电磁场近远区区分方法及电磁辐射频率范围

1、、电磁辐射物理原理1、电磁场的产生及性质 产生根据电磁学基本理论， 带电粒子周围会有相应的电场分布， 随时间变化的带电粒 子产生变化的电场。 由于带电粒子周围电位不同的两点之间存在电位差， 因此在 两点间形成了电压。当大量的带电粒子定向移动时形成了电流， 电流周围产生磁场， 随时间变化的电 流产生变化的磁场。电磁场是一种特殊的物质形态， 可以单独在空间中传播。 变化的电场能产生磁场， 反之，变化的磁场也能产生电场，对电磁场的测量通常有：电场强度 v/m,磁场强度A/m，功率密度 W/m2。 对于工频磁场，常用磁感应强度 B 表示磁场强弱，磁感应强度 B 与磁场强度的 关系为，B=y OH,卩0

2、为真空磁导率，卩O=4nX-70当磁场强度H以（A/m）为单位， 磁感应强度B以yT （微特斯拉）为单位时，B=1.2566H。 性质 矢量电场与磁场是矢量， 不但有量值大小， 还有方向， 所以对于非各向同性的测量天 线，测量时必须调整天线方向， 直到读数为最大值为止。从目前情况来看， 一般 情况下，综合场强仪都是各向同性天线（探头）。电磁场的迭加 电磁场有可迭加的性质，空间任一点的电场（或磁场）为不同电荷（或电流）在 该点产生的电场 （或磁场） 的矢量和。 理想导体内及所严密包围的空间内的电场 强度为零， 理想导体上各个位置的电位相等， 理想导体表面的电场方向垂直理想 导体表面。（如果不垂直

3、， 则电场有沿导体表面的分量， 导体表面成了非等位面） 电磁波的干涉、绕射、反射、透射由惠更斯 -菲涅耳原理，包括电磁波在内的一切波有干涉、绕射、镜面反射、漫 反射（散射）、透射等特性。当辐射源与测量点之间有障碍物时， 电磁波可通过 绕射 方式达监测点， 但强度能 量有很大的损失。同一波源发出的波通过不同路径传播到达测量点， 这些波在测量点的相位一般不 同，由此产生 相消干涉或相加干涉 。同相相加， 反相相消。 干涉的结果使得电磁 波能量的空间分布发生变化， 因此出现在测量中可能距离辐射源相同的点位但测 量值却相差较大，但对电磁波的总能量来说是不变的。当电磁波入射到两种介质（如空气与大地）的分

4、界面上时，会发生 反射与透射 ， 一部分能量进入新的介质形成透射波， 另一部分能量被反射回原先的介质形成反 射波。当反射波和源辐射波相遇时也会产生干涉叠加， 形成场的不均匀分布。 因 此在测量中要考虑到反射物可能带来的影响。对于良导体，电磁波能量基本上被全部反射回去， 不能透射到导体深处。在介质 的分界面起伏不平的程度远小于波长时， 形成镜面反射，入射角等于反射角。否 则形成漫反射(散射)。因此由平整的导体所形成的反射波导致的干涉叠加容易在空间中形成驻波。测量时给予注意。综合经上因素，测量点周围的物体都可反射电磁波，与其他传播路径(包括直射、 地面反射等)的电磁波产生相消干涉或相加干涉， 影响

5、测量结果。因此，对电磁 测量的要求： 测量无关人员应尽量远离测量天线(探头)，测量人员不能站在电磁波的传 播路径进行测量，以防止由测量人员身体反射电磁波带来影响。 对职业暴露测量布点应尽量放在常规工作位置，在操作工人离开的情况下进 行。 对于一般的电磁辐射环境监测布点，测点应选在开阔地段，要尽可能避开各 种因素的影响。频谱时域将电磁场量(E、H或S)表示成随时间变化的函数 g(t)，称为时域表示。在时域表示中，平面直角坐标系的横轴为时间 t,纵轴为电磁场量大小g(t)，表 示电磁场量大小随时间变化，不同时刻 t的电磁场量大小g(t)不同。将电磁场量 换成股票指数，就是股市涨跌图了。时域表示很直

