如何使用频谱分析仪来侦测微波炉泄漏的功率

大家使用微波炉的时候是不是都会站得远远的? 这不外乎就是怕自己的身体被微波炉电磁波 照到，影响身体健康，其实阿信助教也不知道微波到底会不会影响身体健康，因为坊间的数据几乎都是有默认立场的，要嘛卖东西、要嘛就是纯环保团体，总之我目前无法针对微波与健康的关系做评论，各位就不要再问我了，我不是健康专家，但我可以测量微波炉泄漏的功率给大家看。

测量微波炉电磁波 的准备

为了做这个测试，我去弄了一个二手的微波炉，并在它的正前方放一个2.4GHz的Wifi天线，用来收微波炉泄漏的电磁波，因为微波炉的频率就是在2.45GHz，另外我还准备了一台频谱分析仪，这样才能把收到的讯号送进频谱分析仪里面观察，各位就可以在仪器的屏幕上看到泄漏出来的电磁波功率。

下图就是整个量测系统接好的样子，黑色的仪器称为频谱分析仪，白色的是微波炉，中间的Wifi天线会把收到的讯号，接入频谱右下角的输入端。你在频谱的画面上会看到一根凸起的讯号，就是目前收到的电磁波，但妙的是我的微波炉根本就还没开电，那么这跟讯号到底是打哪来的呢? 经过一番测试比对，原来目前这根讯号是我的无线麦克风所发出来的，而且它似乎会自动找一个较为安静的频道来使用，免得被干扰。

微波炉电磁波的量测环境

微波炉电磁波的泄漏程度

最直接的量测方式就是把微波炉打开，用频谱看看有多少功率跑出来，也就是像下图这样的量测方式，这是非常直观的，左边的微波炉上电运转之后，由右边的频谱分析仪来侦测微波炉泄漏的功率。

微波炉电磁波的泄漏侦测实验

但在做这件事情之前，我得先把一杯水先放进微波炉，因为微波炉内在运转的时候，里面不能是空的，否则能量没地方吸收，可能会打坏磁控管，所以我要放杯水进去，如下图。

先放一杯水因为微波炉内不能是空的（图）

接着就把微波炉的电源打开，我只开了约10几秒而已，避免杯子里的水太烫，基本上只要能在频谱分析仪上看到功率讯号就可以了，如下图，有一根高高的讯号出现在频谱的画面之内，这个就是微波炉所泄漏的电磁波功率，经过计算这个功率大约为-20dBm。

微波炉电磁波功率大约为-20dBm

那么-20dBm到底是多少功率呢?在这里直接换算，-20dBm换算为瓦特Watt就是10万分之一瓦特，如果和40W的钨丝灯泡相比的话，微波炉泄漏出来的电磁波大约是40W钨丝灯泡的400万分之一，这个能量其实相当小，这还是在很靠近微波炉所测量的结果，如果距离更远，那么功率就又更低了。只是这么小的能量对于人体到底有没有影响呢? 这我也不知道，这需要非常大规模的长期实验才能知道，我不确定是否有人会做这样的投资与研究。

微波炉的隔离效果-放Wifi热点

接着我们来看一下微波炉箱体的隔离效果如何，测试的方法就是把手机开着Wifi热点并将它关进微波炉里面，这样手机就会持续的发送Wifi讯号，我们只要在频谱分析仪上观察Wifi讯号的强度就可以了，简单讲整个量测系统就是像下图这样子。

微波炉的隔离效果试验

当然你应该也发现了我还多弄了两台PC在附近，因为我要测试流量，它们全都和这台手机的Wifi热点联机，到时候我会跑Iperf来测试流量，这个概念很简单，就是要看看当我把微波炉的门关起来之后，流量会不会下降? 最后提醒各位，这个阶段的实验并没有要把微波炉上电，纯粹只是要看箱体的隔离度而已，所以只有放手机在里面喔，如果这时候把为波炉上电，我的手机可是会报销的。

