城市空间环境中电磁功率谱的探测

徐亚维，徐 可，陈 星

(四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065)

城市空间环境中电磁功率谱的探测

徐亚维，徐 可，陈 星

(四川大学 电子信息学院，四川 成都 610065)

随着经济的发展，城市环境空间中充斥电磁能量。如果加以妥善利用，空间电磁能可成为某些应用的新能量来源。为了解我国城市空间环境中的电磁能量的能级水平，探测我国城市环境中电磁功率谱分布，利用天线作为探测探头，通过主控制器的信息处理及电脑平台实时显示功能，设计了一种超宽带环境电磁功率探测仪，并实际测试了成都市多个典型环境的空间电磁功率谱。测试结果表明，不同环境中的空间电磁功率谱存在较大差异，其中在1 920～2 170 MHz和2 400～2 500 MHz频带处(对应通信频段3 G、Wi-Fi)有较强的电磁能量分布，最高功率密度可达到约75 nW/cm2。

空间电磁能量；功率探测；超宽带功率探测仪；电磁功率谱

0 引言

环境空间电磁能量既有可能是电磁干扰[1]，危害人类健康[2]，也是可利用的能量资源[3]，如主要应用于能量收集技术[4-6]等领域，国内外已有文献[7-9]对电磁能量收集在无线传感器应用、生物医学电子方面的应用研究工作进行了相关介绍,美国的OLGUN[10]等针对无线传感器设计了一种新型环境射频能量收集器；SHIGETA[11]等设计了一种新型具有储能电容泄漏感知工作循环控制的环境射频能量收集器。

目前，国外诸多机构针对电磁能量的探测进行了研究，文献[12]检测了伦敦市地铁站的环境电磁能量辐射情况，测试频率范围为0.3～2.5 GHz，功率密度为36～84 nW/cm2；YEATMAN[13]等也测试出在主要通信频段的功率密度大致是0.2～1 000 nW/cm2,YILDIZ[14]和PINUELA[15]测得的空间电磁能量功率密度一般为0.2～1 000 nW/cm2等；而国内主要是基于电磁干扰或者电磁污染的研究与测试,扬州的移动通信基站的功率密度为77～150 nW/cm2[16]，连云港的移动通信基站的功率密度为51～140 nW/cm2[17]，北京的移动通信基站的平均功率密度为120 nW/cm2[18]，苏州市测得功率密度为0.23～53.97 uW/cm2[19]。

以上国内测试办法过于老旧，测试过程复杂，测量次数较多，为了简便、直观和迅速地探测到我国城市空间环境中的电磁功率的分布图，设计了一种超宽带环境电磁功率探测仪，以成都市为对象，检测并分析了室内和室外环境，主城区和郊区的电磁环境能量分布情况。本文设计构建的系统搭建方便，得到的数据快捷并直观有效。

1 超宽带环境电磁功率谱探测仪的设计

为了尽可能地探测到无线通信中常用的频段[10]，包括DTV、GSM900、GSM1800、3G、4G和Wi-Fi[10]等频段，设计了一款可覆盖200～2 800 MHz的超宽带电磁功率谱探测仪。

1.1 硬件设计

超宽带电磁功率谱探测仪由天线、宽带功率检测模块、电脑及检测应用软件组成。超宽带电磁功率综合检测模块的硬件原理图如图1所示。它包括：电源模块、功率采集处理模块、主控制器模块和数据处理及隔离模块。电源模块将输入的220 V交流电转换成5 V的供电电压。功率采集处理模块将天线探测到的信号进行采样处理，并将频率和功率的数据以脉冲的方式输出。主控制模块将脉冲信号转化成数据信号，以及统计出电路中负载的用电量，再通过串口的方式将数据信号发送出去，数据在电脑界面显示。

图1 超宽带电磁功率综合检测模块硬件原理

因单一天线无法满足探测频率范围的要求，测试时采用对数周期天线(探测频率范围是200～1 000 MHz)和脊喇叭天线(探测频率范围是1～18 GHz)。超宽带环境电磁功率谱探测仪实物图如图2所示。

