（生物医学工程专业论文）电磁辐射生物效应测试中若干问题的研究.pdf

北京邮电大学硕士学位论文 电磁辐射生物效应测试 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：盈蚓 型 日期：碰丝，至。些 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授权书。 日期：冱应：墨：醛 醐：纠俨 北京邮电大学硕士学位论文电磁辐射生物效应测试中若干问题的研究 电磁辐射生物效应测试中若干问题的研究 摘要 本文主要涉及电磁辐射生物效应测试方面的两个问题，其中一个 为任意位置矩形孔金属腔体电场屏蔽性能的研究；另一个为将机器手 引入到智能天线测试过程中的可行性的探索与研究。 关于金属腔体屏蔽效能的研究：随着电子设备工作频率的不断提 高，电磁辐射发射日趋严重，电子设备的电磁兼容性设计就显得越来 越重要。而其机箱上为散热、通风、操作等实际需要所设置的孔洞， 破坏了屏蔽壳体的电连续性，成为电磁屏蔽的一个薄弱环节，严重影 响到屏蔽壳体的屏蔽效能。因此，研究开孔的形状、数量、大小及排 列，对电子设备的屏蔽效能各有什么样的影响，就显得格外重要。对 机箱上有孔缝的电子设备屏蔽效能的数值求解方法，前人己做了大量 研究，而本文将传输线理论扩展到高频，对任意位置的矩形孔金属屏 蔽腔体的电场屏蔽效能进行分析，并通过计算机仿真对结果予以验 证，理论分析结果与计算机仿真结果得到了很好的吻合。 关于将机器手引入到智能天线的测试过程中的可行性的探索与 研究：由于智能天线在测试的过程中会从多角度，多方位，多个高度 进行取值，而目前国内的测试系统多采用机械架，需要人为的对天线 的高度，方向，电下倾角等进行调整，这就为天线测试过程带来了很 多不便，由于人为的操作，会对天线测试的精准度产生一定的影响。 因此如果将测试机器手引入，使得智能天线在测试的过程中可以很精 确地调整到需要测试的高度，方向，以及电下倾角，而且通过后台软 件的操作，会极大的缩短测试的时间，在大大降低人力的同时，还可 以大大提高测试结果的精确度。 本文的意义在于针对上述将机器人引入到智能天线的测试中这 一设想，通过计算机仿真的方法，对将机器手引入到智能天线的测试 过程中，机器手对智能天线辐射方向图的影响进行了模拟，并根据结 果提出了相应的改进措施，从而对可行性进行评估。 关键词：传输线屏蔽效能机器人智能天线天线测试 i i 北京邮电大学硕士学位论文电磁辐射生物效应测试中若干问题的研究 r e s e a r c h o nt h ei s s u e s0 f b 1 0 l o g i c a l e f f e c t so fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n a b s t a c t t i l i sp a p e rc o n t a i n st w oa s p e c t so fe l e c t r o m a g n e t i ec o m p a t i b i l i t yp r o b l e m s ，o n e i st h ee s t i m a t i o no fd e c t r i cs h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s so fam e t a l l i ce n c l o s u r ew i m o f f - c e n t e r e c ! a p e r t u r e ，t h eo t h e ri st h ef e a s i b i l i t ye x p l o r a t i o na n dr e s e a r c ho ft h e i n t r o d u c t i o no ft h em a c h i n ef o rt h es m a r ta n t e n n at e s t s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s so fam e t a l l i ce n c l o s u r ew i t l lo f f - c e n t e r e da p e r t u r e ：a st h e o p e r a t i n gf r e q u e n c yo fe l e c t r o n i ce q u i p m e n tc o n t i n u e st oi m p r o v e ，g r o w i n ge m i s s i o n o fe l e c t r o m a g n e t i cr a d i a t i o n , t h ed e s i g no nt h ee l e c t r o m a g n e