开门时的Wifi频谱

首先来观察箱门打开时的频谱状态，由于Wifi讯号的变化很快，频谱分析仪必须要设定为Real time mode才能做实时的观察，我的手机目前使用的Wifi频道为Ch11，所以中心频率为2.462GHz，因此频谱分析仪的中心频率也必须要设定为2.462GHz，Span就开一个Channel的宽度也就是20MHz，你就会在下图中看到有一座浅蓝色小山丘，这就是Ch11的Wifi讯号，蓝色表示讯号在时间上的密度并不高，下方是频谱图Spectrogram，它的纵轴是时间，新出现的频谱会出现在第一条线，前一条频谱会往下挪，整个频谱图会慢慢往下滚动推进，让你清楚频谱在整个时间轴上的变化，目前来说由于尚未开始传送数据，所以Spectrogram呈现紫色表示能量密度很低。

尚未传送数据的Wifi Ch11频谱

当我把两台PC的Iperf打开之后，它们两台PC之间就开始密集的传送数据，频谱上就会看到绿色的轨迹不断出现，表示能量密度突然变高。Spectrogram上也能看到一条条绿色的频谱往下推进，跟稍早之前的紫色相比，有很明显的视觉落差。提醒各位，数据传送这件事情不见得要用Iperf实现，你用FTP或网络芳邻传个很大的档案也能达到相同效果。

Wifi开始传送数据的频谱与Spectrogram

关门时的Wifi频谱

趁着数据传送得如火如荼的时候，我突然间就把微波炉的门关起来，这时候你就会发现频谱突然消失，Spectrogram上也突然间回到紫色的状态，这表示Wifi讯号是真的有被阻隔掉的，所以证明了微波炉的箱体是确实有隔离效果的，但如果要很精确的测量箱体的隔离度是多少dB，以我目前的设备是办不到的，而我也没打算要测量到这么精准，我只是测好玩的而已。

箱门突然关起来时，频谱也应声消失

来看流量怎么说

那么在微波炉箱门关起来的时候，Iperf呈现甚么数据呢? 请看下图，我原先预计传送30sec的封包，送到第10sec的时候，箱门关起来了，于是传输直接就停了，Client端完全认不到Server，因此出现Write fail的错误讯息，封包传送因此停止。而箱门还没盖上之前它传送的速度轨迹理论上应该要是偏向稳定的横线，但因为我手残有动到一些设定，所以让测试结果不是那么漂亮，因而呈现锯齿状，即便如此Iperf封包都还能传送，但只要箱门一关起来，则是怎么样都传不了。

微波炉箱门关上后，传送被迫中断

微波炉的干扰

看来微波炉的箱体真的能够抵挡2.4GHz频段的Wifi讯号，根据第一个泄漏实验的结果，若一个500W的微波炉仅泄漏十万分之一瓦特的话，而我们在外部得到-20dBm的功率，那么我们可以推估这个箱体大约可以隔离75dB左右的能量。那既然隔离度不是无穷大，而是个有限的数值，那就表示无论如何电磁波一定会泄漏，只不过是程度的问题而已。

那我就很好奇了，这泄漏出来的电磁波到底会影响Wifi到甚么程度，所以我准备了下面这个实验，把手机从微波炉内拿出来放外面，另外两台PC一样传送Iperf封包，在此同时把微波炉的电源打开，我们来观察泄漏的电磁波对于Wifi有甚么干扰与影响，整个接线如下图，跟前一个实验相比，只有把手机拿出来而已。

微波炉会如何干扰Wifi运作

受微波炉电磁波 干扰的Wifi

微波炉上电之后，我们的频谱真的是好精彩啊，除了Wifi本身的讯号之外，还有微波炉的讯号来凑热闹，而且呢微波炉电磁波的频率还刚好跟Wifi Ch11重迭，于是乎整个频谱根本就是乱七八糟的，微波炉泄漏的电磁波正恣意的践踏Wifi讯号。各位在下图中可以看到Spectrogram的两侧仍有着整齐的绿色轨迹，这就是Wifi的讯号，但中间的部分则有着黑黑的影子，这是微波炉的电磁波讯号，虽然它只有十万分之一瓦特，由于它是单一频率且能量较为集中，于是能量就轻易的超出Wifi讯号许多，因此颜色呈现黑色，黑色在这里表示能量破表，而且微波炉的磁控管频率不稳定，因此随着时间的推进，黑色区域就会左摇右晃，就像是喝醉酒的人到处摇晃一样，而且还踩在Wifi的讯号上，于是就形成了各位看到的样子，我看这Wifi要传资料应该有难度。

