城市空間環境中電磁功率譜探測

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摘要：隨著經濟的發展，城市環境空間中充斥電磁能量。如果加以妥善利用，空間電磁能可成為某些應用的新能量來源。為了解我國城市空間環境中的電磁能量的能級水平，探測我國城市環境中電磁功率譜分布，利用天線作為探測探頭，通過主控制器的信息處理及電腦平臺實時顯示功能，設計了一種超寬帶環境電磁功率探測儀，并實際測試了成都市多個典型環境的空間電磁功率譜。測試結果表明，不同環境中的空間電磁功率譜存在較大差異，其中在19202170MHz和24002500MHz頻帶處(對應通信頻段3G、Wi-Fi)有較強的電磁能量分布，最高功率密度可達到約75nW/cm2。

關鍵詞：空間電磁能量;功率探測;超寬帶功率探測儀;電磁功率譜

0引言

環境空間電磁能量既有可能是電磁干擾［1］，危害人類健康［2］，也是可利用的能量資源［3］，如主要應用于能量收集技術［4－6］等領域，國內外已有文獻［7－9］對電磁能量收集在無線傳感器應用、生物醫學電子方面的應用研究工作進行了相關介紹，美國的OLGUN［10］等針對無線傳感器設計了一種新型環境射頻能量收集器;SHIGETA［11］等設計了一種新型具有儲能電容泄漏感知工作循環控制的環境射頻能量收集器。目前，國外諸多機構針對電磁能量的探測進行了研究，文獻［12］檢測了倫敦市地鐵站的環境電磁能量輻射情況，測試頻率范圍為0．32．5GHz，功率密度為3684nW/cm2;YEATMAN［13］等也測試出在主要通信頻段的功率密度大致是0．21000nW/cm2，YILDIZ［14］和PINUELA［15］測得的空間電磁能量功率密度一般為0．21000nW/cm2等;而國內主要是基于電磁干擾或者電磁污染的研究與測試，揚州的移動通信基站的功率密度為77150nW/cm2［16］，連云港的移動通信基站的功率密度為51140nW/cm2［17］，北京的移動通信基站的平均功率密度為120nW/cm2［18］，蘇州市測得功率密度為0．2353．97uW/cm2［19］。以上國內測試辦法過于老舊，測試過程復雜，測量次數較多，為了簡便、直觀和迅速地探測到我國城市空間環境中的電磁功率的分布圖，設計了一種超寬帶環境電磁功率探測儀，以成都市為對象，檢測并分析了室內和室外環境，主城區和郊區的電磁環境能量分布情況。本文設計構建的系統搭建方便，得到的數據快捷并直觀有效。

1超寬帶環境電磁功率譜探測儀的設計

為了盡可能地探測到無線通信中常用的頻段［10］，包括DTV、GSM900、GSM1800、3G、4G和Wi-Fi［10］等頻段，設計了一款可覆蓋2002800MHz的超寬帶電磁功率譜探測儀。1．1硬件設計超寬帶電磁功率譜探測儀由天線、寬帶功率檢測模塊、電腦及檢測應用軟件組成。超寬帶電磁功率綜合檢測模塊的硬件原理圖如圖1所示。它包括:電源模塊、功率采集處理模塊、主控制器模塊和數據處理及隔離模塊。電源模塊將輸入的220V交流電轉換成5V的供電電壓。功率采集處理模塊將天線探測到的信號進行采樣處理，并將頻率和功率的數據以脈沖的方式輸出。主控制模塊將脈沖信號轉化成數據信號，以及統計出電路中負載的用電量，再通過串口的方式將數據信號發送出去，數據在電腦界面顯示。圖1超寬帶電磁功率綜合檢測模塊硬件原理因單一天線無法滿足探測頻率范圍的要求，測試時采用對數周期天線(探測頻率范圍是200-1000MHz)和脊喇叭天線(探測頻率范圍是1-18GHz)。超寬帶環境電磁功率譜探測儀實物圖如圖2所示。圖2環境電磁能量檢測系統實物1．2軟件設計主控制器模塊的軟件設計主要由數據采集、數據處理和串口通信組成。首先根據系統要實現的目標來設計軟件界面和電腦顯示的模塊，然后編寫功能子程序和主程序，接著利用虛擬串口在電腦上實現數據通信以及數據的顯示。主控制模塊的程序流程如圖3所示。圖3主控制模塊程序流程本文設計的超寬帶電磁功率譜探測儀是成套的系統，方便攜帶，具有工作頻段寬、測試靈敏度高、制作成本低、結構簡單和穩定性高等特點，而國內相關的檢測一般沒有成套的測試設備，搭建系統較為復雜繁瑣。

2環境電磁能量功率譜的探測

為使測量結果具有代表性，分別選取成都市4個典型環境進行電磁能量功率譜的測量:市區中的四川大學濱江樓實驗室(室內環境)、濱江樓樓頂(室外環境)、春熙路(成都市最繁華街區之一)和郊區的地鐵2號線連山坡地鐵站。測量結果如圖4圖7所示。根據圖4圖7可知，在這4個地點中，在DTV、GSM900、GSM1800、3G、4G和Wi-Fi等典型的通信頻段，所測試到的功率明顯高于其他頻點，探測到的電磁能量功率可達到－50dBm，甚至是達到－40dBm(同時，探測模塊具有20dB的衰減)。上述測試得到的天線接收功率Pr可用式(1)轉換為環境空間功率密度Sr［20］:Sr=PrAe=4πPrGλ2。(1)式中，Ae為天線的有效口徑面積;G為天線增益;λ為對應頻段波長。4個地點在典型頻段的空間環境電磁功率密度如表1表4所示。根據表1和表2可得，在一般的室內或者室外環境下，在GSM1800、3G等手機通信頻段，能量功率密度很強，可達到22．3nW/cm2，甚至達到50．8nW/cm2;根據表3和表4可得，郊區環境的電磁能量較低，最大值僅有7．5nW/cm2，而在主城區春熙路，人口密度很大的地方，電磁能量功率密度最高，在手機頻段3G以及WiFi頻段，可達到74．6nW/cm2以上。由以上結果可得，在所有通信頻段中，功率密度最大值可達到74．6nW/cm2。該測試結果與國外倫敦地鐵站所測得的最大值84nW/cm2大致相同，同時，與國內測試的揚州、連云港和北京等地的測試值能級一致;故可得，一般城市空間中的電磁能量分布大致相同，但是本測試方法迅速、簡捷，不需要繁雜的測試過程，構建的系統更為方便、有效。

3結束語

針對測試城市空間中的電磁能量的分布情況，本文設計了一種可覆蓋主要通信頻段的超寬帶電磁功率譜探測儀，構建了一套完整并簡捷的測試系統，其測試過程簡單、靈敏度高，能直觀且迅速地得到測試的功率分布圖，并通過對四川省成都市城市中典型環境的探測，了解了在人口密度很大的地方，電磁能量更高，在所有常用的通訊頻段中，其功率密度最大值可達到74．6nW/cm2。通過系統測試，不僅可以方便、快捷地了解一個城市的電磁能量分布以及能級大小的情況，為將來利用并收集城市空間中的電磁能量打下了基礎，提供了可靠的能量收集依據。

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作者：徐亞維，徐可，陳星 單位：四川大學電子信息學院