前言：本站為你精心整理了城市空間環(huán)境中電磁功率譜探測(cè)范文，希望能為你的創(chuàng)作提供參考價(jià)值，我們的客服老師可以幫助你提供個(gè)性化的參考范文，歡迎咨詢(xún)。

摘要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市環(huán)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(yīng)用的新能量來(lái)源。為了解我國(guó)城市空間環(huán)境中的電磁能量的能級(jí)水平，探測(cè)我國(guó)城市環(huán)境中電磁功率譜分布，利用天線作為探測(cè)探頭，通過(guò)主控制器的信息處理及電腦平臺(tái)實(shí)時(shí)顯示功能，設(shè)計(jì)了一種超寬帶環(huán)境電磁功率探測(cè)儀，并實(shí)際測(cè)試了成都市多個(gè)典型環(huán)境的空間電磁功率譜。測(cè)試結(jié)果表明，不同環(huán)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(duì)應(yīng)通信頻段3G、Wi-Fi)有較強(qiáng)的電磁能量分布，最高功率密度可達(dá)到約75nW/cm2。

關(guān)鍵詞：空間電磁能量;功率探測(cè);超寬帶功率探測(cè)儀;電磁功率譜

0引言

環(huán)境空間電磁能量既有可能是電磁干擾［1］，危害人類(lèi)健康［2］，也是可利用的能量資源［3］，如主要應(yīng)用于能量收集技術(shù)［4－6］等領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外已有文獻(xiàn)［7－9］對(duì)電磁能量收集在無(wú)線傳感器應(yīng)用、生物醫(yī)學(xué)電子方面的應(yīng)用研究工作進(jìn)行了相關(guān)介紹，美國(guó)的OLGUN［10］等針對(duì)無(wú)線傳感器設(shè)計(jì)了一種新型環(huán)境射頻能量收集器;SHIGETA［11］等設(shè)計(jì)了一種新型具有儲(chǔ)能電容泄漏感知工作循環(huán)控制的環(huán)境射頻能量收集器。目前，國(guó)外諸多機(jī)構(gòu)針對(duì)電磁能量的探測(cè)進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)［12］檢測(cè)了倫敦市地鐵站的環(huán)境電磁能量輻射情況，測(cè)試頻率范圍為0．32．5GHz，功率密度為3684nW/cm2;YEATMAN［13］等也測(cè)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(cè)得的空間電磁能量功率密度一般為0．21000nW/cm2等;而國(guó)內(nèi)主要是基于電磁干擾或者電磁污染的研究與測(cè)試，揚(yáng)州的移動(dòng)通信基站的功率密度為77150nW/cm2［16］，連云港的移動(dòng)通信基站的功率密度為51140nW/cm2［17］，北京的移動(dòng)通信基站的平均功率密度為120nW/cm2［18］，蘇州市測(cè)得功率密度為0．2353．97uW/cm2［19］。以上國(guó)內(nèi)測(cè)試辦法過(guò)于老舊，測(cè)試過(guò)程復(fù)雜，測(cè)量次數(shù)較多，為了簡(jiǎn)便、直觀和迅速地探測(cè)到我國(guó)城市空間環(huán)境中的電磁功率的分布圖，設(shè)計(jì)了一種超寬帶環(huán)境電磁功率探測(cè)儀，以成都市為對(duì)象，檢測(cè)并分析了室內(nèi)和室外環(huán)境，主城區(qū)和郊區(qū)的電磁環(huán)境能量分布情況。本文設(shè)計(jì)構(gòu)建的系統(tǒng)搭建方便，得到的數(shù)據(jù)快捷并直觀有效。

1超寬帶環(huán)境電磁功率譜探測(cè)儀的設(shè)計(jì)

