徐亞維，徐 可，陳 星

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065)

城市空間環(huán)境中電磁功率譜的探測

徐亞維，徐 可，陳 星

(四川大學(xué) 電子信息學(xué)院，四川 成都 610065)

隨著經(jīng)濟的發(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)用的新能量來源。為了解我國城市空間環(huán)境中的電磁能量的能級水平，探測我國城市環(huán)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(shè)計了一種超寬帶環(huán)境電磁功率探測儀，并實際測試了成都市多個典型環(huán)境的空間電磁功率譜。測試結(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1 920～2 170 MHz和2 400～2 500 MHz頻帶處(對應(yīng)通信頻段3 G、Wi-Fi)有較強的電磁能量分布，最高功率密度可達到約75 nW/cm2。

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(huán)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(yīng)用于能量收集技術(shù)[4-6]等領(lǐng)域，國內(nèi)外已有文獻[7-9]對電磁能量收集在無線傳感器應(yīng)用、生物醫(yī)學(xué)電子方面的應(yīng)用研究工作進行了相關(guān)介紹,美國的OLGUN[10]等針對無線傳感器設(shè)計了一種新型環(huán)境射頻能量收集器；SHIGETA[11]等設(shè)計了一種新型具有儲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，國外諸多機構(gòu)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(huán)境電磁能量輻射情況，測試頻率范圍為0.3～2.5 GHz，功率密度為36～84 nW/cm2；YEATMAN[13]等也測試出在主要通信頻段的功率密度大致是0.2～1 000 nW/cm2,YILDIZ[14]和PINUELA[15]測得的空間電磁能量功率密度一般為0.2～1 000 nW/cm2等；而國內(nèi)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77～150 nW/cm2[16]，連云港的移動通信基站的功率密度為51～140 nW/cm2[17]，北京的移動通信基站的平均功率密度為120 nW/cm2[18]，蘇州市測得功率密度為0.23～53.97 uW/cm2[19]。

以上國內(nèi)測試辦法過于老舊，測試過程復(fù)雜，測量次數(shù)較多，為了簡便、直觀和迅速地探測到我國城市空間環(huán)境中的電磁功率的分布圖，設(shè)計了一種超寬帶環(huán)境電磁功率探測儀，以成都市為對象，檢測并分析了室內(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)境電磁功率譜探測儀的設(shè)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(shè)計了一款可覆蓋200～2 800 MHz的超寬帶電磁功率譜探測儀。

1.1 硬件設(shè)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(yīng)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(shù)據(jù)處理及隔離模塊。電源模塊將輸入的220 V交流電轉(zhuǎn)換成5 V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(shù)據(jù)以脈沖的方式輸出。主控制模塊將脈沖信號轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)信號，以及統(tǒng)計出電路中負載的用電量，再通過串口的方式將數(shù)據(jù)信號發(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(shù)周期天線(探測頻率范圍是200～1 000 MHz)和脊喇叭天線(探測頻率范圍是1～18 GHz)。超寬帶環(huán)境電磁功率譜探測儀實物圖如圖2所示。

圖2 環(huán)境電磁能量檢測系統(tǒng)實物

1.2 軟件設(shè)計

主控制器模塊的軟件設(shè)計主要由數(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)要實現(xiàn)的目標來設(shè)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(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)計的超寬帶電磁功率譜探測儀是成套的系統(tǒng)，方便攜帶，具有工作頻段寬、測試靈敏度高、制作成本低、結(jié)構(gòu)簡單和穩(wěn)定性高等特點，而國內(nèi)相關(guān)的檢測一般沒有成套的測試設(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

為使測量結(jié)果具有代表性，分別選取成都市4個典型環(huán)境進行電磁能量功率譜的測量：市區(qū)中的四川大學(xué)濱江樓實驗室(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號線連山坡地鐵站。測量結(jié)果如圖4～圖7所示。

根據(jù)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-50 dBm，甚至是達到-40 dBm(同時，探測模塊具有20 dB的衰減)。

圖4 四川大學(xué)濱江樓實驗室室內(nèi)環(huán)境電磁能量功率分布

圖5 四川大學(xué)濱江樓樓頂室外環(huán)境電磁能量功率分布

圖6 成都市春熙路環(huán)境電磁能量功率分布

圖7 成都市郊區(qū)的2號線連山坡地鐵站環(huán)境電磁能量功率分布

上述測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]：

(1)

式中，Ae為天線的有效口徑面積；G為天線增益；λ為對應(yīng)頻段波長。

4個地點在典型頻段的空間環(huán)境電磁功率密度如表1～表4所示。

表1 四川大學(xué)濱江樓實驗室室內(nèi)環(huán)境典型 頻段的功率密度值統(tǒng)計

頻段f/MHzDTV3G(BTx)Wi?Fi功率密度Sr/(nW/cm2)0．2322．307．50

表2 四川大學(xué)濱江樓樓頂室外環(huán)境典型 頻段的功率密度值統(tǒng)計

頻段f/MHzGSM90(MTx)GSM1800(BTx)Wi?Fi功率密度Sr/(nW/cm2)2．4050．800．24

表3 成都市春熙路環(huán)境典型頻段的功率 密度值的統(tǒng)計

頻段f/MHz3G(MTx)3G(BTx)Wi?Fi功率密度Sr/(nW/cm2)57．570．474．6

表4 成都市郊區(qū)(地鐵2號線連山坡站)環(huán)境 典型頻段的功率密度值的統(tǒng)計

頻段f/MHzDTVGSM1800(BTx)Wi?Fi功率密度Sr/(nW/cm2)0．0730．1607．500

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、3 G等手機通信頻段，能量功率密度很強，可達到22.3 nW/cm2，甚至達到50.8 nW/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7.5 nW/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，在手機頻段3 G以及WiFi頻段，可達到74.6 nW/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到74.6 nW/cm2。

