一种便捷式可测频率电磁辐射测量仪及其频率测量方法与流程

本发明属于频率测量技术领域，涉及对电磁辐射的测量，为一种便捷式可测频率的电磁辐射测量仪及其频率测量方法。

背景技术：

随着我国经济的快速发展，信息化、电子化及信息化水平的提高，各种电器已经走遍千家万户。电器便捷了我们的生活，同样，它们也存在污染。这些电器都是由各种电路组成，都会存在产生各种不同频率的电磁辐射。手机，电脑，家电等辐射设备越来越多，电磁辐射呈快速增长的趋势。

由此产生的电磁辐射污染日益得到人们的重视。随着人们对电磁辐射污染的重视，电磁辐射及频率特性认识越来越受到人们的普及，电磁辐射测量设备的需求量将会显著提高。

现有电磁辐射测量设备存在的问题，无法确定当前信号的频率，或者说在不知道信号频率的情况下无法进行准确测量。现有设备存在的诸多缺陷，有的测量准确，但是价格昂贵，使用复杂；有的价格便宜，但是体积庞大且功能单一，不能同时测量电磁辐射强度和电磁波频率信息，使用不方便；有的使用便捷，但测量频段过窄；总体而言无法全面的满足个人对电磁辐射测量的需求。例如，专利cn201310410314.4“一种测量室内电磁辐射的测量装置及测量方法”公开的方案，采用电阻辐射传感器、pic16f877单片机，根据室内环境电磁波的传播特点，将电磁波划分为三个频段，通过选择响应不同频率的探头实现不同频率的分段测试，而对于普通使用用户，在不知道所测频率范围时，则需要花费大量的时间来更换不同的探头，才能得到检测结果。

技术实现要素：

本发明要解决的问题是：现有专业的电磁辐射测量设备价格昂贵，使用复杂，体积较大不适合操作，无法满足个人用户对自身电磁环境的检测需求，而低成本的家用电磁辐射测量设备不能同时测量电磁辐射强度和电磁波频率信息，检测程序繁琐，检测效果难以保证。

本发明的技术方案为：一种便捷式可测频率的电磁辐射测量仪，包括辐射信号采集模块、频率测量及功率检测模块以及智能终端模块，辐射信号采集模块采集的信号输入频率测量及功率检测模块后分别进入两路测量检测电路，两路测量检测电路均为依次连接的衰减匹配单元、频率特性器件和功率检测模块，其中两路电路的频率特性器件具有不同s21频率特性曲线，功率检测模块将接收到的信号转化为直流模拟电平信号输出，两路测量检测电路输出电压值至智能终端模块，智能终端模块用于对得到的两路电压计算电压差，并根据电压差和输入频率之间的线性对数关系计算得到输入信号频率，即辐射信号采集模块采集的信号的频率。

所述两路电路的频率特性器件，输入和输出功率比随频率升高时分别单调递减和单调递增，分别采用低通滤波器和高通滤波器在其阻带的频率特性来实现，低通滤波器和高通滤波器分别作为该频率特性器件。

作为优选方式，功率检测电路采用的芯片是ad8313检测芯片。

作为优选方式，频率特性频率测量及功率检测模块和智能终端模块集成在一个介质板上。

进一步的，所述智能终端模块为基于android操作系统的智能手机，具有usb-otg-micro通用安卓手机接口，频率测量及功率检测模块的输出通过模数转换，转换成数字信号，通过otg数据线与智能手机进行数据交互、电能传输，并进行数据显示。

一种电磁辐射的频率测量方法，辐射采集装置的接收天线采集到辐射信号的功率p，功率p分两路处理，首先均通过衰减匹配单元调整输入阻抗，然后分别输入具有不同s21频率特性曲线的频率特性器件，再进入功率检测电路检波，功率检测电路将接收到的信号转化为直流模拟电平信号输出，功率检测电路的输出电压和它的输入功率是一个线性对数关系；其中两个频率特性器件的输入和输出功率比随频率升高时分别单调递减和单调递增，设两个频率特性器件的s21参数随频率变化函数分别为s1(f)和s2(f)，则功率检测电路的输出电压为：

