電磁場近遠區(qū)區(qū)分方法及電磁輻射頻率范圍

1、.三、電磁輻射物理原理1、電磁場的產(chǎn)生及性質(zhì) 產(chǎn)生根據(jù)電磁學基本理論，帶電粒子周圍會有相應的電場分布，隨時間變化的帶電粒子產(chǎn)生變化的電場。由于帶電粒子周圍電位不同的兩點之間存在電位差，因此在兩點間形成了電壓。當大量的帶電粒子定向移動時形成了電流，電流周圍產(chǎn)生磁場，隨時間變化的電流產(chǎn)生變化的磁場。電磁場是一種特殊的物質(zhì)形態(tài)，可以單獨在空間中傳播。變化的電場能產(chǎn)生磁場，反之，變化的磁場也能產(chǎn)生電場， 對電磁場的測量通常有：電場強度v/m，磁場強度A/m，功率密度W/m2。 對于工頻磁場，常用磁感應強度B表示磁場強弱，磁感應強度B與磁場強度的關系為，B=0H，0為真空磁導率，0=410-7，當磁場強

2、度H以(A/m)為單位，磁感應強度B以T（微特斯拉）為單位時，B=1.2566H。 性質(zhì)矢量電場與磁場是矢量，不但有量值大小，還有方向，所以對于非各向同性的測量天線，測量時必須調(diào)整天線方向，直到讀數(shù)為最大值為止。從目前情況來看，一般情況下，綜合場強儀都是各向同性天線（探頭）。電磁場的迭加電磁場有可迭加的性質(zhì)，空間任一點的電場（或磁場）為不同電荷（或電流）在該點產(chǎn)生的電場（或磁場）的矢量和。理想導體內(nèi)及所嚴密包圍的空間內(nèi)的電場強度為零，理想導體上各個位置的電位相等，理想導體表面的電場方向垂直理想導體表面。（如果不垂直，則電場有沿導體表面的分量，導體表面成了非等位面）。電磁波的干涉、繞射、反射、透

3、射由惠更斯-菲涅耳原理，包括電磁波在內(nèi)的一切波有干涉、繞射、鏡面反射、漫反射（散射）、透射等特性。當輻射源與測量點之間有障礙物時，電磁波可通過繞射方式達監(jiān)測點，但強度能量有很大的損失。同一波源發(fā)出的波通過不同路徑傳播到達測量點，這些波在測量點的相位一般不同，由此產(chǎn)生相消干涉或相加干涉。同相相加，反相相消。干涉的結果使得電磁波能量的空間分布發(fā)生變化，因此出現(xiàn)在測量中可能距離輻射源相同的點位但測量值卻相差較大，但對電磁波的總能量來說是不變的。 當電磁波入射到兩種介質(zhì)（如空氣與大地）的分界面上時，會發(fā)生反射與透射，一部分能量進入新的介質(zhì)形成透射波，另一部分能量被反射回原先的介質(zhì)形成反射波。當反射波和

4、源輻射波相遇時也會產(chǎn)生干涉疊加，形成場的不均勻分布。因此在測量中要考慮到反射物可能帶來的影響。對于良導體，電磁波能量基本上被全部反射回去，不能透射到導體深處。在介質(zhì)的分界面起伏不平的程度遠小于波長時，形成鏡面反射，入射角等于反射角。否則形成漫反射（散射）。 因此由平整的導體所形成的反射波導致的干涉疊加容易在空間中形成駐波。測量時給予注意。綜合經(jīng)上因素，測量點周圍的物體都可反射電磁波，與其他傳播路徑（包括直射、地面反射等）的電磁波產(chǎn)生相消干涉或相加干涉，影響測量結果。因此，對電磁測量的要求： 測量無關人員應盡量遠離測量天線（探頭），測量人員不能站在電磁波的傳播路徑進行測量，以防止由測量人員身體反

