多无线路由家居环境电磁的设计分析
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多无线路由家居环境电磁的设计分析

减小字体 增大字体 作者:佚名  来源:不详  发布时间:2012-4-18 15:25:30


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第一章    绪论
1.1   研究动机与目的
近年来,随着人们生活水平的提高,各种电子产品广泛进入人们的日常生活,然而电磁辐射问题却日益突出,影响居民的电磁辐射来源极为广泛,这严重影响着居民的正常生活和人身健康。然而,通过研究无线路由器的原理、配置、相关参数、天线性能已经电磁辐射理论原理等一系列措施,是可以有效降低电磁辐射对人体的伤害的。
    因此,我们必须加强电磁辐射的理论研究和实验,采取相应的预防治理措施,提高居住环境质量。
1.2   研究背景
随着人们环保意识的不断提高和人们对健康环境关心的升级,电磁辐射污染问题越来越受到人们的关注。电磁辐射的来源极为广泛,常见的如手机、电脑、MP3、医疗设备、广播、路由器等,这严重影响着人们的人身健康,而家居环境下无线路由器的使用所产生的辐射便是其中较为常见的一种。
电磁辐射对人体危害之大,其是心血管疾病、糖尿病、癌突变的主要诱因;其可对人体生殖系统,神经系统和免疫系统造成直接伤害;是造成孕妇流产、不育、畸胎等病变的诱发因素;过量的电磁辐射直接影响儿童组织发育、骨骼发育、视力下降;肝脏造血功能下降,严重者可导致视网膜脱落,等等一系列的危害。
有研究表明:电磁辐射已成为当今危害人类健康的致病源之—。调查表明,2毫高斯以上电磁波磁场中,人群患白血病的为正常的2.93倍,肌肉肿瘤的为正常的3.26倍;以研究电磁波与生物之间关系而著称的美国罗伯特•奥贝克教授在其著作《交差流行》中写到:电磁波复合辐射可以引发各种病,如白内障、小儿白血病、脑肿瘤、乳癌等。而据最新调查显示,我国每年出生的2000万儿童中,有35万为缺陷儿,其中25万为智力残缺,有专家认为电磁辐射也是影响因素之一。
因此,我们必须加强对无线路由器尤其是在多路由器工作的环境下的研究和认识,在技术和使用中采取相应的预防治理措施,降低电磁辐射对人体的不良影响,使科技更好的为人类服务
1.3   研究方法与系统描述
基本研究:学习无线路由器的原理、配置、相关参数、天线性能等一系列理论知识,在此基础上进行相关的电磁辐射的理论计算,以得出相应的模拟实验所需的参考数据。
模拟操作:以单个和多个无线路由器为实验单位,模拟无线路由器的电磁辐射情况,在满足使用需求的条件下,找出电磁辐射最强和最弱时无线路由器的最佳配置、天线朝向以及无线路由器摆放地点。在学校实验条件允许的情况下,以模拟的结果为大致参考标准,进行实际实验,验证模拟效果。
提出措施:根据得到的数据绘制成的表格,得出多无线路由器在家居环境中电磁状况的一般情况,并以此为基础给出一些防治的方法措施。
本文通过对无线路由器的基本参数、配置等的学习,并以电场、磁场理论为理论基础,结合电场叠加、波的干涉等相关知识,进行理论计算;在理论计算的基础上,在学校实验条件允许条件下,以实验验证。最后进一步,结合无线路由器在家具环境条件下的使用情况,提出相应的降低电磁辐射影响的措施。


