强特性

北京邮电大学电磁场与电磁波测量实验实验报告实验内容：无线信号场强特性的研究学院：电子工程学院班级：2010211203班组员：崔宇鹏张俊鹏章翀2013年5月9日一、实验目的1.通过实地测量校园内室内外的无线电信号场强值，掌握室内外电波传播的规律。2.熟悉并掌握无线电中的传输损耗，路径损耗，穿透损耗，衰落等概念。3.熟练使用无线电场强仪测试空间电场强的方法。4.学会对大量数据进行统计分析，并得到相关传播模型。二、实验原理1、电波传播方式电磁场在空间中的传输方式主要有反射、绕射、散射三种模式。当电磁波传播遇到比波长大很多的物体时，发生反射。当接收机和发射机之间无线路径被尖锐物体阻挡时发生绕射。当电波传播空间中存在物理尺寸小于电波波长的物体、且这些物体的分布较密集时，产生散射。散射波产生于粗糙表面，如小物体或其它不规则物体、树叶、街道、标志、灯柱。2、无线信道中信号衰减无线信道中的信号衰减氛围衰落，路径损耗，建筑物穿透损耗。此外还有多径传播的影响。移动环境下电波的衰落包括快衰落和慢衰落（又叫阴影衰落），快衰落的典型分布为Rayleigh分布或Rician分布；阴影衰落的典型分布为正态分布，即高斯分布。快衰落和慢衰落两者构成移动通信系统中接收信号不稳定因素。路径损耗：测量发射机和接收机之间信号的平均衰落。即定义为有效发射功率（Pt）和平均接收功率（Pr）之差（dB）。距离是决定路径损耗大小的首要因素；除此之外，还与接收点的电波传播条件密切相关。人们根据不同的地形地貌条件，总结出各种电波传播模型：自由空间模型，布林顿模型，Egli模型，Hata-Okumura模型。建筑物的穿透损耗是指建筑物外测量的信号的中值电场强度和同一位置室内测量的信号中值电场强度之差（dB）。建筑物穿透损耗的大小同建筑物的材料、结构、高度、室内陈设、工作频率等多种因素有关。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：()()1111NMoutsideinsideijiiPPPNMP为穿透损耗（单位：dB），jP是在室内所测的每一点的功率（单位：dBuv），共M个点，iP是在室外所测的每一点的功率（单位：dBuv），共N个点。三、实验内容与结果分析实验中我们观测波段中心频率为300MHz，各项实验对应的地点如下表1所示。空间开放区域风雨操场室内第六学生公寓建筑物的遮挡主楼前广场建筑物内外主楼内外表1实验项目对应地点1.空间开放区域第一组数据在空间开放区域，地点选择在风雨操场，每半个波长（约0.5m）选择一个数据。在风雨操场沿南北方向测量信号强度的变化，测量数据如下表2所示（单位：dBv）。表2空间开放区域测量数据表根据表中数据，绘制相应的折线统计图如图1所示。图1空间开放区域折线统计图从表中数据与上图可以看出，在空旷场地中，信号强度的分布比18.51919.52020.52121.5221357911131517192123252729313335373941434547495153555759电场强度/dBμV序号序号12345678910电场强度20.619.721.221.421.521.121.221.120.420.8序号11121314151617181920电场强度21.320.120.921.020.620.020.320.420.619.8序号21222324252627282930电场强度20.720.420.320.720.720.120.921.021.021.2序号31323334353637383940电场强度21.421.221.320.520.421.121.020.919.720.6序号41424344454647484950电场强度20.121.220.120.220.220.120.220.120.820.1序号51525354555657585960电场强度20.921.120.120.521.221.019.920.620.421.0较平均，数据比较集中。但由于干扰或其它因素，个别数据存在较大波动。2.室内测量第二组数据选在室内，地点在第六学生公寓楼道内，每半个波长（约0.5m）选择一个数据。在楼道内测量电磁场强度的变化，测量数据如下表3所示（单位：dBv）。表3室内测量数据表根据表中数据，绘制相应的折线统计图如图2所示。在楼道中，信号强度的分布也比较均匀。图中个别数据与其他数据偏差较大，那是由于该位置距离建筑物的门较近，因而信号强度也有一定的波动。从下图可以看出总体的数据非常平稳，基本没有太大波动。3.建筑物的遮挡第三组数据在建筑物的遮挡下，地点选择在主楼前广场以及主楼花坛处距离楼体很近，观察“阴影衰落”；总结衰落服从的分布规律。