5、射電磁波帶來影響。 對職業(yè)暴露測量布點應盡量放在常規(guī)工作位置，在操作工人離開的情況下進行。 對于一般的電磁輻射環(huán)境監(jiān)測布點，測點應選在開闊地段，要盡可能避開各種因素的影響。頻譜時域?qū)㈦姶艌隽浚‥、H或S）表示成隨時間變化的函數(shù)g(t)，稱為時域表示。在時域表示中，平面直角坐標系的橫軸為時間t，縱軸為電磁場量大小g(t)，表示電磁場量大小隨時間變化，不同時刻t的電磁場量大小g(t)不同。將電磁場量換成股票指數(shù)，就是股市漲跌圖了。時域表示很直觀，通過常識容易理解。頻域?qū)㈦姶艌隽浚‥、H或S）表示成隨時間變化的函數(shù)g(t)，表示成頻率的函數(shù)G(f)，稱為頻域表示。函數(shù)G(f) 稱為電磁場量的頻譜。在

6、頻域表示中，平面直角坐標系的橫軸為頻率f，縱軸為電磁場量大小G(f)，表示電磁場量大小隨頻率而變，不同頻率f的電磁場量大小G(f)不同，換一個更能顯露其物理意義的等效說法，不同頻率分量f的頻譜強度G(f) 不同。（時域）正弦波為單一頻率的波，其頻譜為一根豎線。如手機機站信號。基波和諧波周期為T的非正弦波可分解成（看作）一系列正弦波的迭加，這些正弦波中頻率最低的稱為基波，其頻率f0=1/T，其余正弦波稱為諧波，頻率為nf0，n=2,3,4，n稱為諧波次數(shù)。周期性的非正弦波頻譜是離散的。一般基波頻譜強度最大，諧波次數(shù)越高，頻譜強度越小。為了簡化設備，降低成本，工科醫(yī)設備的電磁振蕩源的頻譜質(zhì)量很差，

7、除了振蕩頻率（周期）的變化之外，振蕩波形也有畸變，偏離正弦波形，造成諧波干擾。這類干擾源中常見的典型設備是塑料熱合機。其基波頻率雖然遠離廣播電視的接收頻率，但是其諧波頻率可能落入廣播電視的接收頻率范圍，干擾電視的圖像與聲音。 廣播電視及移動通信等攜帶有信息的調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)及調(diào)相電磁波源的頻譜是離散的，頻譜范圍較窄。其測量可用峰值檢波的電視場強儀或頻譜分析儀。非周期性的脈沖波的頻譜是連續(xù)的，沒有基波頻率，頻譜低端從零頻率（直流）開始。脈沖波的上升及下降沿越陡，脈沖越窄（持續(xù)時間越短），頻譜就越寬?；鸹ǚ烹姰a(chǎn)生的電磁脈沖就是這種脈沖波，其頻譜很寬，可對不同頻段的信號接收造成干擾。其測量

8、必須用準峰值檢波的測量接收機、干擾場強儀或頻譜分析儀。 雷雨閃電時所有波段的收音機、電視機都會有大的雜音，街上的摩托車報警器發(fā)出叫聲，說明閃電所發(fā)射電磁波的頻譜很寬。閃電是一種火花放電，所發(fā)射電磁波是脈沖波，由此可從經(jīng)驗了解到，脈沖波的頻譜很寬。極化定義：在最大輻射方向上電場矢量端點運動的軌跡。電場矢量端點運動的軌跡如為園，稱園極化。如為橢圓，稱橢圓極化。電場矢量端點運動的軌跡如為直線，稱線極化，以地面為參考，又分為垂直極化和水平極化。一般而言，單根線狀發(fā)射天線的方向即為所發(fā)射電磁波的極化方向，中波天線垂直于地面，所以輻射垂直極化波，主要傳播途徑為地波傳播；短波天線平行于地面，所以輻射水平極化