图2 环境电磁能量检测系统实物

1.2 软件设计

主控制器模块的软件设计主要由数据采集、数据处理和串口通信组成。首先根据系统要实现的目标来设计软件界面和电脑显示的模块，然后编写功能子程序和主程序，接着利用虚拟串口在电脑上实现数据通信以及数据的显示。主控制模块的程序流程如图3所示。

图3 主控制模块程序流程

本文设计的超宽带电磁功率谱探测仪是成套的系统，方便携带，具有工作频段宽、测试灵敏度高、制作成本低、结构简单和稳定性高等特点，而国内相关的检测一般没有成套的测试设备，搭建系统较为复杂繁琐。

2 环境电磁能量功率谱的探测

为使测量结果具有代表性，分别选取成都市4个典型环境进行电磁能量功率谱的测量：市区中的四川大学滨江楼实验室(室内环境)、滨江楼楼顶(室外环境)、春熙路(成都市最繁华街区之一)和郊区的地铁2号线连山坡地铁站。测量结果如图4～图7所示。

根据图4～图7可知，在这4个地点中，在DTV、GSM900、GSM1800、3G、4G和Wi-Fi等典型的通信频段，所测试到的功率明显高于其他频点，探测到的电磁能量功率可达到-50 dBm，甚至是达到-40 dBm(同时，探测模块具有20 dB的衰减)。

图4 四川大学滨江楼实验室室内环境电磁能量功率分布

图5 四川大学滨江楼楼顶室外环境电磁能量功率分布

图6 成都市春熙路环境电磁能量功率分布

图7 成都市郊区的2号线连山坡地铁站环境电磁能量功率分布

上述测试得到的天线接收功率Pr可用式(1)转换为环境空间功率密度Sr[20]：

(1)

式中，Ae为天线的有效口径面积；G为天线增益；λ为对应频段波长。

4个地点在典型频段的空间环境电磁功率密度如表1～表4所示。

表1 四川大学滨江楼实验室室内环境典型 频段的功率密度值统计

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

表2 四川大学滨江楼楼顶室外环境典型 频段的功率密度值统计

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

表3 成都市春熙路环境典型频段的功率 密度值的统计

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

表4 成都市郊区(地铁2号线连山坡站)环境 典型频段的功率密度值的统计

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

根据表1和表2可得，在一般的室内或者室外环境下，在GSM1800、3 G等手机通信频段，能量功率密度很强，可达到22.3 nW/cm2，甚至达到50.8 nW/cm2；根据表3和表4可得，郊区环境的电磁能量较低，最大值仅有7.5 nW/cm2，而在主城区春熙路，人口密度很大的地方，电磁能量功率密度最高，在手机频段3 G以及WiFi频段，可达到74.6 nW/cm2以上。由以上结果可得，在所有通信频段中，功率密度最大值可达到74.6 nW/cm2。

该测试结果与国外伦敦地铁站所测得的最大值84 nW/cm2大致相同，同时，与国内测试的扬州、连云港和北京等地的测试值能级一致；故可得，一般城市空间中的电磁能量分布大致相同，但是本测试方法迅速、简捷，不需要繁杂的测试过程，构建的系统更为方便、有效。

3 结束语

针对测试城市空间中的电磁能量的分布情况，本文设计了一种可覆盖主要通信频段的超宽带电磁功率谱探测仪，构建了一套完整并简捷的测试系统，其测试过程简单、灵敏度高，能直观且迅速地得到测试的功率分布图，并通过对四川省成都市城市中典型环境的探测，了解了在人口密度很大的地方，电磁能量更高，在所有常用的通讯频段中，其功率密度最大值可达到74.6 nW/cm2。通过系统测试，不仅可以方便、快捷地了解一个城市的电磁能量分布以及能级大小的情况，为将来利用并收集城市空间中的电磁能量打下了基础，提供了可靠的能量收集依据。

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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

国家自然科学基金委员会—中国工程物理研究院联合基金资助项目(U1230112)。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.06.14

徐亚维，徐 可，陈 星.城市空间环境中电磁功率谱的探测[J].无线电工程,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

徐亚维 女，(1991—),硕士研究生。主要研究方向：环境电磁能量探测。

陈 星 男，(1970—),博士，教授。主要研究方向：天线设计、并行计算、电磁场数值计算和微波成像等。