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電磁輻射（EMF）測(cè)量技術(shù)及方法綜述

電磁輻射的測(cè)量方法通常與測(cè)量點(diǎn)位和輻射源的距離有關(guān)，即，所進(jìn)行的測(cè)量是遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量還是近場(chǎng)測(cè)量。由于遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)的情況下，電磁場(chǎng)的性質(zhì)有所不同，因此，要對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)測(cè)量有明確的了解。 

1、電磁場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)劃分

電磁輻射源產(chǎn)生的交變電磁場(chǎng)可分為性質(zhì)不同的兩個(gè)部分，其中一部分電磁場(chǎng)能量在輻射源周圍空間及輻射源之間周期性地來回流動(dòng)，不向外發(fā)射，稱為感應(yīng)場(chǎng)；另一部分電磁場(chǎng)能量脫離輻射體，以電磁波的形式向外發(fā)射，稱為輻射場(chǎng)。

　　一般情況下，電磁輻射場(chǎng)根據(jù)感應(yīng)場(chǎng)和輻射場(chǎng)的不同而區(qū)分為遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)（感應(yīng)場(chǎng)）和近區(qū)場(chǎng)（輻射場(chǎng)）。由于遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)的劃分相對(duì)復(fù)雜，要具體根據(jù)不同的工作環(huán)境和測(cè)量目的進(jìn)行劃分，一般而言，以場(chǎng)源為中心，在三個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的區(qū)域，通常稱為近區(qū)場(chǎng)，也可稱為感應(yīng)場(chǎng)；在以場(chǎng)源為中心，半徑為三個(gè)波長(zhǎng)之外的空間范圍稱為遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)，也可稱為輻射場(chǎng)。 近區(qū)場(chǎng)通常具有如下特點(diǎn)：

　　近區(qū)場(chǎng)內(nèi)，電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的大小沒有確定的比例關(guān)系。即：E 377H。一般情況下，對(duì)于電壓高電流小的場(chǎng)源(如發(fā)射天線、饋線等)，電場(chǎng)要比磁場(chǎng)強(qiáng)得多，對(duì)于電壓低電流大的場(chǎng)源(如某些感應(yīng)加熱設(shè)備的模具)，磁場(chǎng)要比電場(chǎng)大得多。 

　　近區(qū)場(chǎng)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度比遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)大得多。從這個(gè)角度上說，電磁防護(hù)的重點(diǎn)應(yīng)該在近區(qū)場(chǎng)。 

　　近區(qū)場(chǎng)的電磁場(chǎng)強(qiáng)度隨距離的變化比較快，在此空間內(nèi)的不均勻度較大。

　　遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的主要特點(diǎn)如下： 

　　在遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)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(chǎng)輻射強(qiáng)度的衰減要比感應(yīng)場(chǎng)慢得多。

　　在遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)，電場(chǎng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度有如下關(guān)系：在單位制中，E=377H，電場(chǎng)與磁場(chǎng)的運(yùn)行方向互相垂直，并都垂直于電磁波的傳播方向。 

　　遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)為弱場(chǎng)，其電磁場(chǎng)強(qiáng)度均較小

近區(qū)場(chǎng)與遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)劃分的意義：

　　通常，對(duì)于一個(gè)固定的產(chǎn)生一定強(qiáng)度的電磁輻射源來說，近區(qū)場(chǎng)輻射的電磁場(chǎng)強(qiáng)度較大，所以，應(yīng)該格外注意對(duì)電磁輻射近區(qū)場(chǎng)的防護(hù)。對(duì)電磁輻射近區(qū)場(chǎng)的防護(hù)，首先是對(duì)作業(yè)人員及處在近區(qū)場(chǎng)環(huán)境內(nèi)的人員的防護(hù)，其次是對(duì)位于近區(qū)場(chǎng)內(nèi)的各種電子、電氣設(shè)備的防護(hù)。而對(duì)于遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)，由于電磁場(chǎng)強(qiáng)較小，通常對(duì)人的危害較小。 