t i cc o m p a t i b i l i t yo f e l e c t r o n i ce q u i p m e n t ，b e c o m e si n c r e a s i n g l yi m p o r t a n t a n dt h ea p e r t u r es e tb yt h e a c t u a ln e e d so fc o o l i n g , v e n t i l a t i o n ，o p e r a t i o n , d e s t r o y e dt h ec o n t i n u i t yo ft h ee l e c t r i c s h i e l d i n gs h e l la n db e c o m ea w e a kl i n ki ne l e c t r o m a g n e t i cs h i e l d i n g , w h i c hs e r i o u s l y a f f e c t e dt h es h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s so fs h i e l d i n gs h e l l t h e r e f o r e ，t h es t u d yo ft h e o p e n i n gs h a p e ，n u m b e r , s i z ea n da r r a n g e m e n t , b e c o m e sm o r ei m p o r t a n tf o rt h e s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s so fe l e c t r o n i ce q u i p m e n t o u rp r e d e c e s s o r sh a v ed o n eal o to f r e s e a r c ho nt h en u m e r i c a ls o l u t i o nm e t h o d so fe l e c t r o n i ce q u i p m e n ts l i ts h i e l d i n g e f f e c t i v e n e s s t 嫩sa r t i c l ew i l lb ee x t e n d e dt oh i g h - f r e q u e n c yt r a n s m i s s i o nl i n et h e o r y f o rt h ee l e c t r i cf i e l ds h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s sa n a l y s i s ，a n dv e r i f yt h r o u g hc o m p u t e r s i m u l a t i o n t h er e s u l t so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o nw e r ei ng o o d a g r e e m e n t 1 1 1 ef e a s i b i l i t ye x p l o r a t i o na n dr e s e a r c ho ft h ei n t r o d u c t i o no ft h em a c h i n ef o r t h es m a r ta n t e n n at e s t ：a st h es m a r ta n t e n n ai nt h et e s tp r o c e s sf r o mm a n ya n g l e s ， m u l t i - f a c e t e d ，m u l t i v a l u eh e i g h t s ，a n dt h ec u r r e n td o m e s t i ct e s ts y s t e mw eu s ei s m e c h a n i c a lf r a m e ，s o ，i tn e e d sm a n - m a d ea d j u s t m e n to fa n t e n n ah e i g h t ，d i r e c t i o n , i i i 北京邮电大学硕 学位论文 电磁辐射生物效应测试中若干问题的研究 a n g l eu n d e re l e c t r i c i tb r i n g sal o to fi n c o n v e n i e n c e ，h a v ea ni m p a c to ft h ea c c u r a c