近场与远场的划分

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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0.1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,λ/6为400px,400px之外辐射场占优势。如按3λ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 / 5000 km 18000 / 15000 km
50 kHz 电焊 6 km 18km
27 MHz CB 广播, 透热疗法 11.1 m 33.3 m
100 MHz FM 广播 3 m 9 m
433 MHz 工业应用 0.7 m 2.1 m
900 MHz 移动电话,寻呼机 0.33 m 1 m
2.45 GHz微波,工业 0.12 m 0.36 m
6 GHz 数字广播 0.05 m 0.15 m
20 GHz 卫星传输 0.015 m 0.045 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=λ/2π≈λ/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<λ/6)的地方,感应场强度大于辐射场强度,称为近场(区)或感应场区,较远的地方(r>λ/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3λ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/λ。当辐射源尺寸D的数量级小于波长λ时(2D2/λ<λ/6,D<λ/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/λ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

⑴全范围
广义上包括X射线、γ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。

⑵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。

⑶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) 3~30KHz 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(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

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

⑷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

⑴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。

⑵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。

⑶传导发射

是指”沿电源线或信号线传输的电磁发射。”

⑷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,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。

最后更新: 12月 06, 2019

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