电磁场远场区及近场区测量.doc

电磁场远场区和近场区的测量

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：E377H。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，λ/6为16cm，16cm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。

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。