如何使用頻譜分析儀來偵測微波爐泄漏的功率

大家使用微波爐的時候是不是都會站得遠(yuǎn)遠(yuǎn)的? 這不外乎就是怕自己的身體被微波爐電磁波 照到，影響身體健康，其實阿信助教也不知道微波到底會不會影響身體健康，因為坊間的數(shù)據(jù)幾乎都是有默認(rèn)立場的，要嘛賣東西、要嘛就是純環(huán)保團(tuán)體，總之我目前無法針對微波與健康的關(guān)系做評論，各位就不要再問我了，我不是健康專家，但我可以測量微波爐泄漏的功率給大家看。

測量微波爐電磁波 的準(zhǔn)備

為了做這個測試，我去弄了一個二手的微波爐，并在它的正前方放一個2.4GHz的Wifi天線，用來收微波爐泄漏的電磁波，因為微波爐的頻率就是在2.45GHz，另外我還準(zhǔn)備了一臺頻譜分析儀，這樣才能把收到的訊號送進(jìn)頻譜分析儀里面觀察，各位就可以在儀器的屏幕上看到泄漏出來的電磁波功率。

下圖就是整個量測系統(tǒng)接好的樣子，黑色的儀器稱為頻譜分析儀，白色的是微波爐，中間的Wifi天線會把收到的訊號，接入頻譜右下角的輸入端。你在頻譜的畫面上會看到一根凸起的訊號，就是目前收到的電磁波，但妙的是我的微波爐根本就還沒開電，那么這跟訊號到底是打哪來的呢? 經(jīng)過一番測試比對，原來目前這根訊號是我的無線麥克風(fēng)所發(fā)出來的，而且它似乎會自動找一個較為安靜的頻道來使用，免得被干擾。

微波爐電磁波的量測環(huán)境

微波爐電磁波的泄漏程度

最直接的量測方式就是把微波爐打開，用頻譜看看有多少功率跑出來，也就是像下圖這樣的量測方式，這是非常直觀的，左邊的微波爐上電運轉(zhuǎn)之后，由右邊的頻譜分析儀來偵測微波爐泄漏的功率。

微波爐電磁波的泄漏偵測實驗

但在做這件事情之前，我得先把一杯水先放進(jìn)微波爐，因為微波爐內(nèi)在運轉(zhuǎn)的時候，里面不能是空的，否則能量沒地方吸收，可能會打壞磁控管，所以我要放杯水進(jìn)去，如下圖。

先放一杯水因為微波爐內(nèi)不能是空的（圖）

接著就把微波爐的電源打開，我只開了約10幾秒而已，避免杯子里的水太燙，基本上只要能在頻譜分析儀上看到功率訊號就可以了，如下圖，有一根高高的訊號出現(xiàn)在頻譜的畫面之內(nèi)，這個就是微波爐所泄漏的電磁波功率，經(jīng)過計算這個功率大約為-20dBm。

微波爐電磁波功率大約為-20dBm

那么-20dBm到底是多少功率呢?在這里直接換算，-20dBm換算為瓦特Watt就是10萬分之一瓦特，如果和40W的鎢絲燈泡相比的話，微波爐泄漏出來的電磁波大約是40W鎢絲燈泡的400萬分之一，這個能量其實相當(dāng)小，這還是在很靠近微波爐所測量的結(jié)果，如果距離更遠(yuǎn)，那么功率就又更低了。只是這么小的能量對于人體到底有沒有影響呢? 這我也不知道，這需要非常大規(guī)模的長期實驗才能知道，我不確定是否有人會做這樣的投資與研究。

微波爐的隔離效果-放Wifi熱點

接著我們來看一下微波爐箱體的隔離效果如何，測試的方法就是把手機(jī)開著Wifi熱點并將它關(guān)進(jìn)微波爐里面，這樣手機(jī)就會持續(xù)的發(fā)送Wifi訊號，我們只要在頻譜分析儀上觀察Wifi訊號的強(qiáng)度就可以了，簡單講整個量測系統(tǒng)就是像下圖這樣子。

微波爐的隔離效果試驗

當(dāng)然你應(yīng)該也發(fā)現(xiàn)了我還多弄了兩臺PC在附近，因為我要測試流量，它們?nèi)己瓦@臺手機(jī)的Wifi熱點聯(lián)機(jī)，到時候我會跑Iperf來測試流量，這個概念很簡單，就是要看看當(dāng)我把微波爐的門關(guān)起來之后，流量會不會下降? 最后提醒各位，這個階段的實驗并沒有要把微波爐上電，純粹只是要看箱體的隔離度而已，所以只有放手機(jī)在里面喔，如果這時候把為波爐上電，我的手機(jī)可是會報銷的。