9、波，主要傳播途徑為天波傳播（通過電離層反射）。 四、電磁輻射的測量基礎知識電磁輻射的測量方法通常與測量點位和輻射源的距離有關，即，所進行的測量是遠場測量還是近場測量。由于遠場和近場的情況下，電磁場的性質(zhì)有所不同，因此，要對遠場和近場測量有明確的了解。 1、電磁場的遠場和近場劃分電磁輻射源產(chǎn)生的交變電磁場可分為性質(zhì)不同的兩個部分，其中一部分電磁場能量在輻射源周圍空間及輻射源之間周期性地來回流動，不向外發(fā)射，稱為感應場；另一部分電磁場能量脫離輻射體，以電磁波的形式向外發(fā)射，稱為輻射場。一般情況下，電磁輻射場根據(jù)感應場和輻射場的不同而區(qū)分為遠區(qū)場（輻射場）和近區(qū)場（感應場）。由于遠場和近場的劃分相對

10、復雜，要具體根據(jù)不同的工作環(huán)境和測量目的進行劃分，一般而言，以場源為中心，在三個波長范圍內(nèi)的區(qū)域，通常稱為近區(qū)場，也可稱為感應場；在以場源為中心，半徑為三個波長之外的空間范圍稱為遠區(qū)場，也可稱為輻射場。 近區(qū)場通常具有如下特點：近區(qū)場內(nèi)，電場強度與磁場強度的大小沒有確定的比例關系。即：E 377H。一般情況下，對于電壓高電流小的場源(如發(fā)射天線、饋線等)，電場要比磁場強得多，對于電壓低電流大的場源(如某些感應加熱設備的模具)，磁場要比電場大得多。 近區(qū)場的電磁場強度比遠區(qū)場大得多。從這個角度上說，電磁防護的重點應該在近區(qū)場。 近區(qū)場的電磁場強度隨距離的變化比較快，在此空間內(nèi)的不均勻度較大。遠區(qū)

11、場的主要特點如下： 在遠區(qū)場中，所有的電磁能量基本上均以電磁波形式輻射傳播，這種場輻射強度的衰減要比感應場慢得多。在遠區(qū)場，電場強度與磁場強度有如下關系：在國際單位制中，E=377H，電場與磁場的運行方向互相垂直，并都垂直于電磁波的傳播方向。 遠區(qū)場為弱場，其電磁場強度均較小近區(qū)場與遠區(qū)場劃分的意義：通常，對于一個固定的可以產(chǎn)生一定強度的電磁輻射源來說，近區(qū)場輻射的電磁場強度較大，所以，應該格外注意對電磁輻射近區(qū)場的防護。對電磁輻射近區(qū)場的防護，首先是對作業(yè)人員及處在近區(qū)場環(huán)境內(nèi)的人員的防護，其次是對位于近區(qū)場內(nèi)的各種電子、電氣設備的防護。而對于遠區(qū)場，由于電磁場強較小，通常對人的危害較小。

12、對我們最經(jīng)常接觸的從短波段30MHz到微波段的3000MHz的頻段范圍，其波長范圍從10米到1米。2、遠區(qū)場的測量在遠區(qū)場（輻射場區(qū)），可引入功率密度矢量（波印廷矢量） ，電場矢量 、磁場矢量 、波印廷矢量 三者方向互相垂直，波印廷矢量的方向為電磁波傳播方向。在數(shù)值上，E=377H，S=EH=E2/377。其中電場強度E的單位是(V/m)，磁場強度H的單位是(A/m)，功率密度的單位是（W/m2）,全部是國際單位制(SI)。由公式可看出，在遠場區(qū)，電場與磁場不是獨立的，可以只測電場強度，磁場強度及功率密度中的一個項目，其他兩個項目均可由此換算出來。一般情況，關于遠場和近場的測量問題可以簡化為：

