远场和近场的区别

近场与远场的划分 2014 07 14 16 04 电磁辐射的测量方法通常与测量点位置和辐射源的距离有关 即 所进行的测量 是远场测量还是近场测量 由于在远场和近场的情况下 电磁场的性质有所不同 因 此 要对远场和近场测量有明确的了解 1 电磁场的远场和近场划分 电磁辐射源产生的交变电磁场可分为性质不同的两个部分 其中一部分电磁场能量在 辐射源周围空间及辐射源之间周期性地来回流动 不向外发射 称为感应场 另一部 分电磁场能量脱离辐射体 以电磁波的形式向外发射 称为辐射场 一般情况下 电磁辐射场根据感应场和辐射场的不同而区分为远区场 感应场 和近 区场 辐射场 由于远场和近场的划分相对复杂 要具体根据不同的工作环境和测 量目的进行划分 一般而言 以场源为中心 在三个波长范围内的区域 通常称为近 区场 也可称为感应场 在以场源为中心 半径为三个波长之外的空间范围称为远区 场 也可称为辐射场 近区场通常具有如下特点 近区场内 电场强度与磁场强度的大小没有确定的比例关系 即 E 377H 一般情况 下 对于电压高电流小的场源 如发射天线 馈线等 电场要比磁场强得多 对于电压 低电流大的场源 如某些感应加热设备的模具 磁场要比电场大得多 近区场的电磁场强度比远区场大得多 从这个角度上说 电磁防护的重点应该在近区 场 近区场的电磁场强度随距离的变化比较快 在此空间内的不均匀度较大 远区场的主要特点如下 在远区场中 所有的电磁能量基本上均以电磁波形式辐射传播 这种场辐射强度的衰 减要比感应场慢得多 在远区场 电场强度与磁场强度有如下关系 在国际单位制中 E 377H 电场与磁 场的运行方向互相垂直 并都垂直于电磁波的传播方向 远区场为弱场 其电磁场强度均较小 近区场与远区场划分的意义 通常 对于一个固定的可以产生一定强度的电磁辐射源来说 近区场辐射的电磁场强 度较大 所以 应该格外注意对电磁辐射近区场的防护 对电磁辐射近区场的防护 首先是对作业人员及处在近区场环境内的人员的防护 其次是对位于近区场内的各种 电子 电气设备的防护 而对于远区场 由于电磁场强较小 通常对人的危害较小 对我们最经常接触的从短波段 30MHz 到微波段的 3000MHz 的频段范围 其波长范 围从 10 米到 1 米 2 远区场的测量 在远区场 辐射场区 可引入功率密度矢量 波印廷矢量 电场矢量 磁场矢量 波印廷矢量三者方向互相垂直 波印廷矢量的方向为电磁波传播方向 在数值上 E 377H S EH E2 377 其中电场强度 E 的单位是 V m 磁场强度 H 的单位是 A m 功率密度的单位是 W m2 全部是国际单位制 SI 由公式可看出 在远场区 电场与磁场不是独立的 可以只测电场强度 磁场强度及 功率密度中的一个项目 其他两个项目均可由此换算出来 一般情况 关于远场和近场的测量问题可以简化为 国标规定 当电磁辐射体的工作频率低于 300MHz 时 应对工作场所的电场强度和磁 场强度分别测量 当电磁辐射体的工作频率大于 300MHz 时 可以只测电场强度 300MHz 频率相应的波长为 1 米 6 为 400px 400px 之外辐射场占优势 如按 3 的划分界限 距辐射源 3 米之外可认为是远场区 一般电磁环境是指在较大范围内由各种电磁辐射源 通过各种传播途径造成的电磁辐 射背景值 因而属于远区场 辐射的频谱非常宽 电磁场强度均较小 1GHz 以下远区辐射场的测量 可用远区场强仪 也可用干扰场强仪 3 近区场的测量 在近场区 感应场区 电场强度 E 与磁场强度 H 的大小没有确定的比例关系 即 E 377H 需要分别测量电场强度 E 与磁场强度 H 的大小 对于电压高而电流小的场源 在感应场区内主要是电场 主要测量电场 对于电压低而电流大的场源 如感应线圈 在感应场区内主要是磁场 主要测量磁场 例如 对于没有接上电器的墙上电源插座 电流基本为零 电压不为零 插座在其附近产生一定强度的工频电场 但产生的工频 磁场基本为零 国家标准限值中 30MHz 以下以场强为准 因为该频段的波长大于 10 米 测量点处的感应场常常不能忽略 电场强度 E 与磁场强度 H 的比例关系不确定 由前面的场强与距离的关系可知 近场区场强很大 根据不同的设备 电场强度可能 从几十到几百 V m 磁场强度可达到数 A m 但场强随距离的增大衰减得很快 即 场强变化梯度很大 是一种非常复杂的非均匀场 因此 近区场强仪的量程应当足够 大 而测量探头应当足够小 测量结果才能代表测试点的场强 近场区监测主要属于 工作场所监测 由于近区场强很大 较远处的其它电磁辐射源的贡献可忽略不计 因此 近区场强测 量不采用选频式仪器 可用综合场强仪测量近区场强 如意大利 PMM 公司的 8053 型仪器 具有较好的测量精度和强大的数据处理功能 目前的综合场强仪与早期的近 区场强仪的不同 前者为各向同性 测量时不必调整探头方向 前者较后者频率范围 更宽 例 具体辐射源的近场 感应场区 与远场 辐射场区 c f 频率 f 波长 界限 3 50 60 Hz 电力 6000 5 