開門時的Wifi頻譜

首先來觀察箱門打開時的頻譜狀態(tài)，由于Wifi訊號的變化很快，頻譜分析儀必須要設(shè)定為Real time mode才能做實時的觀察，我的手機(jī)目前使用的Wifi頻道為Ch11，所以中心頻率為2.462GHz，因此頻譜分析儀的中心頻率也必須要設(shè)定為2.462GHz，Span就開一個Channel的寬度也就是20MHz，你就會在下圖中看到有一座淺藍(lán)色小山丘，這就是Ch11的Wifi訊號，藍(lán)色表示訊號在時間上的密度并不高，下方是頻譜圖Spectrogram，它的縱軸是時間，新出現(xiàn)的頻譜會出現(xiàn)在第一條線，前一條頻譜會往下挪，整個頻譜圖會慢慢往下滾動推進(jìn)，讓你清楚頻譜在整個時間軸上的變化，目前來說由于尚未開始傳送數(shù)據(jù)，所以Spectrogram呈現(xiàn)紫色表示能量密度很低。

尚未傳送數(shù)據(jù)的Wifi Ch11頻譜

當(dāng)我把兩臺PC的Iperf打開之后，它們兩臺PC之間就開始密集的傳送數(shù)據(jù)，頻譜上就會看到綠色的軌跡不斷出現(xiàn)，表示能量密度突然變高。Spectrogram上也能看到一條條綠色的頻譜往下推進(jìn)，跟稍早之前的紫色相比，有很明顯的視覺落差。提醒各位，數(shù)據(jù)傳送這件事情不見得要用Iperf實現(xiàn)，你用FTP或網(wǎng)絡(luò)芳鄰傳個很大的檔案也能達(dá)到相同效果。

Wifi開始傳送數(shù)據(jù)的頻譜與Spectrogram

關(guān)門時的Wifi頻譜

趁著數(shù)據(jù)傳送得如火如荼的時候，我突然間就把微波爐的門關(guān)起來，這時候你就會發(fā)現(xiàn)頻譜突然消失，Spectrogram上也突然間回到紫色的狀態(tài)，這表示W(wǎng)ifi訊號是真的有被阻隔掉的，所以證明了微波爐的箱體是確實有隔離效果的，但如果要很精確的測量箱體的隔離度是多少dB，以我目前的設(shè)備是辦不到的，而我也沒打算要測量到這么精準(zhǔn)，我只是測好玩的而已。

箱門突然關(guān)起來時，頻譜也應(yīng)聲消失

來看流量怎么說

那么在微波爐箱門關(guān)起來的時候，Iperf呈現(xiàn)甚么數(shù)據(jù)呢? 請看下圖，我原先預(yù)計傳送30sec的封包，送到第10sec的時候，箱門關(guān)起來了，于是傳輸直接就停了，Client端完全認(rèn)不到Server，因此出現(xiàn)Write fail的錯誤訊息，封包傳送因此停止。而箱門還沒蓋上之前它傳送的速度軌跡理論上應(yīng)該要是偏向穩(wěn)定的橫線，但因為我手殘有動到一些設(shè)定，所以讓測試結(jié)果不是那么漂亮，因而呈現(xiàn)鋸齒狀，即便如此Iperf封包都還能傳送，但只要箱門一關(guān)起來，則是怎么樣都傳不了。

微波爐箱門關(guān)上后，傳送被迫中斷

微波爐的干擾

看來微波爐的箱體真的能夠抵擋2.4GHz頻段的Wifi訊號，根據(jù)第一個泄漏實驗的結(jié)果，若一個500W的微波爐僅泄漏十萬分之一瓦特的話，而我們在外部得到-20dBm的功率，那么我們可以推估這個箱體大約可以隔離75dB左右的能量。那既然隔離度不是無窮大，而是個有限的數(shù)值，那就表示無論如何電磁波一定會泄漏，只不過是程度的問題而已。

那我就很好奇了，這泄漏出來的電磁波到底會影響Wifi到甚么程度，所以我準(zhǔn)備了下面這個實驗，把手機(jī)從微波爐內(nèi)拿出來放外面，另外兩臺PC一樣傳送Iperf封包，在此同時把微波爐的電源打開，我們來觀察泄漏的電磁波對于Wifi有甚么干擾與影響，整個接線如下圖，跟前一個實驗相比，只有把手機(jī)拿出來而已。

微波爐會如何干擾Wifi運作

受微波爐電磁波 干擾的Wifi

微波爐上電之后，我們的頻譜真的是好精彩啊，除了Wifi本身的訊號之外，還有微波爐的訊號來湊熱鬧，而且呢微波爐電磁波的頻率還剛好跟Wifi Ch11重迭，于是乎整個頻譜根本就是亂七八糟的，微波爐泄漏的電磁波正恣意的踐踏Wifi訊號。各位在下圖中可以看到Spectrogram的兩側(cè)仍有著整齊的綠色軌跡，這就是Wifi的訊號，但中間的部分則有著黑黑的影子，這是微波爐的電磁波訊號，雖然它只有十萬分之一瓦特，由于它是單一頻率且能量較為集中，于是能量就輕易的超出Wifi訊號許多，因此顏色呈現(xiàn)黑色，黑色在這里表示能量破表，而且微波爐的磁控管頻率不穩(wěn)定，因此隨著時間的推進(jìn)，黑色區(qū)域就會左搖右晃，就像是喝醉酒的人到處搖晃一樣，而且還踩在Wifi的訊號上，于是就形成了各位看到的樣子，我看這Wifi要傳資料應(yīng)該有難度。

