1、三、電磁輻射物理原理1、電磁場的產生及性質 產生根據電磁學基本理論， 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， 電流周圍產生磁場， 隨時間變化的電 流產生變化的磁場。電磁場是一種特殊的物質形態， 可以單獨在空間中傳播。 變化的電場能產生磁場， 反之，變化的磁場也能產生電場，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= y

2、OH，為真空磁導率，卩0=4 nX10-7，當磁場強度H以（A/m） 為單位，磁感應強度B以訂（微特斯拉）為單位時，B=1.2566H 。 性質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，測量時必須調整天線方向，直到讀數為最大值為止。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，空間任一點的電場（或磁場）為不同電荷（或電流）在該點產生的電場（或磁場）的矢量和。理想導體內及所嚴密包圍的空間內的電場 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

3、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、透射由惠更斯-菲涅耳原理，包括電磁波在內的一切波有干涉、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測點，但強度能 量有很大的損失。同一波源發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生變化，因此出現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（如空氣與大地）的分界面上時，會發生 反射與透射， 一

4、部分能量進入新的介質形成透射波，另一部分能量被反射回原先的介質形成反 射波。當反射波和源輻射波相遇時也會產生干涉疊加， 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 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）的電磁波產生相消干涉或相加干涉，影響測量結果。因此，對電磁 測量的

5、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射電磁波帶來影響。 對職業暴露測量布點應盡量放在常規工作位置，在操作工人離開的情況下進行。 對于一般的電磁輻射環境監測布點，測點應選在開闊地段，要盡可能避開各 種因素的影響。頻譜時域將電磁場量（E、H或S）表示成隨時間變化的函數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，就是股市漲跌圖了。時域表示很直觀，通過常識容易理解。頻域將電磁場

6、量(E、H或S)表示成隨時間變化的函數g(t),表示成頻率的函數G(f), 稱為頻域表示。函數G(f)稱為電磁場量的頻譜。在頻域表示中，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 nfO ,n=2,3,4，n稱為諧波次數。周期

7、性的非正弦波頻譜是離散的。 一般基波頻譜 強度最大，諧波次數越高，頻譜強度越小。為了簡化設備，降低成本，工科醫設備的電磁振蕩源的頻譜質量很差， 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幅(AM)、調頻(FM)及調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的，沒有基波頻率，頻譜低端從零頻率（直流） 開始。

8、脈沖波的上升及下降沿越陡，脈沖越窄（持續時間越短），頻譜就越寬。 火花放電產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 出叫聲，說明閃電所發射電磁波的頻譜很寬。 閃電是一種火花放電，所發射電磁 波是脈沖波，由此可從經驗了解到，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

9、極化。一般而言，單根線狀發射天線的方向即為所發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 電磁輻射源產生的交變電磁場可分為性質不同的兩個部分， 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， 不向外發射，稱為

10、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射，稱為輻射場。一般情況下，電磁輻射場根據感應場和輻射場的不同而區分為遠區場（輻射場） 和近區場（感應場）。由于遠場和近場的劃分相對復雜，要具體根據不同的工作 環境和測量目的進行劃分， 一般而言，以場源為中心， 在三個波長范圍內的區域， 通常稱為近區場， 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 間范圍稱為遠區場，也可稱為輻射場。 近區場通常具有如下特點： 近區場內，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 （如發射天線、饋線等 ），電場要比磁場強得 多，

11、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。近區場的電磁場強度比遠區場大得多。 從這個角度上說， 電磁防護的重點應該在 近區場。近區場的電磁場強度隨距離的變化比較快，在此空間內的不均勻度較大。 遠區場的主要特點如下：在遠區場中， 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。 遠區場為弱場，其電磁場強度均較小近區場與遠區場劃分的意義： 通常，對于一個固定的可以產生一定強度的電磁輻射源來說， 近