13、國標規(guī)定，當電磁輻射體的工作頻率低于300MHz時，應對工作場所的電場強度和磁場強度分別測量。當電磁輻射體的工作頻率大于300MHz時，可以只測電場強度。300MHz頻率相應的波長為1米，/6為16cm，16cm之外輻射場占優(yōu)勢。如按3的劃分界限，距輻射源3米之外可認為是遠場區(qū)。一般電磁環(huán)境是指在較大范圍內(nèi)由各種電磁輻射源，通過各種傳播途徑造成的電磁輻射背景值，因而屬于遠區(qū)場，輻射的頻譜非常寬，電磁場強度均較小。1GHz以下遠區(qū)輻射場的測量，可用遠區(qū)場強儀，也可用干擾場強儀。3、近區(qū)場的測量在近場區(qū)（感應場區(qū)），電場強度E與磁場強度H的大小沒有確定的比例關系，即：E 377H，需要分別測量電場

14、強度E與磁場強度H的大小。對于電壓高而電流小的場源，在感應場區(qū)內(nèi)主要是電場，主要測量電場，對于電壓低而電流大的場源(如感應線圈)，在感應場區(qū)內(nèi)主要是磁場，主要測量磁場。例如，對于沒有接上電器的墻上電源插座，電流基本為零，電壓不為零，插座在其附近產(chǎn)生一定強度的工頻電場，但產(chǎn)生的工頻磁場基本為零。 國家標準限值中30MHz以下以場強為準，因為該頻段的波長大于10米，測量點處的感應場常常不能忽略，電場強度E與磁場強度H的比例關系不確定。由前面的場強與距離的關系可知，近場區(qū)場強很大（根據(jù)不同的設備，電場強度可能從幾十到幾百V/m，磁場強度可達到數(shù)A/m），但場強隨距離的增大衰減得很快，即場強變化梯度很

15、大，是一種非常復雜的非均勻場。因此，近區(qū)場強儀的量程應當足夠大，而測量探頭應當足夠小，測量結果才能代表測試點的場強。近場區(qū)監(jiān)測主要屬于工作場所監(jiān)測。由于近區(qū)場強很大，較遠處的其它電磁輻射源的貢獻可忽略不計，因此，近區(qū)場強測量不采用選頻式儀器?？捎镁C合場強儀測量近區(qū)場強，如意大利PMM公司的8053型儀器，具有較好的測量精度和強大的數(shù)據(jù)處理功能。目前的綜合場強儀與早期的近區(qū)場強儀的不同：前者為各向同性，測量時不必調(diào)整探頭方向。前者較后者頻率范圍更寬。例：具體輻射源的近場（感應場區(qū)）與遠場（輻射場區(qū)）（ = c / f）附：場區(qū)的具體劃分場強與距離的關系以r表示測量點到輻射源的距離，則在該點的感應

16、場強度與r2至r3成反比，輻射場強度與r成反比（因此，輻射場強度與距離r的乘積與r無關，稱為場強距離乘積）。在靠近輻射源的地方，隨著距離r的減小，感應場強度急劇增加。近場與遠場的劃分當測量距離r/2/6時，感應場強度與輻射場強度相當。在距離輻射源比較近（r/6）則相反，輻射場占優(yōu)勢，稱為遠場（區(qū)）或輻射場區(qū)。近場區(qū)和遠場區(qū)的提法被廣為使用，但在不同的應用領域，其劃分界限不統(tǒng)一。也稱為近區(qū)場和遠區(qū)場。一般當r大于3時，可忽略感應場的成份，認為處于遠場（區(qū)）。當輻射源尺度與波長可比擬時，還可將輻射場區(qū)分為輻射近場區(qū)和輻射遠場區(qū)。輻射遠場區(qū)的定義是，輻射場強度角分布基本上與距天線的距離無關的場區(qū)，在

17、輻射遠場區(qū)，將天線上各點到測量點的連線當作是平行的，所引入的誤差小于一定的限度。如天線尺寸為D，則遠場區(qū)距離應大于2D2/。當輻射源尺寸D的數(shù)量級小于波長時（2D2/6，D/3.5），輻射近場區(qū)范圍小于感應場區(qū)，輻射場區(qū)全部是輻射遠場區(qū)。如果測量天線為微波段的面天線，而且尺寸較大，所測輻射源與測量天線的距離大于2D2/認為是輻射遠場區(qū)。由以上公式可見，近場與遠場的劃分界限與輻射源頻率（波長）有關。4、電磁輻射頻率范圍 全范圍廣義上包括射線、射線、宇宙射線等電離電磁輻射，狹義上包括031012Hz，從靜電場、靜磁場到亞毫米波，該頻率范圍的電磁輻射不能造成原子與分子的電離，不管其強度有多大。 目前