6、观，通过常识容易理解。频域将电磁场量(E、H或S)表示成随时间变化的函数 g(t)，表示成频率的函数G(f)， 称为频域表示。函数G(f)称为电磁场量的频谱。在频域表示中，平面直角坐标系的横轴为频率 f，纵轴为电磁场量大小 G(f)，表 示电磁场量大小随频率而变，不同频率f的电磁场量大小G(f)不同，换一个更能 显露其物理意义的等效说法，不同频率分量 f的频谱强度G(f)不同。(时域)正弦波为单一频率的波，其频谱为一根竖线。如手机机站信号。基波和谐波周期为T的非正弦波可分解成(看作)一系列正弦波的迭加，这些正弦波中频 率最低的称为基波，其频率f0=1/T，其余正弦波称为谐波，频率为 nfO,

7、n=2,3,4 ，n称为谐波次数。周期性的非正弦波频谱是离散的。一般基波频谱 强度最大，谐波次数越高，频谱强度越小。为了简化设备，降低成本，工科医设备的电磁振荡源的频谱质量很差，除了振荡频率(周期)的变化之外，振荡波形也有畸变，偏离正弦波形，造成谐波干扰。这类干扰源中常见的典型设备是塑料热合机。 其基波频率虽然远离广播电视的接 收频率，但是其谐波频率可能落入广播电视的接收频率范围， 干扰电视的图像与声音 广播电视及移动通信等携带有信息的调幅（AM）、调频（FM）及调相电磁波源的频谱是离散的，频谱范围较窄。其测量可用峰值检波的电视场强仪或频谱分析仪。非周期性的脉冲波的频谱是连续的，没有基波频率，

8、频谱低端从零频率（直流） 开始。脉冲波的上升及下降沿越陡，脉冲越窄（持续时间越短），频谱就越宽。 火花放电产生的电磁脉冲就是这种脉冲波， 其频谱很宽， 可对不同频段的信号接 收造成干扰。其测量必须用准峰值检波的测量接收机、 干扰场强仪或频谱分析仪。雷雨闪电时所有波段的收音机、 电视机都会有大的杂音， 街上的摩托车报警器发 出叫声， 说明闪电所发射电磁波的频谱很宽。 闪电是一种火花放电， 所发射电磁 波是脉冲波，由此可从经验了解到，脉冲波的频谱很宽。极化定义：在最大辐射方向上电场矢量端点运动的轨迹。电场矢量端点运动的轨迹如为园，称园极化。如为椭圆，称椭圆极化。电场矢量端点运动的轨迹如为直线， 称

9、线极化，以地面为参考， 又分为垂直极化 和水平极化。一般而言，单根线状发射天线的方向即为所发射电磁波的极化方向， 中波天线垂直于地面， 所以辐射垂直极化波， 主要传播途径为地波传播； 短波天 线平行于地面， 所以辐射水平极化波， 主要传播途径为天波传播 （通过电离层反 射）。四、电磁辐射的测量基础知识 电磁辐射的测量方法通常与测量点位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

10、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（辐射场） 和近区场（感应场） 。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

11、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，

12、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

13、，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，入6 16cm，16cm之外辐射场占优势。如按3入 的

14、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

15、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

16、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频率界限（3 ）50 / 60 Kz 电力6000 / 5000 臥16000 / 15000 臥SO kKi电焊6 km2T MMr CB广播，透热疗;去11 1 m33. 3 m100 MHz FM 广摘3 m9 m433 MHz工业应用O.T Hi2 1 m9

17、00 MHz移动电话寻呼机Q. 33 m1 m2 45 GHz徽波，工业0 12 m0. 3& m6 GHt数宇广播0. 05 m0.15 m20 GKi卫星倍输0 CIS it0 04S 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=入/2冗时/6感应场强度与辐射场强度相当。在距离辐射源比较 近（r入/6的地方，感应场强度大于辐射场强度，称为近场（

18、区）或感应场区， 较远的地方（r入/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入时，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/入。当辐射源尺寸D的 数量级小于波长 入时(2D2/X 入/6D入/3

19、.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/入认为是辐射远场区。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X射线、丫射线、宇宙射线等电离电磁辐射，狭义上包括03X1012HZ, 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

20、频段名称 工频频率范围50/60 Hi波长超长波甚f圧频(VLF)33OKHhlOOlOKm长波低频30SOOKHr中波中频血町0. 33NIHh10. Ilin短減高频血33OMHi100-lOh超短波侏波)甚高频(OT)33300MKz10Im分米波超高频cum0 33GHz厘米诚微波特高频101 cn毫米波极高频CEHFJ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) 330KHz 10010Km长波 低频(LF) 30300KHz 101Km 中波 中频(MF) 0.33MHz 10.1Km 短波 高频(HF) 330MHz 10010m 超短波(米波

