环境电磁辐射测量方法研究

仪　器　仪　表　学　报

ChineseJournalofScientificInstrumentVol.28No.4

Apr.2007　

环境电磁辐射测量方法研究

秦会斌,胡建人,郑　梁

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(杭州电子科技大学新型电子器件与应用研究所　杭州　310037)

摘　要:本文研究环境电磁辐射的测量方法,探讨电磁波最小测量系统的组成部分和决定测量结果的关键因素。采用电工器材作为显示部件具有稳定性高、结构简单的优点。研究认为采用1/4λ天线可以全方位收集无线电能量,监测环境电磁波污染,若配以高灵敏度电表可测定点上的全方位电磁波能量。长天线增益高、方向性好、垂直波瓣窄,不利于监测点计算总的辐射场强。采用与天线一体化的检波器件,直接输出直流信号;天线后插入选频网络,可切换到不同的谐振频率;降低天线Q值扩大频谱范围;用多通道接收天线阵列,可加宽监测频带,并减小测量工作人员位置和运动对结果的影响。

关键词:电磁波测量;环境电磁污染;测量方法;微波;接收天线;天线阵列;测量动态范围;背景辐射

Researchonelectromagneticwavemeasuremethodinenvironment

QinHuibin,HuJianren,ZhengLiang

(InstituteofElectronDevice&Application,HangzhouDianziUniversity,Hangzhou310037,China)

Abstract:Thispaperresearchesmeasuringmethodofelectromagneticradiation.Itiscomponentofsomepartsinthemini2testsystemforthewave,andiskeyfactorwhichdeterminesthemeasuringresults.Itissuitabletoadoptelec2tro2technicianmaterialasvisioncomponent,foritssimplestructureandstability.Itcangathernearlywirelessenergywithoutdirectionwithantennaofaquarterwavelength,anditisadapttoenvironmentalelectromagneticwavemonitor.Itcantestelectromagneticenergyatapointwithhighsensitivemeter.Ithashighgain,narrowverticalbeamwidth,gooddirectionwithlong2bodyomni2antenna.Soitisnotgoodtomonitoratapointandcalculatetotalenergyandfieldstrength.Itisgoodwithintegrativeradio2detectorandoutputDCdirectly.Itcangetwidebandathighfrequencythatfrequencyselectivenetworkwithswitches,reducingtheantennaQ,andmulti2channelantennaarray.Thatmayminishtheinfluencewhichbringsworkersπmovementandpositiontothetestresults.

Keywords:electromagneticwavemeasure;environmentpollutionwithelectromagnet;measurementmethod;micro2wave;antennaarray;receivingantenna;dynamicmeasurementrange;radiationbackground

炉的大量使用,使得空间电磁波的影响无处不在。

1　引　　言

随着2G、215G、3G、315G手机进入人们的生活,

无线宽带接入技术已经进入应用阶段,无线上网技术事实上已经普及。无线上网技术的网卡天线和无线路由器发射功率规定不得超过100mW,但一些企业为了能使设备工作稳定,有采用发射功率达到22dBm(相当于167mW)的无线网卡[122]。

据报道,人类的白内障患病率升高,追溯流行病学史,与西方发达国家微波炉大量进入家庭的时间高度相关。传统的微波炉、工业微波炉、中频电炉以及家用电磁

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目前人们广泛接触使用的电脑工作频率已达

3GHz,电视机、机顶盒、MP3、数码相机(含32高速位DSP)等设备均产生电磁辐射。

由于大量电器设备在近距离工作,使得我们身边的电磁波随时都有超过国家规定的<100mW(20dBm)的可能性。为减少电磁波对人体的危害,有必要测定空间中特定波段电磁波的功率以及总的电磁波功率。

2　电磁波测量原理

发射天线发出的无线电磁波形成了空间电场分

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布,树立在空间的接收天线会感生交变电动势。20世纪40年代末至60年代初曾经风靡一时的矿石收音机就是典型的例子———为了提高接收效果,将大面积的蜘蛛网状天线树立在高处,天线感生的电动势经过检波后,直接驱动耳机发声。环境无线电波测量采用各种形式的接收天线+整流装置+显示仪表,工作原理见图1。

图1　空间无线电波测量原理图

由于无线电波的频谱范围广,不可能采用同一天线达到最佳接收。现代的超短波无线电波多采用谐振天线的形式,利用纳米碳管作谐振子,甚至能直接

接收到光信号(超高频电磁波)引发的感生电流。

3　微波测量装置

311　无线电波与微波检测方法

图2是一种简单、可靠的微波功率测定装置,主要有2个关键部件:喇叭型接收天线和微波二极管。接收到的微波信号经检波后直接驱动100μA电流表,整个装置除了微波二极管一个半导体器件外,其他均为电工器材,故坚固耐用[3]。该装置小型化后,可随身携带,微波炉泄漏检测仪采用一只微型电流表和二极管、微型天线组成定性检测仪器。