y o ft h ea n t e n n at e s t t h e r e f o r e ，i fi n t r o d u c e dt h et e s tr o b o t , i tc a na d j u s ta c c u r a c yo ft h e a n g l e s ，m u l t i - f a c e t e d ，m u l t i v a l u eh e i g h t s ，o p e r a t i n gb yt h eb a c k g r o u n ds o f t w a r ew i l l g r e a t l ys h o r t e nt h et e s tt i m e , r e d u c el a b o r , i m p r o v et h ea c c u r a c yo f t e s tr e s u l t s t i l i sa r t i c l ei sa b o u tt h em e t h o db yc o m p u t e rs i m u l a t i o no ns m a r ta n t e n n a r a d i a t i o np a t t e r n ，a n a l y s i st h ei m p a c tt h a ti n t r o d u c et h er o b o ti n t ot h es m a r ta n t e n n a t e s t m a k ei m p r o v e m e n ti na c c o r d a n c ew i t ht h er e s u l t so ft h ec o r r e s p o n d i n gm e a s u r e s a s s e s st h ef e a s i b i l i t y k e yw o r d s ：t r a n s m i s s i o nl i n e ；s h i e l d i n ge f f e c t i v e n e s s ；r o b o t ；s m a r ta n t e n n a ； a n t e n n at e s t 北京邮电大学硕士学位论文 电磁辐射生物效应测试中若干问题的研究 目录 第一章绪论1 1 1 电磁辐射生物效应1 1 1 1 电磁辐射的生物效应1 1 1 2 电磁辐射的防护措施2 1 2 课题的目的和意义3 1 3 研究现状4 1 4 论文结构及创新点5 1 4 1 论文结构5 1 4 2 论文主要创新点一5 第二章任意位置矩形孔金属腔体电场屏蔽性能的研究： 6 2 1 概述6 2 2 传输线理论分析6 2 3 数值仿真9 2 4 结论，11 第三章机器人在智能天线测试过程中的应用的探索与研究 3 1 智能天线概述1 2 “3 1 1 智能天线的基本概念1 2 3 1 2 智能天线的分类1 3 3 1 3 智能天线的基本结构和工作原理1 5 3 2 智能天线的用途1 7 3 3 机器人在现代科技中的应用。1 8 3 3 1 、概述。l8 3 3 2 、工业机器人的发展1 8 3 4 智能天线测试的相关理论2 3 3 4 1 天线测试的相关指标2 3 3 4 2 国内的相关标准。2 4 3 4 3 将机器手应用到测试中的优点3 3 3 4 4 仿真结果与分析。3 4 3 4 5 结论5 2 第四章总结与展望 4 1 工作总结5 3 4 2 工作展望5 3 羞参考文献5 4 致谢 攻读硕士期间发表论文情况 v 5 5 5 6 北京邮电大学硕士学位论文 电磁辐射生物效应测试中菪干问题的研究 1 1 电磁辐射生物效应 第一章绪论 2 1 世纪人类电磁环境的恶化已成定局严重，由于空间电磁能量平均每年增长 7 一1 4 ，恶化的电磁环境不仅在电气、电子设备间造成电磁干扰影响设备的正 常工作，而且还会危害人们的身心健康，国内外学者对环境科学极为重视，大力 开展这方面的科学研究工作。 随着电子技术的应用和通讯工业的发展，电磁辐射的污染越来越严重，已 经成为继水、空气、固体垃圾污染之后的第四大公害。电磁辐射的主要来源有 广播电视发射装置；通信设备的普及和应用；工业、科研、医疗应用中高频 用电设备；高压输电线路；交通运输的电气化。本部分对电磁辐射的特征、 不同频率电磁辐射的生物效应和健康影响的研究现状和进展进行了简要综述。 人可能暴露于电磁场的场源主要有下列三个频率范围： ( 一) 静态场，主要包括电源以及由强电线及电气电子设备的电线所产生的 电磁场； 。 ( 二) 中频范围，主要包括计算机监控器、工业流程及安全保密系统的用电； ( 三) 射频范围，主要包括雷达、无线电广播、电视及通信等。所有靠电气 运转的设备都产生电磁波，这种电磁辐射只要超过定量，都会对人体造成危害 现在引起人们关字的是长期暴露于强电线路、个人电脑、移动电话、微波炉等电 器设备所产生的辐射中会产生哪些潜在的负面影响。 