环境电磁辐射测量方法研究

第28卷第4期增刊　2007年4月

仪　器　仪　表　学　报

Vol. 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

Resear ch on electr oma gnetic w ave mea sure method in envir onment

Qi n Hui bi n , Hu Jianre n , Zheng Liang

(I nstit ute of Elect ron Device &A p plic ation , H a ngz hou D ia nzi U nive rsit y , H a ngz hou 310037, Chi na )

Abstract :This pap er researches measuring method of elect ro magnetic radiation. It i s compo nent of so me parts i n t he mi ni 2t est sy st em for the wave , and i s key factor w hich determines t he mea suring results . It i s suitable to adop t el ec 2t ro 2t echnician material as visio n compo nent , fo r it s simple st ructure and st abilit y. It can gat her nearly wireless energy wit ho ut directio n wit h ant enna of a quarter wavelength , and it i s adapt to envi ron ment al electro magnetic wave mo nito r. It can test elect romag netic energy at a point wit h hi gh sensitive met er. It has hi gh gai n , narrow vertical beamwi dt h , goo d directio n wit h lo ng 2bo dy o mni 2antenna. S o i t is no t goo d to mo nitor at a point and calculat e tot al energy and field st rengt h. It is goo d wit h i ntegrative radio 2det ecto r and o utp ut DC directly. It can get wi de band at hi gh frequency t hat f requency selective net wo rk wit h switches , reducing t he antenna Q , and multi 2channel antenna array. That may minish t he infl uence which brings wo rkers πmovement and po sition to t he t est result s.

Key words :elect ro magnetic w ave measure ; enviro nment pollutio n with elect ro magnet ; measurement met ho d ; m icro 2wave ; ant enna array ; receiving ant enna ; dynamic measurement range ; radiation back ground

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22dB m (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DS P) 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

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2450M Hz 全向天线

图4为工作在119GHz 、带宽40MHz 的QJ 21900272TO 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Q J [1**********]0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)

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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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