　　對(duì)我們經(jīng)常接觸的從短波段30MHz到微波段的3000MHz的頻段范圍，其波長(zhǎng)范圍從10米到1米。

2、遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的測(cè)量

　　在遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)（輻射場(chǎng)區(qū)），可引入功率密度矢量（波印廷矢量） ，電場(chǎng)矢量 、磁場(chǎng)矢量 、波印廷矢量 三者方向互相垂直，波印廷矢量的方向?yàn)殡姶挪▊鞑シ较颉?/span>

　　在數(shù)值上，E=377H，S=EH=E2/377。其中電場(chǎng)強(qiáng)度E的單位是(V/m)，磁場(chǎng)強(qiáng)度H的單位是(A/m)，功率密度的單位是（W/m2）,全部是單位制(SI)。

　　由公式可看出，在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，電場(chǎng)與磁場(chǎng)不是獨(dú)立的，只測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度，磁場(chǎng)強(qiáng)度及功率密度中的一個(gè)項(xiàng)目，其他兩個(gè)項(xiàng)目均可由此換算出來。

　　一般情況，關(guān)于遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)的測(cè)量問題簡(jiǎn)化為：

　　國標(biāo)規(guī)定，當(dāng)電磁輻射體的工作頻率低于300MHz時(shí)，應(yīng)對(duì)工作場(chǎng)所的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度分別測(cè)量。當(dāng)電磁輻射體的工作頻率大于300MHz時(shí)，只測(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度。

　　300MHz頻率相應(yīng)的波長(zhǎng)為1米，λ/6為16cm，16cm之外輻射場(chǎng)占優(yōu)勢(shì)。如按3λ的劃分界限，距輻射源3米之外可認(rèn)為是遠(yuǎn)場(chǎng)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(yuǎn)區(qū)場(chǎng)，輻射的頻譜非常寬，電磁場(chǎng)強(qiáng)度均較小。

　　1GHz以下遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)的測(cè)量，可用遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)強(qiáng)儀，也可用干擾場(chǎng)強(qiáng)儀。

3、近區(qū)場(chǎng)的測(cè)量

　　在近場(chǎng)區(qū)（感應(yīng)場(chǎng)區(qū)），電場(chǎng)強(qiáng)度E與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的大小沒有確定的比例關(guān)系，即：E 377H，需要分別測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度E與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的大小。對(duì)于電壓高而電流小的場(chǎng)源，在感應(yīng)場(chǎng)區(qū)內(nèi)主要是電場(chǎng)，主要測(cè)量電場(chǎng)，對(duì)于電壓低而電流大的場(chǎng)源(如感應(yīng)線圈)，在感應(yīng)場(chǎng)區(qū)內(nèi)主要是磁場(chǎng)，主要測(cè)量磁場(chǎng)。例如，對(duì)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(qiáng)度的工頻電場(chǎng)，但產(chǎn)生的工頻磁場(chǎng)基本為零。 國家標(biāo)準(zhǔn)限值中30MHz以下以場(chǎng)強(qiáng)為準(zhǔn)，因?yàn)樵擃l段的波長(zhǎng)大于10米，測(cè)量點(diǎn)處的感應(yīng)場(chǎng)常常不能忽略，電場(chǎng)強(qiáng)度E與磁場(chǎng)強(qiáng)度H的比例關(guān)系不確定。

　　由前面的場(chǎng)強(qiáng)與距離的關(guān)系可知，近場(chǎng)區(qū)場(chǎng)強(qiáng)很大（根據(jù)不同的設(shè)備，電場(chǎng)強(qiáng)度可能從幾十到幾百V/m，磁場(chǎng)強(qiáng)度可達(dá)到數(shù)A/m），但場(chǎng)強(qiáng)隨距離的增大衰減得很快，即場(chǎng)強(qiáng)變化梯度很大，是一種非常復(fù)雜的非均勻場(chǎng)。因此，近區(qū)場(chǎng)強(qiáng)儀的量程應(yīng)當(dāng)足夠大，而測(cè)量探頭應(yīng)當(dāng)足夠小，測(cè)量結(jié)果才能代表測(cè)試點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)。近場(chǎng)區(qū)監(jiān)測(cè)主要屬于工作場(chǎng)所監(jiān)測(cè)。