18、我國管理范圍目前認為影響較大、受關注、研究較多并已經(jīng)制定相應標準限值的頻段有：工頻50Hz，射頻100kHz-300GHz。 各波段名稱、頻率范圍及波長波段名稱 頻段名稱 頻率范圍 波長工頻 50/60 Hz 超長波 甚低頻(VLF) 330KHz 10010Km長波 低頻(LF) 30300KHz 101Km中波 中頻(MF) 0.33MHz 10.1Km短波 高頻(HF) 330MHz 10010m超短波(米波) 甚高頻(VHF) 30300MHz 101m分米波 微波 超高頻(UHF) 0.33GHz 10.1m厘米波 特高頻(SHF) 330GHz 101cm毫米波 極高頻(EHF)

19、30300GHz 101mm 常見電磁輻射源的頻率范圍 電磁輻射污染源監(jiān)測要求所用儀器的測量頻率范圍與污染源的工作頻率相適應，因此有必要了解常見電磁輻射源的頻率。GSM移動通信基站：900/1800MHz中波廣播：535-1605KHz短波廣播：4-19 MHz內(nèi)的部分頻段調(diào)頻（聲音）廣播：88-108MHz電視：50-92，168-223，471-566，607-958 MHz五個頻段家用微波爐：2450 MHz，工業(yè)微波爐：915，2450 MHz高壓電力設備：工頻50Hz，電磁噪聲干擾中短波（測量范圍0.5-30 MHz）高頻感應加熱設備（如熔煉爐、淬火爐等）：工作頻率幾百kHz高頻介質(zhì)

20、加熱設備：工作頻率幾MHz至幾十MHz。如塑料熱合機27.12，40.68MHz。超短波電療機：40.68 MHz國際電信聯(lián)盟(ITU)分配給工科醫(yī)（ISM）設備的自由輻射頻率為13.56MHz，27.12 MHz，40.68 MHz，2.45GHz等。在這些頻率范圍內(nèi)的電磁輻射強度不受限制。5、電磁能的發(fā)射與傳播途徑 電磁發(fā)射是指從源向外發(fā)出電磁能的現(xiàn)象。電磁發(fā)射分為輻射發(fā)射和傳導發(fā)射。 輻射發(fā)射是通過空間傳播的、有用的或不希望有的電磁能量。 而輻射發(fā)射經(jīng)常稱之為電磁輻射，其定義為：a.能量以電磁波形式由源發(fā)射到空間的現(xiàn)象。b.能量以電磁波形式在空間傳播。注：電磁輻射一詞的含義有時也可引申，

21、將電磁感應（即感應場）也包括在內(nèi)。我們在日常工作中使用的是其引申含義。 傳導發(fā)射是指沿電源線或信號線傳輸?shù)碾姶虐l(fā)射。 電磁環(huán)境電磁環(huán)境的定義是存在于給定場所的所有電磁現(xiàn)象的總和。電磁環(huán)境包括輻射發(fā)射與傳導發(fā)射。但從環(huán)境工程來看，電磁環(huán)境的主要影響因素是電磁輻射。實際上電磁輻射騷擾源常常也伴隨著傳導發(fā)射。實際傳播途徑可以是輻射與傳導的組合（注意前面是發(fā)射途徑），比如電磁波到達建筑物時，既可以（穿過墻壁或）通過門窗進入室內(nèi)，也可以通過電線、鋼筋傳導進入室內(nèi)，如在永安761臺監(jiān)測中，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)電線附近的電場強度明顯高于室內(nèi)的平均電場強度。測某基站時發(fā)現(xiàn)橫梁下電場強度高于該點旁邊1米位置的電場強度。五、