第二章    无线路由器
2.1   无线路由器基本原理
路由器的硬件和计算机很类似,其实就是一台简单的计算机。主要由处理器、用于存储信息的内存、提供各种功能的操作系统以及用以连接外围设备或允许它和其他计算机通信的各种端口组成[13]。无线路由器可以与所有ADSL MODEM或CABLE MODEM直接相连,也可以在使用时通过交换机/集线器、宽带路由器等局域网方式再接入。其内置有简单的虚拟拨号软件,可以存储用户名和密码拨号上网,可以实现为拨号接入Internet的ADSL、CM等提供自动拨号功能,而无需手动拨号或占用一台电脑做服务器使用。此外, 无线路由器一般还具备相对更完善的安全防护功能。因此无线路由在家庭中受到广泛的应用,相应的电磁辐射也值得考虑的。
2.2   无线路由器相关参数
2.2.1  信号覆盖
无线路由器的 “有效工作距离”,这一项也是无线路由器的重要参数之一;顾名思义也就是说只有在无线路由器的信号覆盖范围内,其他计算机才能进行无线连接。“室内100米,室外400米”同样也是理想值,它会随网络环境的不同而各异;通常室内无障碍或障碍很少在50米范围内都可有较好的无线信号,而室外一般来说都只能达到100-200米左右。无线路由器信号强弱同样受环境的影响较大。
2.2.2   工作频率
无线路由器的工作频率是影响辐射极为重要的一个参数,通常为2.4G赫兹,本论文中用的就是此频率的TIP-LINK无线路由器。
2.2.3   增益天线
在无线网络中,天线可以达到增强无线信号的目的。其对空间不同方向具有不同的辐射或接收能力,而根据方向性的不同,天线有全向和定向两种。
全向天线:在水平面上,辐射与接收无最大方向的天线称为全向天线。全向天线由于无方向性,所以多用在点对多点通信的中心台。比如想要在相邻的两幢楼之间建立无线连接,就可以选择这类天线。本文实验涉及用的是全向天线路由器。
定向天线:有一个或多个辐射与接收能力最大方向的天线称为定向天线。定向天线能量集中,增益相对全向天线要高,适合于远距离点对点通信,同时由于具有方向性,抗干扰能力比较强。比如一个小区里,需要横跨几幢楼建立无线连接时,就可以选择这类天线。


第三章    电磁辐射
3.1  电磁场理论
电磁场是有内在联系、相互依存的电场和磁场的统一体和总称,随时间变化的电场产生磁场,随时间变化的磁场产生电场,两者互为因果,形成电磁场。电磁场是电磁作用的媒递物,具有能量和动量,是物质存在的一种形式。当电流变化时,在其周围的空间除磁场外,还存在随时间变化的电场。一般来说,电场的变化率也是时间的函数,所以它激发的磁场也随时间变化,即:在充满变化的电场空间,同时充满着变化的磁场。
3.2.1  电磁场形成
当电流发生变化时,在其周围除了磁场之外,还有随时间而变化的电场。电与磁的交互作用不能说是分开的过程,仅能说是电磁交互作用的两种形态。不仅磁场的任何变化伴随着电场的出现,而且电场的任何变化也伴随着磁场的出现。所以在电磁场内,电场可以不因为电荷而存在,而由于磁场的变化而产生,磁场也可以不是由于电流的存在而存在,而是由于电场变化所产。因此,交变电磁场可以存在于这样的空间范围内,该处即没有电荷,也没有电流,而且也没有任何物体。电场与磁场之间的联系,不仅使电磁场在没有电荷和电流时能够存在,而且使这个场能够在空间传播[11]。交变电场在相邻空间范围内激励起交变磁场,交变磁场又在毗邻的空间范围内激励起交变电场,因此交变电流电磁场可以不通过导体在空间传播。
3.2.2  电磁场的基本方程
麦克斯

韦方程组是电磁场的基本方程,是研究一切宏观电磁现象和工程电磁问题的理论基础。电磁场的性质、特征及其运动变化规律都由麦克斯韦方程组确定。
若用 表示三维空间位置矢量, 表示时间变量,则麦克斯韦方程组的微分形式为:
                                    (3.1.1)
                                     (3.1.2)
                                                     (3.1.3)
                                                 (3.1.4)
式中,   ——电场强度矢量, ;
 ——磁场强度矢量, ;
 ——电位移矢量, ;
 ——磁感应强度矢量, ;
 ——电流密度矢量, ;
 ——电荷密度, 。
式(3.2.7)称为全电流安培定律。 是自由电子在导电媒质中运动形成的传导电流。 称作位移电流,本质是时变电场的时间变化率,在产生磁效应方面与一般电流等效,表明了时变电场可以产生磁场。
根据散度定理和斯托克斯定理
                                                          (3.1.5)                                          
                                                        (3.1.6)          
得到如下积分形式的麦克斯韦方程组:
                                                    (3.1.7)
                                    

          