　　由于近區(qū)場(chǎng)強(qiáng)很大，較遠(yuǎn)處的其它電磁輻射源的貢獻(xiàn)可忽略不計(jì)，因此，近區(qū)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量不采用選頻式儀器。可用綜合場(chǎng)強(qiáng)儀測(cè)量近區(qū)場(chǎng)強(qiáng)，如意大利PMM公司的8053型儀器，具有較好的測(cè)量精度和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能。目前的綜合場(chǎng)強(qiáng)儀與早期的近區(qū)場(chǎng)強(qiáng)儀的不同：前者為各向同性，測(cè)量時(shí)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(chǎng)（感應(yīng)場(chǎng)區(qū)）與遠(yuǎn)場(chǎng)（輻射場(chǎng)區(qū)）（ = c / f）

　　頻率 (f) 波長(zhǎng) ( ) 界限（3 ） 

　　50 / 60 Hz 電力 6000 / 5000 km 18000 / 15000 km 

　　50 kHz 電焊 6 km 18km 

　　27 MHz CB 廣播, 透熱療法 11.1 m 33.3 m 

　　100 MHz FM 廣播 3 m 9 m 

　　433 MHz 工業(yè)應(yīng)用 0.7 m 2.1 m 

　　900 MHz ，尋呼機(jī) 0.33 m 1 m 

　　2.45 GHz微波，工業(yè) 0.12 m 0.36 m 

　　6 GHz 數(shù)字廣播 0.05 m 0.15 m 

　　20 GHz 衛(wèi)星傳輸 0.015 m 0.045 m 

附：場(chǎng)區(qū)的具體劃分

場(chǎng)強(qiáng)與距離的關(guān)系

　　以r表示測(cè)量點(diǎn)到輻射源的距離，則在該點(diǎn)的感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)度與r2至r3成反比，輻射場(chǎng)強(qiáng)度與r成反比（因此，輻射場(chǎng)強(qiáng)度與距離r的乘積與r無關(guān)，稱為場(chǎng)強(qiáng)距離乘積）。在靠近輻射源的地方，隨著距離r的減小，感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)度急劇增加。

近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)的劃分

　　當(dāng)測(cè)量距離r＝λ/2π≈λ/6時(shí)，感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)度與輻射場(chǎng)強(qiáng)度相當(dāng)。在距離輻射源比較近（r<λ/6）的地方，感應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)度大于輻射場(chǎng)強(qiáng)度，稱為近場(chǎng)（區(qū)）或感應(yīng)場(chǎng)區(qū)，較遠(yuǎn)的地方（r>λ/6）則相反，輻射場(chǎng)占優(yōu)勢(shì)，稱為遠(yuǎn)場(chǎng)（區(qū)）或輻射場(chǎng)區(qū)。近場(chǎng)區(qū)和遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的提法被廣為使用，但在不同的應(yīng)用領(lǐng)域，其劃分界限不統(tǒng)一。也稱為近區(qū)場(chǎng)和遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)。

一般當(dāng)r大于3λ時(shí)，可忽略感應(yīng)場(chǎng)的成份，認(rèn)為處于遠(yuǎn)場(chǎng)（區(qū)）。

　　當(dāng)輻射源尺度與波長(zhǎng)可比擬時(shí)，還可將輻射場(chǎng)區(qū)分為輻射近場(chǎng)區(qū)和輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的定義是，"輻射場(chǎng)強(qiáng)度角分布基本上與距天線的距離無關(guān)的場(chǎng)區(qū)"，在輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，將天線上各點(diǎn)到測(cè)量點(diǎn)的連線當(dāng)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(yuǎn)場(chǎng)區(qū)距離應(yīng)大于2D2/λ。當(dāng)輻射源尺寸D的數(shù)量級(jí)小于波長(zhǎng)λ時(shí)（2D2/λ<λ/6，D<λ/3.5），輻射近場(chǎng)區(qū)范圍小于感應(yīng)場(chǎng)區(qū)，輻射場(chǎng)區(qū)全部是輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。＼

　　如果測(cè)量天線為微波段的面天線，而且尺寸較大，所測(cè)輻射源與測(cè)量天線的距離大于2D2/λ認(rèn)為是輻射遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)。

　　由以上公式可見，近場(chǎng)與遠(yuǎn)場(chǎng)的劃分界限與輻射源頻率（波長(zhǎng)）有關(guān)。