21、)甚高频(VHF) 30300MHz 101m 分米波 微波 超高频(UHF) 0.33GHz 10.1m 厘米波 特高频(SHF) 330GHz 101cm毫米波 极高频（EHF） 30300GHz 101mm 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

22、：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 M Hz 。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

23、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有电磁现象的总和。"电磁环境包括辐射发射与传导发射。 但从环境工程来看，

24、 电磁环境的主要影响因素是电磁辐射。 实 际上电磁辐射骚扰源常常也伴随着传导发射。实际传播途径可以是辐射与传导的组合 （注意前面是发射途径） ，比如电磁波到 达建筑物时，既可以（穿过墙壁或）通过门窗进入室内，也可以通过电线、钢筋 传导进入室内， 如在永安 761台监测中，发现室内电线附近的电场强度明显高于 室内的平均电场强度。 测某基站时发现横梁下电场强度高于该点旁边 1 米位置的 电场强度。五、电磁辐射测量仪器 电磁辐射的测量按测量场所分为作业环境、 特定公众暴露环境、 一般公众暴露环 境测量。按测量参数分为电场强度、磁场强度和电磁场功率通量密度等的测量。 对于不同的测量应选用不同类型的仪器

25、，以期获取最佳的测量结果。测量仪器根据测量目的分为非选频式宽带辐射测量仪和选频式辐射测量仪。 无论 是非选频式宽带辐射测量仪还是选频式辐射测量仪，基本构造都是由天线 （传感 器）及主机系统两部分组成的1 非选频式宽带辐射测量仪（综合场强仪） 工作原理1 1 电场探头 偶极子和检波二极管组成探头这类仪器由三个正交的210cm长的偶极子天线，端接肖特基检波二极管、RC滤波器组成。检波后的直流电流经高阻传输线或光缆送入数据处理和显示电路。通常这类仪器探头响应快， 动态范围大， 但由于作为天线的偶极子的长度应远小 于被测频率的半波长， 以避免在被测频率下谐振。 这一特性决定了这类仪器只能 在低于几吉赫

26、频率范围使用， 不过随着仪器技术的不断发展， 近年也有厂家能将 频率范围扩展到四十吉赫频率，甚至更高范围。热电偶型探头 采取三条相互垂直的热电偶结点阵作电场测量探头， 提供了和热电偶元件切线方 向场强平方成正比的直流输出， 待测场强与极化无关， 保证了探头有极宽的频带， 容易做到极高的频率，但探头响应和动态范围要相对差一些。1 2 磁场探头由三个相互正交环天线和二极管、 RC 滤波元件、高阻线组成，从而保证其全向 性和频率响应。对电性能的要求为了确保环境监测的质量， 应对使用非选频式宽带辐射测量仪实施环境监测时， 这类仪器电性能提出基本要求：各向同性误差± 1dB系统频率响应不均匀度

27、± 3dB灵敏度： 0.5V/m校准精度：±).5dB2选频式辐射测量仪(频谱仪或测试接收机)这类仪器用于环境中低电平电场强度、电磁兼容、电磁干扰测量。除场强仪(或称干扰场强仪)夕卜，可用接收天线和频谱仪或测试接收机组成的测量系统经校准 后，用于环境电磁辐射测量。选频的意思是只选择某些频率进行测量， 只让很小的频率范围的信号进来，滤除 其余频率的信号。选频式测量仪器的灵敏度较非选频式的高很多。根据所测量信号频谱的不同，选频式射频辐射测量仪器也按检波方式分为两大 类，一类采用峰值检波，测量广播电视及通信等较窄的辐射源； 另一类采用准峰 值检波，测量火花放电等频谱范围很宽的电磁脉冲源。电视场强仪，远区场强仪，峰值检波。干扰场强仪，测量接收机，准峰值检波。 频谱分析仪，峰值检波及准峰值检波二者均有。工作原理 场强仪(干扰场强仪)待测场的场强值：E (dBy V/m) = K (dB)+Vr (dB 叮)+L (dB) (2.1)式中K是天线校正系数，它是频率的函数，可由场强仪的附表中查得。场强仪 的读数Vr必须加上对应K值和电缆损耗L才能得出场强值。但近期生产的场强 仪所附天线校正系数曲线所示 K值已包括测量天线的电缆损耗 L值。当被测场是脉冲信号时，不同带宽 Vr值不同。此时需要归一化于1MHz带宽的 场强值，即：E(dBy V/m) = K