1 i i 电磁辐射的生物效应 电磁辐射对生物组织的作用有两种：致热和非致热作用。致热作用是由电磁 辐射强度大于l o m w l c m 2 时产生的，使机体体温升高，这是由于生物组织在电磁 场作用下，产生“位移 电流，电介质振动和局部感应涡流而引起的；一般指生 物体由于受到电磁波辐射场的照射后，引起体内生物组织细胞和体液中极性分子 的快速高频率振荡和极性分子的趋向运动。在这一运动过程中，由于极性分子不 断碰撞摩擦同时为克服所在媒质的粘滞性而不断消耗能量，这就会导致局部组织 温度有一定程度的升高。由于人体组织具有一定的电导率，并且组织中的电子和 1 北京邮电大学硕士学位论文电磁辐射生物效应测试中若干问题的研究 离子都具有传导能力，加之分子的振动，使微波能量在其中传播时会出现功率的 积聚而被明显吸收。由于人体的热调节系统对机体组织热能量具有再分配的平衡 功能，如通过加快局部组织的呼吸、血液循环、对流、蒸发、出汗等方式带走局 部组织过剩的热量，使集体组织热量处于一动态平衡的状态，当外界的微波辐射 能量增大和体内对微波能量的吸收增加时，原体温调节的动态平衡被打破，如果 机体不能对组织能量的重新分配进行调节，则导致机体组织的热量积聚，进一步 加重时会产生蓄热、体温升高，此时人体会有闷热感。当调节系统承受不了时， 体温便会失控上升，并引起一系列的高温生理反应，如酸中毒、过度换气、流泪、 发汗、心血管反应、抽搐、呼吸障碍，甚至休克，如果治疗不及时，还会威胁生 命安全。动物尸检可见高温所致的形态学变化。 在高强度微波的辐射下，由于人体各器官和神经调节系统对温度的升高极为 敏感，其主要的危害是：引起中枢神经系统出现调节功能的混乱，表现为明显的 神经衰弱症候群和器质性损伤；血液系统血象发生变化，白细胞数不稳定，例如 呈下降趋势；心血管系统发生血液动力学失调；消化系统可出现消化不良，甚至 形成溃疡；视觉系统轻则引起视力衰退、晶状体损伤，重则形成“微波白内障”； 高强度的微波辐射会损害骨髓；引起肺、肝肾等脏器的组织损伤：还可使人的嗅 觉迟钝和灵敏度下降，痛域增高；抑制人体的免疫力；引起糖代谢紊乱；妇女乳 分泌机能下降；引起少数人的甲状腺功能亢进。 而非致热作用，又称为热外效应，是指除了对生物组织的热效应作用之外， 微波辐射对生物的其他特殊生理影响。这些影响在使用别的加热手段时不会出 现，这些不能用热效应解释的现象，统称为非致热效应。目前就非致热效应影响 机理仍不十分清楚。不少实验证明，在没有引起温度上升的电磁波辐射强度下， 低剂量长时间的照射可对动物的神经系统、造血系统和细胞免疫系统等产生影 响，并可观察到机体中的酶类、蛋白分子和组织细胞内一些离子的含量发生了变 化。是由低于l o m w c m 2 的低中强度辐射长期作用引起的。电磁辐射的生物作用与 功率密度成正比，且波长愈短，组织穿透深度愈小，组织内吸收能量就愈大。频 率较高时( 2 0 - 3 0 g h z ) ，能量主要被皮肤吸收；频率为1 0 0 0 3 0 0 0 m h z 时，透入 的程度因组织的特性而有所不同，其结果是在组织的表层或深部都有可能被吸收 1 0 0 0 m h z 以下的射线能透入深部组织，并在此处被吸收；频率低于1 5 0 m h z 时则能 透过人体。 1 1 2 电磁辐射的防护措施 ( 1 ) 屏蔽防护 用良导体或导电性能良好的非金属组成屏蔽以防护电场。用一些导磁率很高 2 北京邮电大学硕士学位论文 电磁辐射生物效应测试中若干问题的研究 的金属材料封闭磁力线以保护磁场。 ( 2 ) 接地 凡进行屏蔽防护时，必须有良好接地线，防止屏蔽体成为二次辐射源，以保 证屏蔽效果。 ( 3 ) 距离保护 环境中的辐射，其磁场强度与到辐射源的距离成反比，功率密度与距离的平 方成反比。因此，只要离开辐射源一定的距离，就能明显地减小辐射。 ( 4 ) 尽量减少受辐射的时间 在较短的时间内有较大的脉冲辐射，不会造成人身伤害。因此就能减少发射 机不必要的发射时间，就能减少电磁辐射时间，而收信机只要接地良好，有机壳 屏蔽，不会有电磁辐射。 1 2 课题的目的和意义 ( 1 ) 实现电磁兼容就是要抑制电磁干扰，电磁干扰是指干扰源发出的电磁 能量，经过耦合途径将干扰能量传输到敏感设备，使敏感设备的工作受到影响的 现象。而辐射耦合是以电磁场的形式将能量从一个电路传输到另一个电路，这种 传输途径可大可小，d , n 系统内的极小距离，大到相隔较远的系统间以致星际间 距离。在电子设备中，印刷电路板上的导线越来越密集，耦合干扰更是普遍。 从上述分析可以看出，防止电磁干扰的途径之一就是切断耦合途径。因此， 在电磁兼容的设计中，屏蔽作为阻碍干扰源传播途径的有效手段，占据着非常重 要的地位。而在设计过程中，必须要考虑到与外界电路的连接、通风、设备散热 等问题，因此，屏蔽腔体不可避免的要出现孔缝，这就很大程度上破坏了腔体的 整体屏蔽效能。