Преобразования напряженности поля и мощности

Для того чтобы сравнивать пределы напряженности поля и уровня мощности, устанавливаемые различными администрациями, необходимо преобразовать их к общим единицам измерения. Для большинства частот FCC устанавливает предельные уровни излучения в единицах излучаемой мощности или напряженности электрического поля в дальней зоне. В свою очередь, CEPT/ESTI устанавливает пределы в единицах измерения излучаемой мощности или в единицах измерения напряженности магнитного поля в ближней и дальней зоне. МРТ устанавливает пределы в единицах измерения излучаемой мощности или напряженности электрического поля в дальней зоне.

Дальняя зона

Электрическое и магнитное поля в дальней зоне связаны друг с другом сопротивлением свободного пространства η₀. Если принять, что максимальная напряженность электрического поля на расстоянии R_E равна E^ffmax, мы можем определить напряженность магнитного поля H^ffmax на другом расстоянии R_H. Для свободного пространства такие преобразования выглядят следующим образом:

После нахождения напряженностей электрического и магнитного поля в какой-либо точке пространства дальней зоны, мы можем вычислить излучаемую мощность. Сначала найдем среднюю плотность мощности поля на расстоянии R_EH:

По определению EIRP является мощностью на входе антенны P_t , умноженной на ее усиление относительно изотропной антенны Gt :

Ближняя зона

В ближней зоне взаимоотношения между электрическим и магнитным полем более сложны. Для проведения нужных преобразований следует учитывать тип антенны. Так как системы ближнего поля являются индуктивными или емкостными, необходимо рассмотреть оба типа антенн. Для индуктивных систем примем аппроксимацию антенны в виде малой рамки, а расстояние от антенны много большим радиуса рамки.

Если задать на некотором расстоянии R_E напряженность электрического поля в дальней зоне E^ff_max, мы можем найти магнитное поле на расстоянии R_H в ближней зоне. Получим:

Теперь получим оценочную зависимость между максимальным (пиковым) значением напряженности магнитного поля в ближней зоне с аналогичным значением электрического поля в дальней зоне:

Ширина спектра

Если не оговаривается иначе, под шириной спектра понимается диапазон частот, в котором спектральные компоненты превышают некоторый заданный уровень. Администрации обычно оговаривают определенный уровень излучения, в котором могут присутствовать спектральные компоненты сигнала. При этом в некоторых диапазонах частот может допускаться только паразитное излучение.

Иногда ширина спектра обозначается как ширина спектра по определенному уровню n дБ, однако, в большинстве случаев она определяется путем сравнения предельного уровня основной напряженности поля или мощности с предельными уровнями боковых полос или прилежащего паразитного излучения. В этом случае ширина спектра по уровню n-дБ является отношением предельного уровня излучения на основной или центральной частоте к предельному уровню паразитного излучения или боковых полос, выраженном в децибелах.

Паразитное излучение обычно определяется как излучение, не включающее несущую частоту и боковые полосы. Оно часто используется в качестве предельного уровня внеполосного излучения модулированного сигнала.

Детектирование

Для того чтобы понимать, как регламенты влияют на характеристики систем RFID, крайне важно разобраться в методиках измерения. Большинство администраций в зависимости от несущей частоты и конкретного устройства проводят испытания оборудования или на открытом пространстве, или в безэховых камерах. Устройства испытываются во всех возможных угловых ориентациях и с изменением высоты для того, чтобы определить максимальную напряженность поля или мощность излучения на фиксированном расстоянии (FCC 15.31). Как правило, устройства испытываются в нормальном рабочем положении. Особый интерес представляет тип детектора, используемого при измерениях.

Обычно исследуют непрерывные или импульсные сигналы. Непрерывные сигналы имеют узкую ширину спектра. Импульсные сигналы, которые появляются в некоторые моменты времени с определенной частотой повторения, имеют более широкий спектр. При равных амплитудах сигналов обычно считается, что непрерывные сигналы более вредны.

Использование мгновенного пикового детектора для измерения уровня излучения не позволяет определить возможное вредное воздействие импульсных сигналов на окружающую среду. Поэтому в этом случае для оценки влияния излучения применяют усреднение сигнала во времени при помощи RC-фильтра (рис.4.3.).

