摘 要

在我们生活的世界里处处充斥着电磁场，随着人类科技的不断发展，生活中的电磁辐射污染逐渐严重，它会对我们人体的健康产生了严重的影响^[1]。现代生活中人们出行越来越依赖汽车代步，因此设计一款智能型GPS车载射频场强仪，对人们的日常生活有很大的帮助。

所谓智能型GPS车载射频场强仪，就是将GPS(Global Positioning System)与射频场强仪相结合，利用GPS系统与电子地图之间的密切联系，将射频场强仪的数据与电子地图上的坐标相关联进行实时标注将场强信号的测量，电子地图的定位显示两大功能结合的设备。他能够实时测量记录汽车行驶时的场强^[2]。

车载射频场强仪主要由场强测试系统，嵌入式计算机系统，人机交互界面三部分构成,本论文主要对场强测量系统进行研究，场强测量系统主要包括信号处理电路和信号控制电路^[3]。

首先本论文对车载射频场强仪的基本结构原理进行介绍，包括场强仪各个模块功能的简介，产品的基本原理图，工作流程图，其次本文对测量电路进行深入研究，对其从信号的接收到最后信号的输出过程进行详细的介绍，包括所用元件功能以及型号的选择，最后给出所设计产品的电路原理图以及PCB封装及PSIM仿真。

关键字：GPS车载射频场强仪；场强测量系统 PCB封装 ；PSIM仿真

Abstract

The world we live in is filled with the electromagnetic fields, with the development of science and technology, the electromagnetic fields pollution has a bad effect of people’s health. In our life, there is a large increase in the use of automobiles. So it’s necessary to design an intelligent vehicle-mounted GPS field strength meter.

As we know the vehicle-mounted GPS field strength meter is the combination of the GPS（Global Positioning System ）and RF field strength meter, it can take advantage of the tightness relationship between the GPS system and electronic map to record measured value at first time. It can measure and record the field intensity when the car run.

The vehicle-mounted RF field intensity meter is mainly composed of three parts: field intensity test system, embedded computer system and human-computer interaction interface. This paper mainly introduce the field intensity measurement system, which mainly includes signal processing circuit and signal control circuit.

First of all we have a introduce of the basic structure principle of vehicle-mounted GPS field strength meter. Including the introduce of field strength meter’s each module function ,the basic principle of product diagram and the work route chart. Second we have a introduce in detail of the process from the signal output to end of the reception. including the selection of the element function and model use. Finally give the circuit schematic diagram, PCB Package, and PSIM simulation. 

Key words: PSIM simulation； GPS vehicle radio frequency field intensity meter ； PCB Package