該測試結(jié)果與國外倫敦地鐵站所測得的最大值84 nW/cm2大致相同，同時，與國內(nèi)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(gòu)建的系統(tǒng)更為方便、有效。

3 結(jié)束語

針對測試城市空間中的電磁能量的分布情況，本文設(shè)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(gòu)建了一套完整并簡捷的測試系統(tǒng)，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(huán)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74.6 nW/cm2。通過系統(tǒng)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(chǔ)，提供了可靠的能量收集依據(jù)。

[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] PUJARE G,PARANJAPE G.Alternative Energy Sources[C]∥VPM’s Polytechnic,Thane,2005:113-118.

[4] NOBLE F K,ALAM F,POTGIETER J,et al.Energy Harvesting and Current State of the Technology with Application to Traffic Monitoring[J].International Journal of Computer Applications in Technology，2010,39(1):166-175.

[5] VULLERS R,SCHAIJKR,DOMS I,et al．Micro Power Energy Harvesting[J].Solid-State Electronics,2009,53(7):684-693.

[6] HARB A.Energy Harvesting:State of the Art[J].Renewable Energy,2011,36(10):2 641-2 654．

[7] VISSER H,VULLERSR.RF Energy Harvesting and Transport for Wireless Sensor Network Applications:Principles and Requirements[J].Proceedings of the IEEE,2013,101(6):1 410-1 423.

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

[9] SHRESTHA S,NOH S,CHOI D.Comparative Study of Antenna Designs for RF Energy Harvesting[J].International Journal of Antennas and Propagation,2013,2013(1):110.

[10] OLGUN U,CHEN C,Volakis J L.Design of an Efficient ambient Wi-Fi Energy Harvesting System[J].IET Microwaves,Antennas & Propagation,2012,6(11):1 200-1 206.

[11] SHIGETA R,Sasaki T,QUAN D M,et al.Ambient RF Energy Harvesting Sensor Device with Capacitor Leakage Aware Duty Cycle Control[J].IEEE Sensors Journal,2013,13(08):2 973-2 983.

[12] MANUEL P,PAUL D.Ambient RF Harvesting in Urban and Semi-urban environments[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2013:2 715-2 726.

[13] YILDIZ F.Potential Ambient Energy Harvesting Sources and Techniques[J].Technol Studies,2009,35(1):40-48.

[14] SHIGETA R.Ambient RF Energy Harvesting Sensor Device With Capacitor Leakage Aware Duty Cycle Control[J].IEEE Sensors J,2013,13(8):2 973-2 983.

[15] 王 浩，韋 慶.移動通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測與評價[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2014(5):103-105.

[16] 王 浩.移動通信基站電磁輻射環(huán)境監(jiān)測與評價[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2014，39(5):103-105.

[17] 韋 慶，潘 葳.城市移動通信基站電磁輻射環(huán)境調(diào)查與評價[J].環(huán)境監(jiān)測管理與技術(shù)，2012，24(4)：33-36.

[18] 肖慶超，易海濤，康 征.移動通信基站電磁輻射環(huán)境影響研究[J].環(huán)境影響評價，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)[M].章文勛，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2011.

Detection of Electromagnetic Power Spectrum inUrban Space Environment

XU Ya-wei，XU Ke，CHEN Xing

(CollegeofElectronicsandInformationEngineering,SichuanUniversity,ChengduSichuan610065,China)

With the development of economy,more and more electromagnetic(EM)energy exists in urban environment.If it is properly used,the space electromagnetic energy can be a new energy source for some applications.In order to know the EM energy level and investigate the EM power spectrum distribution in urban space environment,an ultra-wideband EM power detector is designed through the information processing of the main controller and the real-time display function of the computer platform.And the spatial EM power spectrum in several typical locations of Chengdu is tested.The test results show that the EM power spectrums in different environments are quite different.Normally,there exists strong EM energy in frequency bands of 1 920～2 170 MHz and 2 400～2 500 MHz(corresponding to 3 G wireless communication and Wi-Fi),and the spatial EM power density can reach to a maximum value of about 75 nW/cm2.

space electromagnetic energy;power detection;ultra-wideband power detector;electromagnetic power spectrum

2017-03-15

國家自然科學(xué)基金委員會—中國工程物理研究院聯(lián)合基金資助項目(U1230112)。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.06.14

徐亞維，徐 可，陳 星.城市空間環(huán)境中電磁功率譜的探測[J].無線電工程,2017,47(6):56-60.[XU Yawei，XU Ke，CHEN Xing.Detection of Electromagnetic Power Spectrum in Urban Space Environment.Radio Engingeeing,2017,47(6):56-60.]

TN98

A

1003-3106(2017)06-0056-05

徐亞維 女，(1991—),碩士研究生。主要研究方向：環(huán)境電磁能量探測。

陳 星 男，(1970—),博士，教授。主要研究方向：天線設(shè)計、并行計算、電磁場數(shù)值計算和微波成像等。