為了盡可能地探測(cè)到無(wú)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(shè)計(jì)了一款可覆蓋2002800MHz的超寬帶電磁功率譜探測(cè)儀。1．1硬件設(shè)計(jì)超寬帶電磁功率譜探測(cè)儀由天線、寬帶功率檢測(cè)模塊、電腦及檢測(cè)應(yīng)用軟件組成。超寬帶電磁功率綜合檢測(cè)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(shù)據(jù)處理及隔離模塊。電源模塊將輸入的220V交流電轉(zhuǎn)換成5V的供電電壓。功率采集處理模塊將天線探測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行采樣處理，并將頻率和功率的數(shù)據(jù)以脈沖的方式輸出。主控制模塊將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)信號(hào)，以及統(tǒng)計(jì)出電路中負(fù)載的用電量，再通過(guò)串口的方式將數(shù)據(jù)信號(hào)發(fā)送出去，數(shù)據(jù)在電腦界面顯示。圖1超寬帶電磁功率綜合檢測(cè)模塊硬件原理因單一天線無(wú)法滿(mǎn)足探測(cè)頻率范圍的要求，測(cè)試時(shí)采用對(duì)數(shù)周期天線(探測(cè)頻率范圍是200-1000MHz)和脊喇叭天線(探測(cè)頻率范圍是1-18GHz)。超寬帶環(huán)境電磁功率譜探測(cè)儀實(shí)物圖如圖2所示。圖2環(huán)境電磁能量檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)物1．2軟件設(shè)計(jì)主控制器模塊的軟件設(shè)計(jì)主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和串口通信組成。首先根據(jù)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)軟件界面和電腦顯示的模塊，然后編寫(xiě)功能子程序和主程序，接著利用虛擬串口在電腦上實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信以及數(shù)據(jù)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(shè)計(jì)的超寬帶電磁功率譜探測(cè)儀是成套的系統(tǒng)，方便攜帶，具有工作頻段寬、測(cè)試靈敏度高、制作成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，而國(guó)內(nèi)相關(guān)的檢測(cè)一般沒(méi)有成套的測(cè)試設(shè)備，搭建系統(tǒng)較為復(fù)雜繁瑣。

2環(huán)境電磁能量功率譜的探測(cè)

為使測(cè)量結(jié)果具有代表性，分別選取成都市4個(gè)典型環(huán)境進(jìn)行電磁能量功率譜的測(cè)量:市區(qū)中的四川大學(xué)濱江樓實(shí)驗(yàn)室(室內(nèi)環(huán)境)、濱江樓樓頂(室外環(huán)境)、春熙路(成都市最繁華街區(qū)之一)和郊區(qū)的地鐵2號(hào)線連山坡地鐵站。測(cè)量結(jié)果如圖4圖7所示。根據(jù)圖4圖7可知，在這4個(gè)地點(diǎn)中，在DTV、GSM900、GSM1800、3G、4G和Wi-Fi等典型的通信頻段，所測(cè)試到的功率明顯高于其他頻點(diǎn)，探測(cè)到的電磁能量功率可達(dá)到－50dBm，甚至是達(dá)到－40dBm(同時(shí)，探測(cè)模塊具有20dB的衰減)。上述測(cè)試得到的天線接收功率Pr可用式(1)轉(zhuǎn)換為環(huán)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(duì)應(yīng)頻段波長(zhǎng)。4個(gè)地點(diǎn)在典型頻段的空間環(huán)境電磁功率密度如表1表4所示。根據(jù)表1和表2可得，在一般的室內(nèi)或者室外環(huán)境下，在GSM1800、3G等手機(jī)通信頻段，能量功率密度很強(qiáng)，可達(dá)到22．3nW/cm2，甚至達(dá)到50．8nW/cm2;根據(jù)表3和表4可得，郊區(qū)環(huán)境的電磁能量較低，最大值僅有7．5nW/cm2，而在主城區(qū)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(jī)頻段3G以及WiFi頻段，可達(dá)到74．6nW/cm2以上。由以上結(jié)果可得，在所有通信頻段中，功率密度最大值可達(dá)到74．6nW/cm2。該測(cè)試結(jié)果與國(guó)外倫敦地鐵站所測(cè)得的最大值84nW/cm2大致相同，同時(shí)，與國(guó)內(nèi)測(cè)試的揚(yáng)州、連云港和北京等地的測(cè)試值能級(jí)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(cè)試方法迅速、簡(jiǎn)捷，不需要繁雜的測(cè)試過(guò)程，構(gòu)建的系統(tǒng)更為方便、有效。