其中，k和c分别为所述线型对数关系中的比例常数和系数，

v1和v2相减，得：

将两个频率特性器件的s21参数随频率变化函数s1(f)和s2(f)的比值设为函数s(f)，此时，功率检测电路得到的电压差和输入频率之间为线性对数关系，函数s(f)通过对频率测量及功率检测模块预先完成的若干测试数据进行拟合确定，由此根据两路功率检测电路的输出电压差计算得到输入的辐射信号的频率。

进一步的，通过功率检测电路得到的电压v1、v2，辐射信号的频率，以及频率、输入功率之间的线性对数关系式，得到输入功率值p，再将输入功率除以辐射测量仪中接收天线的有效面积，得到电磁辐射强度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明方法巧妙的通过两路功率检测电路得到的电压差来计算输入频率，实现了频率特性和电磁辐射强度的同时测量。辐射测量仪检测被测信号时，首先按照功率检测电路得到的电压差和输入频率之间的线性对数关系式得到被测信号的频率；再根据测得的频率，通过功率检测电路得到的电压v1或v2和频率、输入功率之间的线性对数关系式，得到输入功率，再将输入功率除以辐射测量仪中接收天线的有效面积，最终得到电磁辐射强度。

(2)本发明具有体积小、成本低的特点，测量仪硬件结构简单，设备成本低，进一步将功率检测电路和频率特性结构集成在一个介质板上，更有利于辐射测量仪的小型化，测量仪内部无需电池，只需连接智能终端(智能手机)即可使用。

附图说明

图1为本发明测量仪的结构示意图。

图2为本发明测量仪的频率测量及功率检测模块的电路示意图。

图3为本发明测量方法的输入频率和电压差值关系图。

具体实施方式

如图1所示，一种便捷式可测频率电磁辐射测量仪，包括辐射信号采集模块、频率测量及功率检测模块以及智能终端模块，辐射信号采集模块采集的信号输入频率测量及功率检测模块后分别进入两路测量检测电路，两路测量检测电路均为依次连接的衰减匹配单元、频率特性器件和功率检测模块，其中两路电路的频率特性器件具有不同s21频率特性曲线，功率检测模块将接收到的信号转化为直流模拟电平信号输出，两路测量检测电路输出电压值至智能终端模块，智能终端模块用于对得到的两路电压计算电压差，并根据电压差和输入频率之间的线性对数关系计算得到输入信号频率，即辐射信号采集模块采集的信号的频率。

首先，假设辐射测量计的接收天线直接连接在功率检测电路上。根据对功率检测芯片的实测和官方的文档可知，功率检测的输出电压v和它的输入功率p是一个线性对数关系，可以设为v＝klogp+c。那么输出电压就是输入功率p的一个函数，即v(p)，这种单一的功率-电压关系与频率不存在联系。k和c分别为比例常数和系数，可通过对功率检测芯片的实测数据进行拟合后确定。

本发明中，设计了在功率检测电路输入端添加电路的方案，通过添加的电路结构在输入的功率中引入输入频率，则在功率检测电路的输出电压表示为v(f,p)。v(f,p)表示电压v与频率f和输入功率p的关系，表示为v＝klog(s1(f)p)+c，其中频率f和输入功率p未知，相当于二元函数，根据一路电压无法求解，所以通过电压v1和v2的差值消元，可得到电压差与频率的关系

此时，输出电压就和输入频率有了联系。为了能够通过输出的电压计算输入信号的频率，需要知道在同频率的输入信号下的两个不同输出电压值。因此，本发明将一路输出改为两路，如图2所示，在测量仪的电路设计中，为了在工作频带上用两个输出电压计算输入频率而不存在两个解的情况，那么这两个输出电压函数的曲线应为单调且这两条曲线之间的单调性需相反，这可以提高两个函数曲线之间的区分度，利于求得频率的解。考虑到利用输入功率将频率和电压产生联系，我们使用器件的输入和输出功率比，即s21来引入频率参量。最后，根据功率检测模块的线性对数特性，这也就要求设计的电路的s21也是单调的，且两个电路的s21单调性相反。