000 km 18000 15 000 km 50 kHz 电焊6 km18km 27 MHz CB 广播 透热疗法 11 1 m33 3 m 100 MHz FM 广播3 m9 m 433 MHz 工业应用0 7 m2 1 m 900 MHz 移动电话 寻呼机 0 33 m1 m 2 45 GHz 微波 工 业 0 12 m0 36 m 6 GHz 数字广播0 05 m0 15 m 20 GHz 卫星传输0 015 m0 045 m 附 场区的具体划分 场强与距离的关系 以 r 表示测量点到辐射源的距离 则在该点的感应场强度与 r2 至 r3 成反比 辐射 场强度与 r 成反比 因此 辐射场强度与距离 r 的乘积与 r 无关 称为场强距离乘积 在靠近辐射源的地方 随着距离 r 的减小 感应场强度急剧增加 近场与远场的划分 当测量距离 r 2 6 时 感应场强度与辐射场强度相当 在距离辐射源比较近 r 6 则相反 辐射场占优势 称为远场 区 或辐射场区 近场区和远场区 的提法被广为使用 但在不同的应用领域 其划分界限不统一 也称为近区场和远区 场 一般当 r 大于 3 时 可忽略感应场的成份 认为处于远场 区 当辐射源尺度与波长可比拟时 还可将辐射场区分为辐射近场区和辐射远场区 辐 射远场区的定义是 辐射场强度角分布基本上与距天线的距离无关的场区 在辐射 远场区 将天线上各点到测量点的连线当作是平行的 所引入的误差小于一定的限度 如天线尺寸为 D 则远场区距离应大于 2D2 当辐射源尺寸 D 的数量级小于波长 时 2D2 6 D 3 5 辐射近场区范围小于感应场区 辐射场区全部是辐射远场区 如果测量天线为微波段的面天线 而且尺寸较大 所测辐射源与测量天线的距离大 于 2D2 认为是辐射远场区 由以上公式可见 近场与远场的划分界限与辐射源频率 波长 有关 4 电磁辐射频率范围 全范围 广义上包括 射线 射线 宇宙射线等电离电磁辐射 狭义上包括 0 3 1012Hz 从 静电场 静磁场到亚毫米波 该频率范围的电磁辐射不能造成原子与分子的电离 不 管其强度有多大 目前我国管理范围 目前认为影响较大 受关注 研究较多并已经制定相应标准限值的频段有 工频 50Hz 射频 100kHz 300GHz 各波段名称 频率范围及波长 波段名称频段名称频率范围波长 工频50 60 Hz 超长波甚低频 VLF 3 30KHz100 10Km 长波低频 LF 30 300KHz10 1Km 中波中频 MF 0 3 3MHz1 0 1Km 短波高频 HF 3 30MHz100 10m 超短波 米波 甚高频 VHF 30 300MHz10 1m 分米波超高 UHF 0 3 3GHz1 0 1m 厘米波特高频 SHF 3 30GHz10 25px 毫米波 微 波 极高频 EHF 30 300GHz10 1mm 波段名称频段名称频率范围波长 工频 50 60 Hz 超长波甚低频 VLF 3 30KHz 100 10Km 长波低频 LF 30 300KHz 10 1Km 中波中频 MF 0 3 3MHz 1 0 1Km 短波高频 HF 3 30MHz 100 10m 超短波 米波 甚高频 VHF 30 300MHz 10 1m 分米波微波超高频 UHF 0 3 3GHz 1 0 1m 厘米波特高频 SHF 3 30GHz 10 25px 毫米波极高频 EHF 30 300GHz 10 1mm 常见电磁辐射源的频率范围 电磁辐射污染源监测要求所用仪器的测量频率范围与污染源的工作频率相适应 因 此有必要了解常见电磁辐射源的频率 GSM 移动通信基站 900 1800MHz 中波广播 535 1605KHz 短波广播 4 19 MHz 内的部分频段 调频 声音 广播 88 108MHz 电视 50 92 168 223 471 566 607 958 MHz 五个频段 家用微波炉 2450 MHz 工业微波炉 915 2450 MHz 高压电力设备 工频 50Hz 电磁噪声干扰中短波 测量范围 0 5 30 MHz 高频感应加热设备 如熔炼炉 淬火炉等 工作频率几百 kHz 高频介质加热设备 工作频率几 MHz 至几十 MHz 如塑料热合机 27 12 40 68MHz 超短波电疗机 40 68 MHz 国际电信联盟 ITU 分配给工科医 ISM 设备的自由辐射频率为 13 56MHz 27 12 MHz 40 68 MHz 2 45GHz 等 在这些频率范围内的电磁辐射强度不受限制 5 电磁能的发射与传播途径 电磁发射 是指 从源向外发出电磁能的现象 电磁发射分为辐射发射和传导发射 辐射发射 是 通过空间传播的 有用的或不希望有的电磁能量 而辐射发射经常称之为电磁 辐射 其定义为 a 能量以电磁波形式由源发射到空间的现象 b 能量以电磁波形式 在空间传播 注 电磁辐射一词的含义有时也可引申 将电磁感应 即感应场 也包括在内 我们在日常工作中使用的是其引申含义 传导发射 是指 沿电源线或信号线传输的电磁发射 电磁环境 电磁环境的定义是 存在于给定场所的所