微波爐電磁波正在干擾Wifi的訊號

受干擾的傳輸速率軌跡

既然有傳送Iperf封包，我們當(dāng)然也要來看一下在微波爐干擾之下傳輸速率的變化。下圖是微波爐的運作停止之后，Iperf的傳輸速率變化，你可以很明顯的看出來，由于干擾的關(guān)系，左邊的速率比較低，在第12秒的時候微波爐因為時間到而斷電，所以干擾消失傳輸速率瞬間沖高，所以微波爐泄漏的電磁波對于Wifi是有影響的。但如果你的Wifi頻道剛好不在微波爐的頻率上，那么就不會有影響，例如你若用的是Wifi 5GHz，這和微波爐的2.45GHz差很多，則完全不會有影響。

微波爐斷電后傳輸速率瞬間沖高

燈泡放進(jìn)微波爐

剛才我們都是用儀器測量微波爐泄漏的電磁波，但可惜的是以我目前的設(shè)備無法測量微波爐內(nèi)的功率，由于里面的功率實在太高，我如果把Wifi天線放進(jìn)去的話應(yīng)該會在微波爐內(nèi)直接報銷，所以我決定用一個超級不精準(zhǔn)但很有視覺效果的做法，就是把燈泡放進(jìn)微波爐內(nèi)。

把燈泡放進(jìn)微波爐內(nèi)

金屬可以放進(jìn)微波爐嗎?

欸! 所有的微波爐說明書不是都告訴我們不可以把金屬放進(jìn)微波爐嗎? 所以助教您是ㄎ一ㄤ掉了嗎? 非也，我敢這么作當(dāng)然是有我的理由。首先，微波爐內(nèi)磁控管所產(chǎn)生的強(qiáng)大磁場，會在金屬表面產(chǎn)生渦電流Eddy current，當(dāng)這個電流大到一個程度，金屬就會發(fā)熱發(fā)紅，以燈泡的構(gòu)造來說，鎢絲和燈座都是金屬的，但鎢絲很細(xì)電阻較高，燈座金屬面積大電阻較低，因此鎢絲較容易產(chǎn)生高溫甚至發(fā)紅，我就是要里用這個原理來證明微波爐內(nèi)的電磁波真的是超強(qiáng)，連燈泡都會亮，而燈座的金屬雖然也會升溫但還不至于發(fā)紅，畢竟它面積大散熱較快速，如果磁控管的功率再提升的話，我想連燈座的金屬應(yīng)該也會發(fā)紅。

那為何說明書都不希望我們放金屬進(jìn)微波爐? 因為雖然強(qiáng)大的磁場會讓金屬表面產(chǎn)生渦電流，但那只是占一小部分的能量，這些能量會穿透金屬，而且還穿透得挺薄的，也就是所謂的集膚效應(yīng)。金屬對于電磁場來說，是不折不扣的鏡子，所以絕大部分的電磁波會在箱體內(nèi)的金屬之間來回反射，如果內(nèi)部沒有放個食物或水之類的東西來吸收能量，你的箱體內(nèi)部就有機(jī)會被燒出一個洞來，這就是為甚么我要把燈泡放在水里面的原因，一方面吸收燈座金屬升溫的熱量，一方面吸收電磁波的能量，雖然這微波爐是二手貨，我還是不希望它壞掉。

燈泡真的放進(jìn)微波爐

最后我真的要把燈泡放進(jìn)微波爐內(nèi)的轉(zhuǎn)盤了，為了做對照組，我在箱門外面也貼了一個同款的燈泡，然后上電觀察，如下圖所示。箱內(nèi)的燈泡并非在所有的位置都會亮，僅在轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)到某些特定位置的時候會亮，因為箱體內(nèi)部由于電磁波反射的關(guān)系，會在箱體內(nèi)部產(chǎn)生駐波，若燈泡剛好位在波峰，那么燈泡的鎢絲就會亮，若燈泡遠(yuǎn)離波鋒，鎢絲就會變暗。

鎢絲燈泡在微波爐內(nèi)發(fā)亮

各位若經(jīng)常使用微波爐，應(yīng)該會發(fā)現(xiàn)微波加熱過后的食物，經(jīng)常發(fā)生冷熱不均的情況，這就是因為駐波的波峰與節(jié)點都是固定的位置，即便是有轉(zhuǎn)盤也只是盡量讓食物加熱均勻，仍不免會有漏網(wǎng)之魚，這樣以后各位在使用微波爐的時候，就不要太計較受熱不均的情況了。

編輯：黃飛

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