在屏蔽腔体的设计中，就要计算腔体的屏蔽效能，这对电子电气 设备和系统的电磁兼容性预测和设计，具有十分重要的实际指导意义。 ( 2 ) 3 g 艮p 第三代移动通信技术，是指无线通信与国际互联网等多媒体通信相 结合的新三代移动通信系统。3 g 的标准化进程，推进了无线、移动通信的飞速发 展，更大的容量和通信质量及多媒体的应用为用户实施各种新业务提供了更宽广 的平台。随着我国3 g 牌照的发放，3 g 网络建设正如火如荼的进行，同时3 g 后续演进 技术的研究也在加快进行。而智能天线技术为3 g 移动定位技术的应用带来了独到 的优势。智能天线是一种具有测向和波束形成能力的天线阵列，利用数字信号处 理技术判断用户信号到达方向( b o d o a 估计) ，并在此方向形成天线主波束，它根 据用户信号的不同空间传输方向提供不同的信道，等同于有线传输时的线缆，从 而可以有效的抑制干扰 3 北京邮电大学硕二l 学位论文电磁辐射生物效应测试中若干问题的研究 由于智能天线的上述特点，智能天线在测试的过程中会从多角度，多方位， 多个高度进行取值，这就为人为的测试带来了很多不便，而目前国内的测试系统 多采用机械架，需要人为的对天线的高度，方向，电下倾角等进行调整，从而会 对测试中的精准度产生一定的影响。 本论文的意义在于通过对测试机器手的引入，使得智能天线在测试的过程中 可以很精确地调整到需要测试的高度，方向，以及电下倾角，精确度很高，而且 通过后台软件的操作，可以极大的缩短测试的时间，大大降低人力的同时，使得 测试结果更加准确。 1 3 研究现状 对于问题( 1 ) ，腔体的屏蔽效能的研究，由于传输线原理的简单和物理意义 的明确，人们对电场屏蔽效能进行了大量的研究，1 9 9 8 年y o r k 大学的r o b i n s o n 1 】 首次对有空屏蔽腔构建了比较完善的传输线模型，并得到了与测试数据非常吻合 的屏蔽效能计算结果。但是由于腔体内只存在基模一种模式是需要条件限制的， 即需要工作频率低于其他高次模的截止频率。这就让r o b i n s o n 构建的r e , 。模型 有很大的局限性。因此，建立高次模的模型变成为许多学者研究的热点问题，在 这方面做了大量的工作，但是大都局限在入射波是垂直情况下且孔缝位置在腔体 中心，而对于斜入射和孔缝在腔体的其它位置的情形研究的较少。本文对任意位 置矩形孔金属腔体的电场屏蔽性能进行了研究，并将传输线法扩展到高频的情况 下，电场屏蔽性能的理论分析结果与f e k o 的仿真结果得到了很好的吻合。 对于问题( 2 ) 智能天线测试过程中引入机器手的探索性研究。自1 9 5 4 年， 美国戴沃尔最早提出了工业机器人的概念，并申请了专利。为机器人在各个领域 的应用带来了飞速的发展。从2 0 世纪9 0 年代初期起，我国的国民经济进入实现两 个基本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术热潮。我国的工业机器人 又在实践中迈进了一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、 包装、码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一 批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。而我国机器人的研 究多见于示教再现型工业机器人产业化技术研究、智能机器人开发研究、机器人 化机械研究开发、以机器人为基础的重组装配系统、多传感器信息融合与配置技 术等。我国机器人的发展趋势为工业机器人操作机结构的优化设计技术、机器人 控制技术、多传感系统、微型和微小机器人技术、软机器人技术等方面。 在电磁兼容领域，机器人的应用还很少，最主要的应用还是在s a r 的测量方 4 北京邮电大学硕士学位论文电磁辐射生物效应测试中若干问题的研究 面，而在天线测试方面，对机器人应用的研究就更加少见。因此，本文主要着手 于对机器人在天线测试过程中的探索性研究，对机器手的引入是否会对智能天线 测试结果产生影响，以及影响的大小和影响的因素等问题进行了仿真，并提出了 相关的整改措施，对该应用的可行性进行了估计。 1 4 论文结构及创新点 1 4 1 论文结构 本文共4 章： 第一章简单介绍了课题研究的意义和研究现状； 第二章对任意位置矩形孔金属腔体电场屏蔽性能的进行了研究，主要通过理 论计算与计算机仿真进行验证。 第三章介绍了智能天线的相关原理以及其在现代通信中的应用、对机器人以 及机器手在现代工业和生活中的应用进行了介绍，同时对智能天线及通信中相关 天线的测试理论和标准进行介绍，并将机器手引入到相关测试程序中，按照相关 标准的规定进行计算机仿真，从而将使用机器手前后的天线指标进行对比和探索 性改进，分析机器手对天线测试过程中的影响及影响大小。 第四章为总结与展望。 