微波炉电磁波正在干扰Wifi的讯号

受干扰的传输速率轨迹

既然有传送Iperf封包，我们当然也要来看一下在微波炉干扰之下传输速率的变化。下图是微波炉的运作停止之后，Iperf的传输速率变化，你可以很明显的看出来，由于干扰的关系，左边的速率比较低，在第12秒的时候微波炉因为时间到而断电，所以干扰消失传输速率瞬间冲高，所以微波炉泄漏的电磁波对于Wifi是有影响的。但如果你的Wifi频道刚好不在微波炉的频率上，那么就不会有影响，例如你若用的是Wifi 5GHz，这和微波炉的2.45GHz差很多，则完全不会有影响。

微波炉断电后传输速率瞬间冲高

灯泡放进微波炉

刚才我们都是用仪器测量微波炉泄漏的电磁波，但可惜的是以我目前的设备无法测量微波炉内的功率，由于里面的功率实在太高，我如果把Wifi天线放进去的话应该会在微波炉内直接报销，所以我决定用一个超级不精准但很有视觉效果的做法，就是把灯泡放进微波炉内。

把灯泡放进微波炉内

金属可以放进微波炉吗?

欸! 所有的微波炉说明书不是都告诉我们不可以把金属放进微波炉吗? 所以助教您是ㄎ一ㄤ掉了吗? 非也，我敢这么作当然是有我的理由。首先，微波炉内磁控管所产生的强大磁场，会在金属表面产生涡电流Eddy current，当这个电流大到一个程度，金属就会发热发红，以灯泡的构造来说，钨丝和灯座都是金属的，但钨丝很细电阻较高，灯座金属面积大电阻较低，因此钨丝较容易产生高温甚至发红，我就是要里用这个原理来证明微波炉内的电磁波真的是超强，连灯泡都会亮，而灯座的金属虽然也会升温但还不至于发红，毕竟它面积大散热较快速，如果磁控管的功率再提升的话，我想连灯座的金属应该也会发红。

那为何说明书都不希望我们放金属进微波炉? 因为虽然强大的磁场会让金属表面产生涡电流，但那只是占一小部分的能量，这些能量会穿透金属，而且还穿透得挺薄的，也就是所谓的集肤效应。金属对于电磁场来说，是不折不扣的镜子，所以绝大部分的电磁波会在箱体内的金属之间来回反射，如果内部没有放个食物或水之类的东西来吸收能量，你的箱体内部就有机会被烧出一个洞来，这就是为甚么我要把灯泡放在水里面的原因，一方面吸收灯座金属升温的热量，一方面吸收电磁波的能量，虽然这微波炉是二手货，我还是不希望它坏掉。

灯泡真的放进微波炉

最后我真的要把灯泡放进微波炉内的转盘了，为了做对照组，我在箱门外面也贴了一个同款的灯泡，然后上电观察，如下图所示。箱内的灯泡并非在所有的位置都会亮，仅在转盘转到某些特定位置的时候会亮，因为箱体内部由于电磁波反射的关系，会在箱体内部产生驻波，若灯泡刚好位在波峰，那么灯泡的钨丝就会亮，若灯泡远离波锋，钨丝就会变暗。

钨丝灯泡在微波炉内发亮

各位若经常使用微波炉，应该会发现微波加热过后的食物，经常发生冷热不均的情况，这就是因为驻波的波峰与节点都是固定的位置，即便是有转盘也只是尽量让食物加热均匀，仍不免会有漏网之鱼，这样以后各位在使用微波炉的时候，就不要太计较受热不均的情况了。