3結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)測(cè)試城市空間中的電磁能量的分布情況，本文設(shè)計(jì)了一種可覆蓋主要通信頻段的超寬帶電磁功率譜探測(cè)儀，構(gòu)建了一套完整并簡(jiǎn)捷的測(cè)試系統(tǒng)，其測(cè)試過(guò)程簡(jiǎn)單、靈敏度高，能直觀且迅速地得到測(cè)試的功率分布圖，并通過(guò)對(duì)四川省成都市城市中典型環(huán)境的探測(cè)，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(dá)到74．6nW/cm2。通過(guò)系統(tǒng)測(cè)試，不僅可以方便、快捷地了解一個(gè)城市的電磁能量分布以及能級(jí)大小的情況，為將來(lái)利用并收集城市空間中的電磁能量打下了基礎(chǔ)，提供了可靠的能量收集依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

［1］趙玉峰．現(xiàn)代環(huán)境中的電磁污染［M］．北京:電子工業(yè)出版社，2003:56－62．

［2］馬菲，熊鴻燕，張耀，等．高強(qiáng)度電磁輻射與暴露人群神經(jīng)衰弱綜合癥發(fā)生率［J］．解放軍預(yù)防醫(yī)學(xué)雜志，2006，24(4):254－257．

［3］PUJAREG，PARANJAPEG．AlternativeEnergySources［C］∥VPM’sPolytechnic，Thane，2005:113－118．

［4］NOBLEFK，ALAMF，POTGIETERJ，etal．EnergyHarvestingandCurrentStateoftheTechnologywithApplicationtoTrafficMonitoring［J］．InternationalJournalofComputerApplicationsinTechnology，2010，39(1):166－175．

［5］VULLERSR，SCHAIJKR，DOMSI，etal．MicroPowerEnergyHarvesting［J］．Solid-StateElectronics，2009，53(7):684－693．

［6］HARBA．EnergyHarvesting:StateoftheArt［J］．RenewableEnergy，2011，36(10):2641－2654．

［7］VISSERH，VULLERSR．RFEnergyHarvestingandTransportforWirelessSensorNetworkApplications:PrinciplesandRequirements［J］．ProceedingsoftheIEEE，2013，101(6):1410－1423．

［8］韋保林，韋雪明，徐衛(wèi)林，等．環(huán)境射頻能量收集技術(shù)的研究進(jìn)展及應(yīng)用［J］．通信技術(shù)，2014，2014(4):359－364．

［9］SHRESTHAS，NOHS，CHOID．ComparativeStudyofAntennaDesignsforRFEnergyHarvesting［J］．InternationalJournalofAntennasandPropagation，2013，2013(1):110．

［10］OLGUNU，CHENC，VolakisJL．DesignofanEfficientambientWi-FiEnergyHarvestingSystem［J］．IETMicrowaves，Antennas＆Propagation，2012，6(11):1200－1206．

［11］SHIGETAR，SasakiT，QUANDM，etal．AmbientRFEnergyHarvestingSensorDevicewithCapacitorLeakageAwareDutyCycleControl［J］．IEEESensorsJournal，2013，13(08):2973－2983．

［12］MANUELP，PAULD．AmbientRFHarvestinginUrbanandSemi-urbanenvironments［J］．IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques，2013:2715－2726．

［13］YILDIZF．PotentialAmbientEnergyHarvestingSourcesandTechniques［J］．TechnolStudies，2009，35(1):40－48．

［14］SHIGETAR．AmbientRFEnergyHarvestingSensorDeviceWithCapacitorLeakageAwareDutyCycleControl［J］．IEEESensorsJ，2013，13(8):2973－2983．

［15］王浩，韋慶．移動(dòng)通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)［J］．環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2014(5):103－105．

［16］王浩．移動(dòng)通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測(cè)與評(píng)價(jià)［J］．環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2014，39(5):103－105．

［17］韋慶，潘葳．城市移動(dòng)通信基站電磁輻射環(huán)境調(diào)查與評(píng)價(jià)［J］．環(huán)境監(jiān)測(cè)管理與技術(shù)，2012，24(4):33－36．

［18］肖慶超，易海濤，康征．移動(dòng)通信基站電磁輻射環(huán)境影響研究［J］．環(huán)境影響評(píng)價(jià)，2014(5):51－54．

［19］謝小英．蘇州市環(huán)境電磁輻射水平調(diào)查和評(píng)估［D］．蘇州:蘇州大學(xué)，2007．

［20］克勞斯(美)，馬赫夫克(美)著．天線(上冊(cè))［M］．章文勛，譯．北京:電子工業(yè)出版社，2011．

作者：徐亞維，徐可，陳星 單位：四川大學(xué)電子信息學(xué)院