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景和意义 1

1.2场强仪的研究现状 1

1.3车载GPS场强仪的简介 3

1.4主要研究内容 4

第2章 电场探头的选择与工作原理 5

2.1电场探头简介： 5

2.2全向型电场探头： 6

第3章 信号处理电路简介 7

3.1信号处理电路的构成： 7

3.2调理电路： 7

3.3放大电路 11

3.4 A/D转换电路 13

3.5整体电路及PCB图 15

3.6本章总结 16

4.1仿真的目的 17

4.2仿真的过程 17

4.2.1电压跟随电路 17

4.2.2滤波检波电路： 18

4.2.3差分放大电路 19

4.3本章小结 20

第5章测量数据校正方法 21

5.1校正数据的原因 21

5.2校正数据的方法 21

5.3校正数据实际情况 22

5.4本章小结 23

第6章 车载射频场强仪单片机的选择与介绍 24

6.1单片机的选择与简介 24

6.2 STC12C5A60S2的封装和连接方法 24

6.3 STC12C5A60S2控制放大次数的方法： 27

6.4本章小节 27

第7章车载射频GPS场强仪剩余模块介绍与选择 28

7.1 GPS模块 28

7.2存储数据模块 29

7.3人机交互模块该模块 29

7.4 本章小结 29

第8章车载射频场强仪的设计总结 30

8.1车载射频场强仪的设计成果： 30

8.2所设计方案的改进 31

8.3全文的总结概括 31

参考文献： 32

致谢 33

第1章 绪论

1.1研究背景和意义

4G无线通信系统现已得到了广泛应用，5G系统也日趋成熟，即将投入使用。随着公众对美好生活的要求的不断提高，人们对无线通信系统带来的电磁辐射的关注也越来越高，场强仪的运用范围也越来越广泛，涉及广播，通信，交通等诸多行业，随着数字电视、手机电视等产业的迅猛发展，产品的质量评价和网络工程质量的检测和维护工作急剧增加，在检测和维护工作中，急需功能齐全、性能稳定、具有良好的兼容性并且扩展性很强的新型场强测试仪。市场上对新型的、智能型的车载GPS场强仪的强烈需求^[4]，为满足人们对场强仪的需求，现在市场上的场强仪不断朝着智能化，多功能化发展，设计一款智能型车载射频场强仪对人们生活的便捷以及健康有着重要意义。

本文主要通过了解电磁辐射的基本知识和射频电磁辐射检测的基本手段，掌握射频电场检测的基本理论，分析射频电场场强仪各个部件的基本功能并将射频电场场强仪与GPS导航系统相连接，做成能够改善人们生活的车载射频电场场强仪^[5]。

1.2场强仪的研究现状

场强仪目前主要分为两大类，第一类是非选频式宽带辐射测量仪，检测特定空间内的电磁辐射综合强度与空间分布情况，而第二大类则是能够对于特定的波段进行专门的测试，适合用在中低强度的电磁环境中，这种场强仪的灵活度与精度优于第一种场强仪，本文主要考虑这种场强仪^[4]。

场强仪主要是由天线和电平表组成的，其简单测量原理见下图1.1，目前来看市场的产品是将天线和电平表的技术指标分开来看的。如日本安立公司ML524场强仪主机就是按一个电平表给出技术指标,频率范围、灵敏度、电平测量范围、电平测试精度,而天线MP534A、MP666A作为选件,按频段给出技术指标和天线系数。而我们所要制作的车载场强仪则是要求100kHz-6GHz^[5],所测电压的范围是。所以在器件选择方面我们需要注意，使得所选则器件符合需求。

图1.1 场强测量基本原理

场强仪主要由电源模块、处理模块、信号检测模块、信号控制模块以及存储模块其本的结构图见图1.2^[6]

图1.2 场强仪基本结构

1.3车载GPS场强仪的简介

智能车载GPS场强仪是由三部分构成的包括场强测量系统，嵌入式计算机系统，人机交互界面，其基本结构框图见图1.3^[2]，其运行流程图见图1.4^[3]。场强测试系统用来接收汽车附近的场强信号，并通过GPS系统精确定位所测场强信号的位置，然后将信息输送给嵌入式计算机系统。计算机系统将测试频率、测试的场强数据以及测试的位置等相关信息输送到内部处理系统进行校正分析处理，之后将处理结果送达人机交互界面进行显示。这样我们就能够清晰明了的了解汽车行驶时附近场强的大小。

图1.3 GPS射频电场场强仪结构图

图1.4 GPS车载场强仪流程图

1.4主要研究内容

本文以实现GPS车载射频场强仪为目标，设计一种能够自动记录汽车行驶时周边场强信号强弱的仪器，主要分为 8大章节：

(1)首先介绍所选择的电场探头的工作原理与结构

(2)其次对信号处理电路各个模块进行详细解说与分析

(3)给出所设计场强仪的电路图和PCB图

(4)用PSIM对所设计模块进行仿真

(5)简述信号校正的方法及原理

(6) 车载射频场强仪单片机的选择与介绍

(7) 车载GPS场强仪剩余模块的介绍

(8) 车载射频场强仪的设计总结

第2章 电场探头的选择与工作原理

2.1电场探头简介：

电场探头就是上文所述的天线，它是用来感应汽车附近的场强信号，输出初始电信号给后面的信号处理电路，它是整个设备的起始。一般情况下是由5cm和10cm两个的短极偶极天线组成。其结构图如下图2.1^[8]，我们这里选用的电场探头为美国HOLADAY(HI-6105)其频率覆盖范围为100KHZ-6GHZ，精度为,分辨率为,符合设计所要求的灵敏度，频率范围和电平测量精度其参数见下图2.2。