设两个频率特性器件的s21参数随频率变化函数分别为s1(f)和s2(f)，那么两路功率检测电路的输出电压根据表示为：

把v1和v2相减，可得：

将两个频率特性器件的s21参数随频率变化函数s1(f)和s2(f)的比值设为函数s(f)，函数s(f)通过对频率测量及功率检测模块预先完成的若干测试数据进行拟合确定，可以看出最后的功率检测电路得到的电压差和输入频率之间是线性对数关系，如图3所示，那么从理论上来说由此可以求出输入频率。屏幕显示的电磁波功率密度可以从电压值得到。

辐射测量仪检测被测信号时，首先按照功率检测电路得到的电压差和输入频率之间的线性对数关系式得到被测信号的频率；再根据测得的频率，通过功率检测电路得到的电压v1或v2和频率、输入功率之间的线性对数关系式v＝klog(s1(f)p)+c，得到输入功率，再将输入功率除以辐射测量仪中接收天线的有效面积，最终得到电磁辐射强度。

其中功率检测模块得到的电压v1或v2和接收天线的接收功率呈线性关系，通过的得到的电压v1或v2可得到天线的接收功率p，接收功率除以辐射测量仪中接收天线的有效面积ae，最终得到电磁辐射强度。

上式中ae为辐射测量仪中接收天线的有效面积，gr为辐射测量仪中接收天线的天线增益，λ为测量信号的波长。所以通过测量辐射测量仪中接收天线的增益，就可以得到天线的有效面积，从而得到电磁辐射强度。

工作时，本发明的信号采集模块采用超宽带接收天线，优选工作宽带为0.3ghz～3ghz；将空间的电磁辐射信号收集转化为电流信号。接收天线接收的电磁辐射信号先分2路分别进入衰减匹配模块单元，衰减匹配模块单元为t型衰减网络结构，来调整电路输入阻抗，该单元减小了输入信号幅度，避免芯片输入功率超过限值；使得整个电路获得阻抗匹配。

再进入具有不同s21频率特性曲线的频率特性器件，两个频率特性器件具有不同s21频率特性曲线，即其输入和输出功率比随频率升高时分别单调递减和单调递增，可以分别采用低通滤波器和高通滤波器在其阻带的频率特性来实现，并将低通滤波器和高通滤波器分别作为该频率特性器件。

接着，进入功率检测电路检波，功率检测电路将接收到的信号转化为直流模拟电平信号输出。通过输出的电压计算输入信号的频率；同频率的输入信号下的会有两个不同输出电压值，输出为两路电压差，输出电压差就和输入频率有了联系，两路功率检测电路得到的电压差和输入频率之间是线性对数关系，那么就可以求出输入频率。

智能终端模块用于数据交互、数据处理和数据显示，功率检测电路的直流信号送入智能终端模块，进行数据处理，即上述计算，得到频率和辐射强度的数据，并进行数据显示。

本发明还可基于android操作系统的手机，实现便捷式可测频率电磁辐射测量仪，所述手机为具有usb-otg-micro通用接口的安卓手机，从功率检测电路得到的直流模拟信号经过c8051f330单片机的模数转换，转换成利于传输的数字信号，通过usb-otg接口与智能手机进行数据交互。最终转化为可视的读数在智能手机上完成显示。所述的数据交互模块为usb-otg的数据交互模块，该模块进行电路与智能终端(智能手机)之间数据信息与电能的交互传输。从而，电磁辐射测量仪内部不需要电池或外接电源。

现有安卓手机大多支持设置有otg功能，打开手机设置中的otg功能即可向外提供5v的电源，而且测量仪中的功率检测电路和单片机模数转换电路所采用的是低功耗器件，不会对手机电池造成损害。

本发明可由智能手机进行供电，省去了额外的供电模块，大大增强了电磁辐射测试仪的便携性。通过预先在移动智能终端中安装频率和辐射强度计算程序的软件，更方便普通用户的测量，不光可以获取电磁辐射强度，还可以得到电磁波频率信息，具有很大市场潜力。