12、區場輻射的電磁 場強度較大， 所以，應該格外注意對電磁輻射近區場的防護。 對電磁輻射近區場 的防護，首先是對作業人員及處在近區場環境內的人員的防護， 其次是對位于近 區場內的各種電子、電氣設備的防護。而對于遠區場，由于電磁場強較小，通常 對人的危害較小 對我們最經常接觸的從短波段 30MHz 到微波段的 3000MHz 的頻段范圍，其波 長范圍從 10 米到 1 米。2、遠區場的測量 在遠區場（輻射場區），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。在數值上，E=377H , S=EH=E2/377。其中電場

13、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，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：國標規定，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之外輻射場占優勢。如 按3入的劃分界限，距輻射源3米之外可認為是遠場區。一般電磁環境

14、是指在較大范圍內由各種電磁輻射源， 通過各種傳播途徑造成的電 磁輻射背景值，因而屬于遠區場，輻射的頻譜非常寬，電磁場強度均較小。1GHz 以下遠區輻射場的測量，可用遠區場強儀，也可用干擾場強儀。3、近區場的測量在近場區（感應場區），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， 在感應場區內主要是電場， 主要測量電場， 對于電壓低而電流大的 場源（如感應線圈 ），在感應場區內主要是磁場，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， 插座在其附近產生一定

15、強度的工頻電場，但產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， 近場區場強很大 （根據不同的設備， 電場強度 可能從幾十到幾百 V/m ，磁場強度可達到數 A/m ），但場強隨距離的增大衰減 得很快，即場強變化梯度很大，是一種非常復雜的非均勻場。因此，近區場強儀 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。近場區監測主要屬于工作場所監測 由于近區場強很大，較遠處的其它電磁輻射源的貢獻可忽略不計， 因此，近區場

16、 強測量不采用選頻式儀器。可用綜合場強儀測量近區場強，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據處理功能。目前的綜合場強儀與早期的近區場強儀的不同：前者為各向同性，測量時不必調整探頭方向。前者較后者頻率范圍更寬例：具體輻射源的近場（感應場區）與遠場（輻射場區）（=c / f）頻率（f）波長）界限l亍DSO / 6。Hh 電力GOOD J 50QQ kmleooo / looo hnSO kHz電揮6 km可NHz CB廣掛遷M法11.1 m33. 3 m100 HHe ffl m3 m tn433 MHz工業應用O. 7 E2. 1 m900 IHHs移動電話j尋呼機

17、0,無m1 in2.15 Glk徽被*工業Q.U mQm6百匚數字廣播0 05 m0. 15 m20 G血T犀傳輸0. 015 m0. 045 id附：場區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 n-/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，輻射場占優勢，稱為遠場（區）或輻射場區。 近場區和遠場區的提法被廣為使用，但在不同

18、的應用領域，其劃分界限不統一。 也稱為近區場和遠區場。一般當 r 大于 3”時，可忽略感應場的成份，認為處于遠場（區）。當輻射源尺度與波長可比擬時，還可將輻射場區分為輻射近場區和輻射遠場區。 輻射遠場區的定義是， 輻射場強度角分布基本上與距天線的距離無關的場區 在輻射遠場區， 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，則遠場區距離應大于2D2/入。當輻射源尺寸D 的數量級小于波長入時（2D2/入 ”6，D ltlc；(2.3)上式中q為脈沖信號占空比,K、L值查表可得，V為場強值讀數，于是E和Pd可以方便地計算出來。頻譜儀測量系統這種測量系統工作原理和場強儀一致，只是用頻譜儀作接收機，此外頻譜儀的dBm讀數須換算dB兇。對50 Q系統，場強值為：E(dB 兇/m ) = K (dB)+A (ABm )+107 (dB 兇)+L (dB)（2.4）頻譜儀的類型不受限制，頻譜儀天線系統必須校準用于環境電磁輻射測量的儀器種類較多， 凡是用于EMC （電磁兼容）、