1 4 2 论文主要创新点 本文主要创新点如下： ( 1 ) 利用传输线理论分析了有孔屏蔽腔的电场屏蔽效能，对任意位置矩形 腔体的屏蔽效能进行了计算和计算机仿真，并将以往分析腔体屏蔽效能的t e i 。等 效传输线模型扩展为包含匝。和t m 。高次模的模型。 ( 2 ) 对将机器人引入到智能天线的测试过程中，进行了尝试性的探索与研 究，并通过计算机仿真对可行性进行了估计，提出了相关的改进措施。 5 北京邮电大学硕上学位论文 电磁辐射生物效f 、；测试中若干问题的研究 第二章任意位置矩形孔金属腔体电场屏蔽性能的研究 2 1 概述 电磁屏蔽常被用来降低电子设备之间的干扰，然而腔体屏蔽能力的大小一般 用屏蔽效能来表征，定义为在有屏蔽腔和没有屏蔽腔时同一点的电场强度大小的 比值。对于腔体内的任意一点，我们定义他的电场屏蔽效能为s 。，磁场屏蔽效 能为s 。一般而言，由孔缝耦合进入腔体中的能量要比穿过腔体壁进入其中的能 量多得多，因此可以合理假设腔体壁的电导率足够高而只考虑耦合能量。 近些年来，人们对电场屏蔽效能进行了大量的研究，在某些情况下，数值仿 真可以很精确的对模型进行计算瞳儿3 1 ，但这些方法都需要对计算空间进行分割、 编程复杂、计算量相当大，对计算机要求很高；而r o b i n s o nh 1 应用传输线理论对 单面有孔的矩形金属空腔的屏蔽性能进行了研究，给出了简单的解析表达式，该 方法能够正确的给出单面有孔腔体的屏蔽性能参数；屏蔽性能的数值仿真还有 时域有限差分法( f d t d ) 晦3 、矩量法( m o m ) 1 、有限元法等。 本章将对r o b i n s o n h l 的传输线理论做进一步的延伸，并将高频波的情况也考 虑进来，在计算的过程中将涉及到频率、腔体的几何尺寸、孔缝大小、观察点、 孔缝的位置尤其是当孔缝不在腔体中心时的情况。而腔体的大小，位置，形状， 以及电磁损耗都应该考虑到屏蔽效能的计算中。有些文章已经考虑了孔缝不在中 心的情况，但还只是局限在x 轴上，然而本文中还对小孔位置沿z 轴变化的情况 进行了计算，本文得到的结论只适用于矩形孔缝存在于矩形腔体上的情况，而这 已经包含了该类问题的绝大多数情况。将来还会对任意形状和任意位置的小孔在 高频下的屏蔽效能进行进一步的研究。 2 2 传输线理论分析 根据r o b i n s o n 的传输线理论，矩形孔缝存在于矩形腔体表面及其相应的电 6 北京邮电大学硕士学位论文 电磁辐射生物效应测试中若干问题的研究 根据g u p t a n l 的理论，把有孔的表面看作是两端短路的共面带状线，共面带 州2 黑 - i 弘， 心= w 4 5 刀t ( k1 礼芋) ： ( 2 - 2 )心2 4 烈1 + m 了j ( 2 - 2 彳 i 吁 j 。f li z o i 公1 l 弋) ，i l o i i 。，乃一 d 一如! 图2 - 1 ：有- k 矩- 形腔体及其电路模型 这里引入孔缝的耦合系数q ，考虑到高阶模存在的情况，根据f a r h a n a 阳1 的 结论有： 7 鹄 北京邮电大学硕上学位论文 电磁辐射生物效应测试中若干问题的研究 c ：丝x 壁： 本章还对孑己的耦合系数进行了扩展， ：擘：竺一所以长为1 宽为w 的孔缝在腔体表面中心时的阻抗为： = 三q 忍t 觚( 胸 g 印a p x = 三1c 玩t a n ( k o t 2 ) ( 2 ) 电场屏蔽效能 根据t h e v e n i n s 的理论，结合z o ，v o 和z 印，等效电压为： ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) 对十i k ，t e i 。： z 。m y o = z o 4 1 - ( a m 2 a ) 2 ( 2 9 ) 毛= z o i , 一( 2 n 2 d 2 ( 2 1 0 ) 各自的传播常数为： k 。y 。= 毛l - ( 2 m 2 a ) 2 ( 2 11 ) k ：* o 4 1 - ( 五n 2 d ) 2 ( 2 1 2 ) 其中= 2 z 2 ，此时我们用o ，1 一，o ，z l n 表示波导等效电路p 点的等效电压 屹o ，垅玎，电源阻抗叱，一和负载阻抗喘o ，荔一， 吃。= 咳= 8 ( 2 1 3 ) 出 一 望 等一 乙艺 艺 磊乙 乙。 胞他亿亿硼训猷吼 暇峨 冯矗 刮 刮 磊乙 i l 。 = 。 北京邮电大学硕士学位论文 电磁辐射生物效应测试中若干问题的研究 p 点电压： ：跣2而zmo霜+。赫y y 耻研zirl畿卜x 。= 弼。t a l l 碟。( d - p ，) 磊。= 忍t a n 磁( 口一以) y 。= 吃。z 2 。( 戤。+ 。) h = 呓。磊。( 磊。+ 霸。) 磁。= 吃。 = 呓。 