射频识别技术应用中的电磁辐射

中心议题：

• 电磁频谱
• 电磁辐射的参数
• 电磁辐射与防护

在射频识别技术应用中，人们普遍关注的一个问题是与其相关的电磁辐射是否会对人体造成某种程度的伤害同样的问题也会发生在使用小型无线电台、无线对讲机、广播电视发射台、移动通信手机、无线通信基站、家用微波炉、电视机、收音机、MP3/MP4播放器、计算机、紫外线消毒等等设备上。

不管我们愿意或者不愿意，整个宇宙中充满了各种频率的电磁辐射。广义地说，任何温度高于绝对零度（-273.15℃）的物质，因其内部组成的分子、原子、电子的运动即会产生热辐射，热辐射本质上也是电磁辐射。由此说来我们每一个人也都是一个电磁辐射体。

人为的电磁辐射现象构成了人类生存电磁环境的新景观。广播、电视和移动通信网络的覆盖，成为当前人口密集区空中人为电磁现象弥漫的典型代表。虽然人眼看不见这些电磁辐射，人体也不敏感这些电磁辐射，但是收音机、电视机、移动通信手机可以接收并证实这些弥漫于空间几乎无处不在的电磁辐射是存在的。

考虑电磁辐射对人体的影响问题，就是要分析哪些电磁辐射（或者说电磁辐射满足什么条件）会对人体造成不利影响。哪些电磁辐射人们可以放心地承受，不必畏惧或担心。

电磁频谱

电磁频谱依电磁辐射（能量、信号）的瞬时频率为变量，将所有的电磁辐射纳入到一个一维的数轴上，通过适当的标注可形成一幅图，称其为电磁频谱图，如图1所示。电磁频谱的数轴表示常见的有两种形式：

1、线性标度：此时为一有原点的射线数轴。射线数轴的原点对应于频率为“0”的直流电，射线数轴的方向指向频率增大方向。线性标度的电磁频谱图的概念非常清晰，但其表示频率范围的能力有限。如图1中（a）图所示。

2、对数标度：此时数轴的原点对应的频率为“1”，“负向”指向频率为“0”的直流（一般多略去），“正向”指向频率增大的方向。对数标度具有“压大放小”的作用，频率范围的表示能力非常强。如图1中（b）图所示。


图1电磁频谱图

籍着电磁频谱图，人们可以非常方便地对电磁辐射（能量、信号）进行宏观尺度（缩小）与微观尺度（放大）方面的把握与分析研究。由此，也形成了形式多样的电磁频谱图的表示方法。图2所示为电磁频谱图的频段表示。


图2电磁频谱图的频段表示（注：引用图）

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电磁辐射的参数

分析电磁辐射对人体健康的影响，需要了解一些基本参数。可将与电磁辐射相关的参数分为“电参数”、“辐射参数”和“辐射影响参数”三大类。

1、电参数。反映电磁辐射的基本参数，包括：

频率（F）：电磁辐射对人体影响研究的频率范围如图3所示。典型情况下，研究的关注点分为两段：射频辐射（30kHz~300MHz）和微波辐射（300MHz~300GHz）；


图3电磁辐射对人体影响研究的频率范围（注：引用图）

功率（P）：功率的大小表示电磁辐射的强弱，有瞬时功率、平均功率、等效辐射功率（辐射功率与天线增益的乘积）等相关概念之分；

调制方式：调制方式构成辐射电磁信号的幅度、频率、相位三要素方面的花样变化。例如，ASK、FSK、PSK等。

2、辐射参数。表示电磁辐射的空间传播与分布特性，包括：

辐射场：分为近场、中场、远场三类。近场的范围在电磁辐射体的一个波长空间内，远场在一个波长空间范围之外，中场在一个波长左右。近场中磁场扮演主要角色、远场中电场扮演主要角色。

极化方式：表示电磁辐射空间中电场或磁场矢量的方向，有线极化、椭圆极化（含圆极化）之分。电磁辐射发射与接收极化匹配时，可获得最大接收信号。

3、辐射影响参数。表示电磁辐射与人体健康相关的特性参数，包括：

接触极限：表示人体承受电磁辐射空间弥漫的最大强度，即功率密度。常用单位有：μW/cm2、mW/cm2、W/m2。功率密度与场强的关系为：S=E×H，其中S为电磁辐射空中传输功率密度，E为电场强度（V/m），H为强场强度（A/m）。真空中E/H=377Ω。

辐射剂量：表示电磁辐射的持续承受量，反映电磁辐射的积累，数值表示为“功率密度×持续时间”。

比吸收率：指生物体每单位质量所吸收的电磁辐射功率，即吸收剂量率。

如图3所示，电磁辐射对生物（包括人）的影响可以分为两大类：电离（Ionizing）影响和非电离（Non-ionizing）影响。电离影响会造成生物体内电子挣脱原子或分子的结构束缚，造成细胞严重伤害，包括癌变等变异。非电离影响一般体现为热效应（体内驻波引起发热，造成机体损伤）和非热效应（心理效应等）。