图2.1 电场探头结构图

表2.1HOLADAY(HI-6105)参数指标：

2.2全向型电场探头：

为了准确测量空间 3 维电场我们选择了一种全向性探头测量仪器它可以解决射频电磁场的场强的检测时间较长的问题，所述全向性探头包括 ：支撑架，这种支撑架包含了三个结构相同的矩形电路板，这三个矩形电路板的长度相同，首尾相连，形成三角柱型结构，三个矩形电路板上各安装有一个偶极子天线，三个偶极子天线相互垂直，并且以矩形电路板的长度方向为基轴，三个偶极子天线与基轴成54.7°^[9]。其结构图见图2.3：

图2.3全向性探头测试仪

关于为什么要选择54.7°，因为我们将三个各向性的偶极子来形成三维空间中的X,Y,Z三轴。而要做到这一点需要让三个偶极子在空间中两两正交如图7所示，保证每个方向的余弦量相同，假设这三对偶极子分别与传输线路之间形成的夹角是则可得到方程：

(2.1)

由于实际设计中可以使三个偶极子与传输线之间的夹角相同，因此令带入公式（2.1）可以计算得到公式（2.2）^[9]

(2.2)

满足上述条件的全向性探头为三轴各向同性探头，可实现对三维空间综合电磁场的测量，也就是说，上述全向性探头可以一次检测出射频电磁场的综合场强。

第3章 信号处理电路简介

3.1信号处理电路的构成：

信号处理电路主要由调理电路，放大电路，A/D转换电路，三部分构成，信号由全向性电场探头输出，首先经过调理电路将信号进行检波，滤波，使得接收的信号变得平缓，这一部分会对整体电路的频率特性产生一定的影响因此在参数选择方面要符合所测的频率100kHz-6GHz。在经过调理电路以后信号进入放大电路，这部分电路是将信号的电压进行放大处理，满足A/D电路所需要的电压以便后面将信号进行的A/D转换一般情况下我们所测的电场场强范围是。在经过A/D转换器将模拟信号转换为数字信号，便于后面进行数据分析，校正，储存。基本电路原理框图见图3.1。

图3.1车载GPS场强仪结构图

因为我们一共需要测量x ,y ,z三个轴向的场强，其测量方法相同，以下是以其中一轴为例进行说明假设为x轴。

3.2调理电路：

调理电路就是对接收到的信号进行滤波处理选出我们所需要的测量的频段，滤去杂波信号，这样可以使得信号平缓便于后续测量。

滤波电路就是要设计一个带通滤波器使得所测频段信号而带通滤波器分为好多种类，这里我们选用二阶高通与二阶低通滤波器串联所形成的四阶带通滤波器。其原理是首先通过低通滤波，得到一个频段低于6GHz的信号再通过高通滤波得到频率高于100kHz的所需测量频段。这种方案实现的条件是低通滤波电路的截止角频率大于高通电路的截止角频率，根据后面的计算结果我们所设计的方案满足这个条件因此可以使用该种方案。

在实际测量情况下，我们一般不考虑低通滤波，在经过二阶高通滤波以后我们直接将测量信号输送给差分放大电路。

首先考虑简单的R-C滤波器我们这里采用一个二阶高通滤波器，将频段选定在100kHZ-6GHZ。其具体电路原理图见图3.2。

图3.2 简单调理电路原理图

本文利用protelse99进行PCB转换，得到该原理图的PCB图片如图3.3：

图3.3 调理电路的PCB图

根据基尔霍夫第一定律，图3.4所示的二阶低通滤波器我们可以用1，2回路列出两个方程：

图3.4 2阶低通滤波器

(3.1)

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