                 (3.1.8)
                                                         (3.1.9)
                                                              (3.1.10)
麦克斯韦方程组概括了:电场和磁场存在的形式和条件;两者间的相互作用和转化;他们与有关的微观束缚力场的相互作用。因为麦克斯韦方程组全面地概括了电磁场规律。
 和 、 和 以及电流密度 和电场密度 之间存在如下关系:
                                                    (3.1.11)
                                               (3.1.12)
                                                     (3.1.13)
这些关系称为介质的电磁性质方程,它们反映了介质的宏观电磁性质。
其中, ; , 、 、 分别是介质的相对介电常数、相对磁导率、电导率。
3.1  电磁波理论
电磁波是以波动形式存在的电磁场,它可以脱离电荷和电流而在空间传播,它的传播不需要介质。
3.1.1  电磁波辐射原理
相对静止的电荷周围存在着电场,并且这个电场依附于电荷,它不会脱离电荷而在空间自行运动[12]。当电荷作宏观定向运动产生恒定电流,恒定电流又形成恒定磁场。这个磁场依附于电流,它不会脱离电流而在空间自动行进。当电荷加速运动时,就有电磁场脱离运动电荷而在空间中自动传播。电荷的加速运动中典型的是正弦交流电,其必然会产生脱离波源的电磁波。此外,在电容器充电和放电过程中,都由于电荷作加速运动产生辐射。不同的是,当正弦交流电达到稳定状态时,辐射的电磁波也是稳定的。
运动中的磁场会产生电场以维护电场,不使之消失;运动中的电场也会产生磁场以维持磁场,不使之消失。这种运动中的电场和磁场互相激励的规律是在长期生产和科学实践中逐步认识的。
3.1.2  电磁辐射能流密度
波动是能量输运的一种基本方式,电磁波的传播过程就是电磁场能的输运过程。为了描述能量在空间的输运,引入能流密度矢量 的概念。 的方向指向能量流动的方向且大小等于单位时间内通过与 垂直的单位面积的能量。下面以闭合曲面内能量的变化率来研究能流密度矢量。要是电介质和磁介质的状态发生变化,就需要外界对介质做功。
外界对单位体积介质的电磁功率为
                                            (3.2.1)                           &nb

          

sp;     
由                                                      (3.2.2)
                                                 (3.2.3)           
有                                          (3.2.4)                  
根据矢量场论的高斯定理,能量的增减率为:
                                      (3.2.5)             
上式左端的第一项表达式为能流密度矢量:
                                                               (3.2.6)
3.3  天线辐射
本文计算半波天线的辐射,其天线长度至少达到与波长同数量级,长度约为半波长。
3.3.1  天线上的电流分布
    当天线长度与波长 同级时,直接用公式
                                                 (3.3.1)
计算.计算前首先要求出天线上的电流密度 。由于天线上的电流是受到场作用的,因此这个问题的彻底解决要求把天线外面的场和天线上的电流作为相互作用的两个方面,用天线表面边值关系联系起来,作为边值问题来求解。以下分析细长直线天线上电流分布的形式。
 设天线沿 轴,天线表面上的电流 沿 轴方向,因而 只有 分量.由洛伦兹条件
                                            (3.3.2)

                (3.3.3)
则有
                 (3.3.4)
设天线为理想导体,在天线表面上,电场切向分量 ,因而在天线表面上 满足一维波动方程
   

          

              (3.3.5)
因此,沿天线表面, 是一种波动形式.
矢势 与天线电流的关系是推迟势公式(3-4-1) 
                                    (3.3.6)                                                                                                  
3.3.2  半波天线
设有中心馈电的直线状天线(如右图)。
天线上的电流近似为驻波形式,两端为波节。
设天线的总长度为 ,则电流分部为
                                 (3.3.7)
                                                
若 ,则上式即为
      ,                           (3.3.8)
在矢量公式(3.3.6)中,把 改为 ,并把(3.3.8)式代入,则有
                                      (3.3.9)
计算远场时,令
其中 为有原点到场点的距离。取 最低次项时,分母中的 可代替 .上式变为
                               (3.3.10)
又有
                                (3.3.11)
代入(3.3.10)有
                                     (3.3.12)
此时可得出辐射区的电磁场
           
                                &

          

nbsp;                                      (3.3.13)
           
辐射能流密度为
                               (3.3.14)
辐射角分布由因子
 
确定。其余偶极辐射角分布相似,但较集中于  平面上。
总辐射角功率
                              (3.3.15)
令 ,积分化为
        
第二个括号里两项贡献相等(作代换 即可看出),上式即为
      
再令 ,上式即为
      
其中, 为欧拉常数,即
      
 的值可查表求出,则
       (3.3.16)
    