k = 獗丽 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 - 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 在没有屏蔽腔体的情况下，p 点的负载阻抗为z 0 ，电压值为0 = v o 2 ，所 以屏蔽效能为： s e = - 2 0 l o g 。l k i = _ 2 0 l 。g 。1 2 v , v o l ( 2 - 2 3 ) 2 3 数值仿真 为了验证上述推导的正确性，假定矩形腔体的尺寸为( 3 0 0 m m x1 2 0 m 3 0 0 m m ) ，腔体表面矩形孔的尺寸为( 1 0 0 m m 5 m m ) ，通过m a t l a b 数值解析以及f e k o 仿真，得到图2 - 2 至图2 4 的结果。 9 f r e q u e n c y ( mh z ) 图2 - 2 ：点p 的数值计算与f e k 0 仿真结果对比( 腔体尺寸3 0 0 1 2 0 3 0 0 m = ，孔缝大小 1 0 0 x5 m m ，孔缝中心点y = 3 b , ) a = 3 0 0 m m t b = 1 2 0 m m ，d = 3 0 0 m m i = l o o m m 。w = 5 m m ，t _ 1 5 m m p y = 2 2 5 m m p x = 1 5 0 m m 10 0r r 一 1 1 _ t 1 一1 5 0 0 o2 0 04 0 0 6 0 08 0 01 0 0 01 2 0 0 1 4 0 0 f r e q u e n c y ( m h z ) 图2 - 3 ：点p 的数值计算与f e k 0 仿真结果对比( ) 撇, - - 3 0 0 x 1 2 0 x3 0 0 m ，孔缝大小1 0 0 x5 m m ， 孔缝中心? 点，= 3 6 4 ) l o 一p)艰宗岁一芑g茁6up19iuoij营面 北京邮电大学硕士学位论文电磁辐射生物效应测试中若干问题的研究 图2 - 4 ：点p 的数值计算与f e k o 仿真结果对比( 腔体尺寸3 0 0 x1 2 0 x3 0 0 衄，孔缝大小 1 0 0 5 m m ，孔缝中心点y = 3 6 a ) 图2 4 所示为不同p 点的数值解析与f e k o 仿真结果，由图可见，仿真结果与计 算结果基本一致。由此得出，当孔的位置不在腔体外表面中心时，分析腔体屏蔽 效能必须要考虑高频的情况，图2 - 3 显示两者的结果在8 0 0 m - i o o o m 时吻合的不是 很好，可能原因为观察点与孔缝之间的距离太近，以至于高频波对屏蔽效能影响 较明显。 2 4 结论 腔体的屏蔽效能与频率、入射波的极化方向、腔体尺寸、孔的大小、腔体壁 的厚度、孔缝的数量、以及腔体内的观察点等因素都有关系，本文主要研究了孔 缝不在腔体表面中心的情况，当高频波存在时，引入了孔与腔体之间的耦合系数 c 艉和，从而使得在高频情况下的结果也吻合的很好，进一步对腔体表面任意 位置矩形孔缝的屏蔽效能进行较为准确的预测。希望本文的结论可以对屏蔽腔体 的设计者们提供一些帮助和借鉴。 (丑p)墼挚茹堇山6uip娈co暑8面 北京邮电大学硕士学位论文 电磁辐射生物效应测试中若干问题的研究 第三章机器人在智能天线测试过程中的应用的探索与研究 3 1 智能天线概述 3 1 1 智能天线的基本概念 智能天线，原名为自适应天线阵列，最初以用与雷达、声纳、军事等方面， 主要用来完成空间滤波和定位，我们所熟知的相控阵雷达就是一种简单的自适应 天线阵。 顾名思义，智能天线是一种智能化的天线形式，主要体现在自适应上，这种 自适应的天线阵列由多个天线单元组成，每一个天线后接一个加权器( 即乘以某 一个权值系数，这个系数通常是复数，既调剂幅度又调节相位) ，最后用加法器 进行合并。这种结构的智能天线智能完成空域处理，同时具有空域、时域处理能 力的智能天线在结构上相对复杂些，每个天线后接的是一个延时抽头加权网( 结 构上与时域f i r 均衡器相同) 。自适应或智能的主要含义是指这些加权系数可以 适当改变、自适应调整。 随着社会信息交流需求的急剧增加、个人移动通信的迅速普及，频谱已成为 越来越宝贵的资源。智能天线采用空分多址技术，利用在信号传播方向上的差别， 将同频率、同时隙的信号区分开来。它可以成倍的扩展通信容量，并和其他技术 相结合，最大限度地利用有限的频谱资源。另外在移动通信中，由于复杂的地形、 建筑物结构对电波传播的影响，大量用户间的相互影响，产生时延、锐利衰减、 多径、共信道干扰等，是通信质量受到严重影响。采用智能天线可以有效解决这 个问题。 智能天线可以用于基站，也可以用于终端。 用于基站的智能天线是一种由多个天线单元组成的阵列天线。它通过调节各 阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列的天线方向图，从而抑制干扰，提高信噪 比。它可自动测出用户方向，并将波束指向用户，从而实现波束随着用户的移动 而移动。