Рис.4.2. RC-фильтр.

Детекторы среднего значения предназначены для работы как в частотном диапазоне от 9 кГц до 1 ГГц, так и выше 1 ГГц. Недостаток детекторов среднего значения состоит в том, что импульсы с малой скважностью имеют чрезвычайно малое среднее значение, что приводит к большим погрешностям измерения и, вследствие этого, к возможной недооценке степени влияния воздействия излучения на окружающую среду.

Рис.4.3. Квазипиковый детектор.

По этой причине обычно используют квазипиковые детекторы, которые состоят из зарядной и разрядной цепей (рис. 4.3). Такой детектор рассчитывается на определенную амплитуду, энергию импульса и частоту повторения сигнала. Чаще всего квазипиковые детекторы используются в диапазоне частот ниже 1 ГГц.

Исходные данные для проектирования и использования квазипиковых детекторов приводятся в публикации 16 IEC специального международного комитета по специальным воздействиям (CISPR). Технические характеристики детекторов (постоянная времени и полоса пропускания) различны в зависимости от диапазона частот. Всего определено четыре диапазона рабочих частот: 9 - 150 кГц (диапазон А), 150 кГц - 30 МГц

(диапазон В), 30 - 300 МГц (диапазон С) и 300 МГц - 1 ГГц (диапазон D). Выше 1 ГГц обычно используют спектральные анализаторы с пиковыми детекторами.

Для квазипикового детектора полоса пропускания по уровню 6 дБ в диапазоне А определена равной 220 Гц, в диапазоне В - 9 кГц, а в диапазонах С и D - 120 кГц. Если частота повторения импульсов превышает указанные частоты, детектор действует как детектор среднего значения и не требуется введения корректирующих коэффициентов. Радиотехнические системы с большой шириной спектра имеют частоты повторения, превышающие приведенные значения. Однако узкополосные системы с несущими частотами, например, менее 135 кГц, 6,78 и 13,56 МГц, могут иметь ширину спектра излучаемых сигналов менее 9 кГц или 220 Гц. В таких случаях вводится корректирующий коэффициент, связанный с частотой повторения импульсов. Величина корректирующего коэффициента может быть существенной и превышать 10 дБ.

4.5. Частоты и ограничения

Поскольку системы RFID в ближней зоне используют электрические и магнитные поля, а в дальней - электромагнитные волны, рассмотрим их раздельно.

В таблице 4.1 для каждого диапазона приведены границы ближней зоны и размеры половины длины волны (для резонансных антенн). Очевидно разделение на системы ближней и дальней зон поля. Системы от 125 кГц до 40,6 МГц относятся к системам ближней зоны, так как граница их ближней зоны и полудлина волны достаточно велики. Системы с частотами от 433 МГц до 24 ГГц работают в дальней зоне, так как полудлина волны уменьшается до приемлемых размеров, а граница их ближней зоны становится небольшой.

Как правило, национальные регламентирующие органы в некоторых частотных диапазонах стремятся устанавливать общие для всех, согласованные предельные уровни паразитного излучения и других параметров. Мы рассмотрим и конкретные ограничения в интересующих нас диапазонах, и общие ограничения в окрестностях этих диапазонов.

Необходимо отметить, что в отдельных случаях, в промышленных высокочастотных устройствах, например, поля могут экранироваться, поэтому уровни излучения, превышающие допустимые нормы, существуют только внутри таких устройств. Что касается технологии RFID, мы имеем в виду неэкранированные системы.

Регламенты, на которые мы будем часто ссылаться, включают Европейские стандарты ETSI EN 300330 (Индуктивные рамки от 9 кГц до 25 МГц), EN 300220 (Устройства SRD от 25 МГц до 1000 МГц), EN 300440 (Устройства SRD от 1000 МГц до 40 ГГц), рекомендации CEPT 70-03 (Устройства SRD во всех частотных диапазонах), а также регламенты США FCC часть 15 и Закон о радио (Radio Law) MPT Японии.