序号12345678910电场强度11.213.114.013.212.712.913.510.914.012.4序号11121314151617181920电场强度11.513.613.413.812.412.711.511.912.013.1序号21222324252627282930电场强度13.511.511.511.910.712.212.913.314.113.9序号31323334353637383940电场强度12.612.811.411.513.612.412.812.611.412.8序号41424344454647484950电场强度11.513.513.312.412.911.113.012.614.111.0序号51525354555657585960电场强度12.112.512.311.612.812.212.212.711.912.7图2室内测量数据折线统计图我们在主楼前广场上测量了前面30个数据，距离楼梯较远，之后来到主楼花坛下再测量30个数据，序号为31到60。测量数据如下表4所示（单位：dBv）。表4建筑物的遮挡下电磁场强度分布根据表中数据，绘制相应的折线统计图如图3所示。02468101214161357911131517192123252729313335373941434547495153555759电场强度/dBμV序号序号12345678910电场强度21.421.221.120.921.421.921.021.521.722.0序号11121314151617181920电场强度21.021.821.021.521.721.321.821.622.322.7序号21222324252627282930电场强度21.421.321.621.120.921.021.421.021.321.6序号31323334353637383940电场强度21.021.021.320.720.320.721.521.220.621.5序号41424344454647484950电场强度20.320.720.521.221.621.120.821.520.620.3序号51525354555657585960电场强度20.920.121.321.121.421.021.221.120.821.1图3建筑物的遮挡数据统计折线图从图3可以看出，前30个数据的大体趋势要略高于后30个数据，这表明在主楼前阴影衰落在可测量范围内，不过其差异并不明显，但依然可以反映出，在主楼脚下这一频率值对应的场强比较远处要小。4.建筑物内外场强测量第四组数据反映建筑物外和建筑物内之间的场强差异，地点选择在主楼内外。对建筑物穿透损耗的测量结果进行分析，用室外平均信号场强减去同一位置室内的所测信号的平均场强，得到建筑物穿透损耗。从主楼外檐花坛处测量电场强度，序号为0到30，之后进入主楼测量楼内同一频率的场强，所得数据序号为31到60。此处为了简便起见，采用之前第3组实验的31到60的测量数据作为建筑物楼外的对应数据。所测得数据如下表5所示（单位：dBv）。18.51919.52020.52121.52222.5231357911131517192123252729313335373941434547495153555759电场强度/dBμV序号表5建筑物内外场强测量数据表根据表中数据，绘制相应的折线统计图如图4所示。图4建筑物内外场强折线统计图由折线图可以看出，图中后30个室内测量数据的平均水平要明显低于前30个室外测量数据的平均水平。下面公式来进行具体计算。1818.51919.52020.52121.5221357911131517192123252729313335373941434547495153555759电场强度/dBμV序号序号12345678910电场强度21.021.021.320.720.320.721.521.220.621.5序号11121314151617181920电场强度20.320.720.521.221.621.120.821.520.620.3序号21222324252627282930电场强度20.920.121.321.121.421.021.221.120.821.1序号31323334353637383940电场强度20.220.519.919.719.520.620.720.220.020.0序号41424344454647484950电场强度19.720.520.920.320.019.820.520.520.420.5序号51525354555657585960电场强度20.120.819.620.720.420.120.220.320.620.2四、实验总结在本次实验中，可以发现在空间开放区域以及室内测量的信号强度变化均不大，信号强度的分布比较平均。在建筑物遮挡下，主楼前阴影衰落在可测量范围内，不过其差异并不明显，“阴影衰落”现象刚好在可以检测到的程度。在建筑物内外测量信号强度可明显看出建筑物对信号的损耗，通过计算可得出建筑物的穿透损耗。不过这一损耗的大小也并不是太大。总体来说，通过这次实际的场强测量过程，加深了我们对电磁场传播的认识和理解，并且提高了我们的实践能力和自我组织和参与能力。