它可提高天线增益，减少信号发射功率，延长电池寿命，减小用户设备 的体积，或在不降低发射功率的前提下，大大增加基站的覆盖率。广义的说，智 1 2 北京邮电大学硕士学位论文 电磁辐射生物效应测试中若干问题的研究 能天线和传播环境与用户和基站的最佳空间匹配通信。 用于终端的智能天线有效的提高通信性能，降低发射功率，减少电磁波对人 体的伤害。此外，由于智能天线可以从用户方向和传播时延获知用户位置，这样 可以为用户提供定位服务，如导航、紧急救助等。天线的空间分集可以克服快衰 落，显著提高通信质量，有时也把它归入智能天线的范畴。 3 1 2 智能天线的分类 根据不同的要求，智能天线的分类也不同，一般可以分为3 类：空间分集接 收、波束切换天线和自适应天线阵列。他们的复杂度依次递增，性能也依次递增。 1 空间分集接收 空间分集接收框图如图3 1 所示。图中简单表示了天线与接收机的情况，其 中d 是指两根天线之间的间距，入为载波的波长，一般情况下，d 入。接收机 中的信道估计器对每根天线接收到的所有用户的信道脉冲响应值与接收到的信 号值一同送到空间分集算法模块进行计算，最后计算出信号估计值。 在无线移动通信中，每一个用户的信号都要受到信道衰落的影响，信道衰落 持续时间的长短有时会决定误码率高低的一个重要方面。空间分集中，由于每根 天线的间隔较远，接收到的信号之间的相关性很小，这样可以减小信道深衰落的 影响，降低输出信号的误码率。 估计 出的 图3 - 1 空间分集接收机和信号接收框图 2 波束切换天线 波束切换天线接收机的框图如图3 2 所示。 接收机中空间角度搜索模块的作用，是寻找移动用户所在的波束；信号滤波 器只对波束指向的用户进行信号处理。在开关波束天线系统中，利用天线阵列发 1 3 北京邮电大学硕上学位论文电磁辐射生物效应测试中若干问题的研究 射一系列相互重叠的波束，对整个小区进行全方位覆盖，每一个波束能量集中方 向不同，相互之间以一定的角度区分。操作时，系统扫描并计算所有波束的输出 功率，寻找出最大的那一个作为向用户定向发射或接收的波束，然后在这个波 束内进行信号滤波并估计出所需信号。如果用户从一个波束覆盖区移动到另外 一个覆盖区，智能天线需要重新扫描并定位到相应的波束。在用户激活期间，系 统总是分配一个波束给这个用户，波束采取动态分配。由于开关天线对用户的位 置不能清楚地给出，通常情况下，只作为接收天线使用。因波束覆盖范围较全向 天线和扇形天线的要小，故能减小其他用户对此用户的干扰，提高系统性能。 图3 2 开关波速天线接收机框图 3 自适应天线阵列 自适应天线阵列的接收设备与开关波束天线有些相似，都是基于波束的，但 他们的具体操作不同。自适应天线阵列框图如图3 - 3 所示。 自适应天线主要采用一个天线阵列，对每一个用户进行波达方向估计，在 对移动用户正确定位的基础上，估计用户信道，最后得到想要的信号。接收机根 据波达方向的估计模块来估计定位用户的位置，形成对应的波束，随后在这个波 束覆盖的区域建立信息链路。信号估计模块，对每一个波束中用户的信道进行估 计，为后面的信号恢复提供信道信息。信号滤波器，利用上两个模块提供的估计 信息对接收到的信号进行滤波处理，处理码间干扰和用户间干扰。与开关波束天 线不同，自适应天线能够准确地估计出用户的位置，利用基站分配的波束进行上 下行链路通信。通信时波束直接对准用户，避免或者减小了多径形成的可能，也 减小了其他用户的干扰，降低了发射功率，扩大了基站的覆盖范围，提高了蜂窝 系统的容量。 1 4 北京邮电大学硕士学位论文 电磁辐射生物效应测试中若干问题的研究 图3 - 3 自适应天线阵列框图 3 1 3 智能天线的基本结构和工作原理 智能天线( s m a r ta n t e n n a ，s a ) 是一种具有测向和波束形成能力的天线阵列， 利用数字信号处理技术判断用户信号到达方向( 即d o a 估计) ，并在此方向形成天 线主波束，它根据用户信号的不同空间传输方向提供不同的信道，等同于有线传 输时的线缆，从而可以有效的抑制干扰 3 1 3 1 智能天线的基本结构 智能天线主要由天线阵列、模数转换、数字波束形成网络和自适应处理器4 部分组成 ( 1 ) 天线阵列天线阵列即在空间分开设置的一系列天线阵元，对各阵元接 收到的信号作加权处理，通过改变阵列的权值，可使波束形状发生改变天线阵元 数量和天线阵元的配置都对智能天线的性能有着直接的影响，通常设阵元数为m ， 在移动通信中取m = 8 或m = 1 6 等峥1 ( 2 ) 模数转换器考虑基站端的智能天线，在上行链路时天线将接收到的模 拟信号转换为数字信号：而在下行链路时将处理后的数字信号转换成模拟信号 ( 3 ) 波束形成网络波束形成网络的主要功能体现为天线波束在一定范围 内能根据用户的需要和天线传播环境的变换，通过数字信号处理器自适应地调整 权值系数，以调整到合适的波束形成网络 1 s 北京邮电大学硕士学位论文 电磁辐射生物效应测试中若干问题的研究 ( 4 ) 自适应信号