22、電磁輻射測量儀器電磁輻射的測量按測量場所分為作業(yè)環(huán)境、特定公眾暴露環(huán)境、一般公眾暴露環(huán)境測量。按測量參數(shù)分為電場強度、磁場強度和電磁場功率通量密度等的測量。對于不同的測量應選用不同類型的儀器，以期獲取最佳的測量結果。測量儀器根據(jù)測量目的分為非選頻式寬帶輻射測量儀和選頻式輻射測量儀。無論是非選頻式寬帶輻射測量儀還是選頻式輻射測量儀，基本構造都是由天線(傳感器)及主機系統(tǒng)兩部分組成的1 非選頻式寬帶輻射測量儀（綜合場強儀）工作原理11 電場探頭偶極子和檢波二極管組成探頭這類儀器由三個正交的210cm長的偶極子天線，端接肖特基檢波二極管、RC濾波器組成。檢波后的直流電流經(jīng)高阻傳輸線或光纜送入數(shù)據(jù)處理

23、和顯示電路。通常這類儀器探頭響應快，動態(tài)范圍大，但由于作為天線的偶極子的長度應遠小于被測頻率的半波長，以避免在被測頻率下諧振。這一特性決定了這類儀器只能在低于幾吉赫頻率范圍使用，不過隨著儀器技術的不斷發(fā)展，近年也有廠家能將頻率范圍擴展到四十吉赫頻率，甚至更高范圍。熱電偶型探頭采取三條相互垂直的熱電偶結點陣作電場測量探頭，提供了和熱電偶元件切線方向場強平方成正比的直流輸出，待測場強與極化無關，保證了探頭有極寬的頻帶，容易做到極高的頻率，但探頭響應和動態(tài)范圍要相對差一些。 12 磁場探頭由三個相互正交環(huán)天線和二極管、RC濾波元件、高阻線組成，從而保證其全向性和頻率響應。對電性能的要求使用非選頻式寬

24、帶輻射測量儀實施環(huán)境監(jiān)測時，為了確保環(huán)境監(jiān)測的質(zhì)量，應對這類儀器電性能提出基本要求：各向同性誤差1dB系統(tǒng)頻率響應不均勻度3dB靈敏度：0.5V/m校準精度：0.5dB2 選頻式輻射測量儀（頻譜儀或測試接收機）這類儀器用于環(huán)境中低電平電場強度、電磁兼容、電磁干擾測量。除場強儀（或稱干擾場強儀）外，可用接收天線和頻譜儀或測試接收機組成的測量系統(tǒng)經(jīng)校準后，用于環(huán)境電磁輻射測量。 選頻的意思是只選擇某些頻率進行測量，只讓很小的頻率范圍的信號進來，濾除其余頻率的信號。選頻式測量儀器的靈敏度較非選頻式的高很多。根據(jù)所測量信號頻譜的不同，選頻式射頻輻射測量儀器也按檢波方式分為兩大類，一類采用峰值檢波，測量

25、廣播電視及通信等較窄的輻射源；另一類采用準峰值檢波，測量火花放電等頻譜范圍很寬的電磁脈沖源。電視場強儀，遠區(qū)場強儀，峰值檢波。干擾場強儀，測量接收機，準峰值檢波。頻譜分析儀，峰值檢波及準峰值檢波二者均有。工作原理場強儀（干擾場強儀） 待測場的場強值：E（dBV/m）= K (dB)+Vr（dBV）+L（dB）（2.1）式中K是天線校正系數(shù)，它是頻率的函數(shù)，可由場強儀的附表中查得。場強儀的讀數(shù)Vr必須加上對應K值和電纜損耗L才能得出場強值。但近期生產(chǎn)的場強儀所附天線校正系數(shù)曲線所示K值已包括測量天線的電纜損耗L值。當被測場是脈沖信號時，不同帶寬Vr值不同。此時需要歸一化于1MHz帶寬的場強值，即 ：E（dBV/m）= K (dB)+Vr（dBV）+20lg +L（dB） （2.2）BW為選用帶寬，單位MHz。測