图2　微波功率测定仪示意图

312　提高微波检测灵敏度的方法

为提高微波检测仪的接收灵敏度,可采用提高电流表灵敏度的方法。用9μA电流表代替原来100A电流表,理论上可提高灵敏度10倍,但高灵敏度的电流表内阻过高,临界阻尼电阻也高,须经过串并联电阻网络后再接入电路,尽量保持电表对外电路表现出来的内阻不变。现代电表有采用有源放大电路的晶体管电压/电流表,可实现对≤1μA的电流测量,代替原来微波检测仪的指示电表,可提高原检测

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仪器的灵敏度,扩大量程。最普通的运算放大器

μA741的开环增益>200000倍,可轻易地实现100μA电表改装成10-2μA。313　接收天线频带与波瓣方向图

图2所示的测量装置是10GHz(3cm),采用喇叭型定向天线[3]。实际天线有很多种形式,按功能可分为定向天线和全向天线;按天线形式分有对称谐振子、非对称谐振子的区别。目前常用的全向天线有1/4λ天线、1/2λ天线等,其天线增益不同。图3是ISM频段(2140～215GHz)的收/发天线[2,4],图3(a)为PCI无线网卡上的天线(工作频率214～21483GHz),长度只有6～7cm,增益2dBi;图3(b)的天线较长,长度基本上与2λ、115λ波长相当。它们的区别在于垂直方向的波瓣宽度随着天线长度而变化。

(a)2dBi全向天线　(b)较长的全向天线　

图3　各种增益的2450MHz全向天线

图4为工作在119GHz、带宽40MHz的QJ21900272TO型小灵通全向天线,长8315cm、半功率波瓣宽度20°、增益712dBi。图4(a)为其外形,(b)为其方向图。由图可见水平面上信号强度基本一致,垂直方向上有较好的方向性。长度为113cm的QJ219002815220小灵通天线半功率波瓣宽度14°,增益815dBi±1dBi;WLAN等多种天线产品波瓣分布图[5]。作为环境电磁波监测的接收天线与通讯用的目的不同,长度不宜太大(对应增益高、方向性好),以保证能接收到尽可能广的辐射面。天线理论认为1/4λ天线发射效率最高,一般场合可采用1/4λ天线来监测电磁波强度,这样不仅天线尺寸小,而且基本无水平与垂直方向性,有利于准确确定点上的电磁波强度;在某些特殊场合可采用定向天线或者高增益全向天线,

(a)实物天线　(b)波瓣方向图

图4　全向天线波瓣方向图

μ　第4期增刊秦会斌等:环境电磁辐射测量方法研究　43

容易确定环境电磁波污染的来源。

314　扩大电磁波、微波检测频带的方法

由于甚高频接收天线就是一类谐振子,天线的带宽有限。改进天线的结构形式可以增加带宽,但不能无限制地增加。此外,一种天线不仅有其基频,还有多种高价模。采用二极管检波的形式对频带无限制。因此,增宽频带主要取决于接收天线的性能。图3、图4天线均采用标准接口,50Ω阻抗。增大电磁波接收频带宽度可以通过更换天线的方式进行。此外,改进图1、图2的检测装置,采用检波器件(二极管)与天线一体化,直接输出检波后的直流信号。若在检波二极管之前插入一组选频网络,根据需要可以随时切换到不同的谐振频率。另外,降低天线的Q值可扩大频谱范围;采用天线阵列(对应于多通道接收)并经信号混合后再检波、显示,均可加宽监测频带,并减小测量工作人员位置和运动对结果的影响[6]。

315　无线电弱信号检测非线性克服方法

在无线电弱信号的情况下,天线输出电压低,二极管检波的起始段非线性严重,会对检测结果产生严重的影响。当信号很小时,甚至难以超过二极管的开通电平。解决方法采用预先在检波二极管上增加微小直流偏压,但仍然处在截止状态,这样可以提高二极管检波的灵敏度。若预加偏压引起直流输出,可通过校准电表机械零点或电调零装置使电流表指示为0的方法来消除,具体方法参见文献[2]。

4　结　　论

随着信息产业的高速发展,电磁辐射污染越来越

(上接第17页)

[6]　MARINISSENEJ,GOELSK,LOUSBERGM.

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[7]　NOURANIM,PAPACHRISTOUC.AnILPformula2

8

严重,电磁波频谱不断扩展,对环境监测带来挑战。环境电磁波监测的工作原理简单,但没有通用的接收天线。根据监测特点,采用1/4λ天线具有基本不受接收天线方向性影响的优点。提高显示仪表的灵敏度可以提高仪器探察灵敏度,降低了对天线增益的要求,也减少了系统对中间放大环节的依赖,并减小了系统输出的非线性。通过特殊设计的天线阵列,可以测量较宽的频带。　　参考文献

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