3.4  电磁辐射的原理及辐射大小决定因素
3.4.1  电磁辐射作用于人体的原理
在我们周围,只要存在通电的导体,就会存在电磁场,所以电磁辐射在当今社会是无处不在。电磁辐射由电荷移动所产生的并在空间共同移送的电能量和磁能量所组成,无色无味无形,可以穿透包括人体多种物质,人体如果长期暴露在超过安全的辐射剂量下,人体细胞就会被大面积杀伤或杀死,影响人体健康。在电磁场中,生物分子大部分是电介质。电磁波是由交变的电场、磁场在空间传播,与生物体作用,可以被生物体物质所吸收。生物体在交变磁场中,受到电磁辐射的作用,一般会发生热效应和非热效应两种生物效应:
热效应
人体组织主要是由水分子和蛋白分子这两种极性组成,在没外电磁场作用时,热运动使他们处于不规则的随机状态,整个组织不显电性;当受到外加交变电磁场作用时,极性分子被极化。由杂乱无章的排列开始重新排队,在交变电磁波不断作用的情况下,极性分子间摩擦生热,使机体产生热量,使蛋白变形、酶失活,从而影响机体各项生命活动。当辐射功能密度大于100毫瓦每平方厘米时,人体吸收的辐射能转化的热量超过人体温度调节能力时,会引起局部体温明显升高,或引起生理紊乱。热效应损伤对热比较敏感的器官,比如眼睛、大脑等。
非热效应
在电磁场的辐射下,人体有些组织不易显示出热效应,但是会造成一些非热效应。因为人体具有保持恒温的自我调节能力,当电磁辐射产生的比吸收率小于某一数值时,人体的温度不会升高,故不会有电磁辐射热效应;当人体吸收电磁辐射的功率超过一定数值时,人体温度才会升高,即电磁辐射的阈值效应。通常,静电场、恒定磁场、低频磁场引起非热效应。非热效应也会对人体产生一些影响,比如,常见的人体失衡、头晕、失眠、疲劳、恶心等症状。

3.4.2  决定辐射大小的因素
(1)工作频率。与电磁场的场强和频率以及生物体固有频率有关,当电磁波的频率与生物体的频率发生谐振时,影响最大。
(2)作用时间。电磁辐射具有累积效应,时间越长,辐射越大。
(3)与距辐射源的距离。距离越远,辐射越小。
(4)环境温度湿度。在温度高、湿度大的环境中,生物体不易散热,因而辐射更大。


第四章    计算和分析
4.1  电磁检测方法
受实验条件限制,本文涉及的电磁辐射检测主要通过笔记本电脑WirelessMon V2 Build:1013专业版进行信号检测,检测得到的功率再通过理论变换求得某处的接收功率( )以. 本文实验用TP-LINK系列的TL-WR641G+型号的无线路由器,其发射功率 为20dbm(最大值),工作频率 为2.4G。
    如图为某一检测样本,其中纵轴为功率;横轴为时间。
图1 
4.2  数据分析方法
   分析电磁辐射主要分析两个数据.一是场点的电场强度 ,本文中场强方向均视为在竖直方向;二是辐射能留密度 。
在式
                               (4.2.1)

                            (4.2.2)
中,因子
                              &n

          

bsp;         (4.2.3)
确定辐射角的分布。它与偶极辐射角的分布相似,但主要集中在 平面上,故求解3)时近似取 。
又   , ,可求出  ;且有  , ,则代入  有
                              (4.2.4)
                   (4.2.5)

           (4.2.6)
           (4.2.7)

规定竖直方向向上为正。当只有一个辐射源,即一个无线路由器工作时, 和   的值如表格所示;当有多个无线路由器的时候,这里假设用的都是同型号的产品,由于电场方向均在竖直方向上, 可直接矢量加减计算,比较简单; 是标量,直接计算和值即可。 即:
    (4.2.8) 
     和            (4.2.9)
易得模为
  (4.210.)
4.3  检测结果以及数据分析
 以下是单个路由器辐射检测并计算得到的电场及能流密度:
表1 理论及检测数据
值类别      R 值
            单位 0.50m 1.00m 5.00m 10.00m …


值 
 
6.27 3.136 0.63 0.314 …
      
 
5.22 1.305 0.05 0.013 …
实验
值 功
率 
-10.00 -16.00 -30.00 -37.00 …
  
100.00 25.00 10.00 0.20 …
      
 
5.00 1.25 0.05 0.01 …
注: 表中换算关系式 :其中网卡接收面积为 20平方厘米。
 
       
    部分实验数据与理论数据差距较为明显,主要是因为测量工具简单造成,数据取值也因实验条件限制比较粗略。但物理规律是大致相同。正如理论计算和实验得出的结果所示,无线路由器产品的信号衰减是相当大的。一般家用无线路由器的有效距离只有几十米,这点也正好和理论计算与实验值想吻合,在10米处的信号是很弱的。

4.4  多路由器工作时的电磁辐射计算
 为了给出多路由工作时辐射安全距离的计算,首先给出国家环境电磁辐射标准。按照《中华人民共和国国家标准环境电磁波为是标准》GB1975-88,规定如下:
表2  《中华人民共和国国家标准环境电磁波为是标准》GB1975-88
波长 单位 容许场强
  一级标准(安全区) 二级标准(中间区)
长/中/短波 
<10 <25
超短波 
<5 <12
微波 
<10 <40
混合 
按主要波段场强;若各波段场分散,则按复合场强加权确定
注:安全区,指在该环境电磁波强度下长期居住、工作、生活的一切人群(包括婴儿、孕妇和老弱病残者),均在会受到任何有害影响的区域;
中间区,指在该环境电磁波强度下长期居住、工作和生活的一切人群(包括婴儿、孕妇和老弱病残者)可能引起潜在性不良反应的区域;在此区内可建造工厂和机关,但在许建造居民住宅、学较、医院和疗养院等,已建造的必须采取适当的防护措施。
当只使用一个无线路由器的时候,场点的辐射能流密度与场点到原点的距离R的二次方成正比,即
 (4.3.1)

要使场点辐射能流密度小于10 ,则场点到源点距离R至少为0.36m,此时才是一级安全的,可放心使用;要使辐射能流密度小于40 ,则则场点到源点距离R至少为0.18m,此时才是二级安全的
当有两个或两个以上无线路由器同时开启时,其辐射能流密度为各个无线路由器在该场点的辐射能流密度之和,即
                                               (4.3.2)

只要多个无线路由器在场点的辐射能留密度总和在安全范围内,那么就是安全的;例如右图
S1 、S2是两个完全相同的无线路由器, 、 分别为场点到源点S1

          

S2的距离,取  、  则 ,故也是安全的。
 按照《中华人民共和国国家标准环境电磁波为是标准》GB1975-88,对于微波段的电磁辐射主要以辐射能流密度为参照标准,对于电场强度没有规定。本文中若计算也是通过规定的辐射能流密度反推出电场强度,再与实验得出的电场强度进行对比,工作显重复,所以未做此项工作。
  

第五章    结论
根据检测的结果以及电磁波理论的计算,并对照国家环境电磁辐射标准,可以认为,在不考虑个体差异的情况下,一般家居环境中多个无线路由器辐射尚不至于造成过强的辐射危害,因此可以安全使用。尽管如此,为了有效减小电磁辐射对人体的危害,以下几个指标需特别关注:
1、在选择无线路由器的时候,只要该无线路由器的性能如频率等指标满足使用需求即可,不必过分追求那些高性能指标的产品。比如,功率越大,其对人体的辐射影响越明显;
2、注意电磁辐射的作用时间。电磁辐射具有累积效应,时间越长,辐射越大。在夜间及其他不使用时尽量关闭无线路由器;
3、距辐射源的距离。辐射程度随着距辐射源的距离呈现出递减的趋势,距离越远,辐射越小,因此不要将无线路由器放置在距离人体太近的地方;
4 环境温度湿度。在温度高、湿度大的环境中,生物体不易散热,因而辐射更大。所以,使用无线路由器时,一个良好的实验环境也非常重要。
以上是决定电磁辐射大小的主要因素。电磁辐射是一个复杂的作用过程,除此之外,还与很多因素有关,比如生物体之间的个体差异等等。


致谢
感谢朱伦武老师在本课题选题及研究过程中给予的悉心指导和大力帮助,多次关心论文研究进程,并为我在各种问题上指点迷津。更重要的是朱伦武老师认真负责、一丝不苟的态度使我印象深刻,同时也使我受益匪浅。其次我要感谢帮助我的同学们,正是由于他们的帮助和支持,使我一次又一次使论文过程中遇到的问题一个个得以解答。
最后,我向所有帮助过我的老师和同学们衷心的道一声——谢谢!


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