電磁輻射（EMF）測量技術(shù)及方法綜述

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(guān)，即，所進(jìn)行的測量是遠(yuǎn)場測量還是近場測量。由于遠(yuǎn)場和近場的情況下，電磁場的性質(zhì)有所不同，因此，要對遠(yuǎn)場和近場測量有明確的了解。 

1、電磁場的遠(yuǎn)場和近場劃分

電磁輻射源產(chǎn)生的交變電磁場可分為性質(zhì)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(fā)射，稱為感應(yīng)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(fā)射，稱為輻射場。

　　一般情況下，電磁輻射場根據(jù)感應(yīng)場和輻射場的不同而區(qū)分為遠(yuǎn)區(qū)場（感應(yīng)場）和近區(qū)場（輻射場）。由于遠(yuǎn)場和近場的劃分相對復(fù)雜，要具體根據(jù)不同的工作環(huán)境和測量目的進(jìn)行劃分，一般而言，以場源為中心，在三個波長范圍內(nèi)的區(qū)域，通常稱為近區(qū)場，也可稱為感應(yīng)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(yuǎn)區(qū)場，也可稱為輻射場。 近區(qū)場通常具有如下特點：

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

　　近區(qū)場的電磁場強度比遠(yuǎn)區(qū)場大得多。從這個角度上說，電磁防護(hù)的重點應(yīng)該在近區(qū)場。 

　　近區(qū)場的電磁場強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)場的主要特點如下： 

　　在遠(yuǎn)區(qū)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(yīng)場慢得多。

　　在遠(yuǎn)區(qū)場，電場強度與磁場強度有如下關(guān)系：在單位制中，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(yuǎn)區(qū)場為弱場，其電磁場強度均較小

近區(qū)場與遠(yuǎn)區(qū)場劃分的意義：

　　通常，對于一個固定的產(chǎn)生一定強度的電磁輻射源來說，近區(qū)場輻射的電磁場強度較大，所以，應(yīng)該格外注意對電磁輻射近區(qū)場的防護(hù)。對電磁輻射近區(qū)場的防護(hù)，首先是對作業(yè)人員及處在近區(qū)場環(huán)境內(nèi)的人員的防護(hù)，其次是對位于近區(qū)場內(nèi)的各種電子、電氣設(shè)備的防護(hù)。而對于遠(yuǎn)區(qū)場，由于電磁場強較小，通常對人的危害較小。 

　　對我們zui經(jīng)常接觸的從短波段30MHz到微波段的3000MHz的頻段范圍，其波長范圍從10米到1米。

2、遠(yuǎn)區(qū)場的測量

　　在遠(yuǎn)區(qū)場（輻射場區(qū)），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(shù)值上，E=377H，S=EH=E2/377。其中電場強度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）,全部是單位制(SI)。

　　由公式可看出，在遠(yuǎn)場區(qū)，電場與磁場不是獨立的，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(guān)于遠(yuǎn)場和近場的測量問題簡化為：

　　國標(biāo)規(guī)定，當(dāng)電磁輻射體的工作頻率低于300MHz時，應(yīng)對工作場所的電場強度和磁場強度分別測量。當(dāng)電磁輻射體的工作頻率大于300MHz時，只測電場強度。

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

　　1GHz以下遠(yuǎn)區(qū)輻射場的測量，可用遠(yuǎn)區(qū)場強儀，也可用干擾場強儀。

3、近區(qū)場的測量

　　在近場區(qū)（感應(yīng)場區(qū)），電場強度E與磁場強度H的大小沒有確定的比例關(guān)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(yīng)場區(qū)內(nèi)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(yīng)線圈)，在感應(yīng)場區(qū)內(nèi)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(chǎn)生一定強度的工頻電場，但產(chǎn)生的工頻磁場基本為零。 國家標(biāo)準(zhǔn)限值中30MHz以下以場強為準(zhǔn)，因為該頻段的波長大于10米，測量點處的感應(yīng)場常常不能忽略，電場強度E與磁場強度H的比例關(guān)系不確定。

　　由前面的場強與距離的關(guān)系可知，近場區(qū)場強很大（根據(jù)不同的設(shè)備，電場強度可能從幾十到幾百V/m，磁場強度可達(dá)到數(shù)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(fù)雜的非均勻場。因此，近區(qū)場強儀的量程應(yīng)當(dāng)足夠大，而測量探頭應(yīng)當(dāng)足夠小，測量結(jié)果才能代表測試點的場強。近場區(qū)監(jiān)測主要屬于工作場所監(jiān)測。

　　由于近區(qū)場強很大，較遠(yuǎn)處的其它電磁輻射源的貢獻(xiàn)可忽略不計，因此，近區(qū)場強測量不采用選頻式儀器?？捎镁C合場強儀測量近區(qū)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(shù)據(jù)處理功能。目前的綜合場強儀與早期的近區(qū)場強儀的不同：前者為各向同性，測量時不必調(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（感應(yīng)場區(qū)）與遠(yuǎn)場（輻射場區(qū)）（ = c / f）

　　頻率 (f) 波長 ( ) 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 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：場區(qū)的具體劃分

場強與距離的關(guān)系

　　以r表示測量點到輻射源的距離，則在該點的感應(yīng)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(guān)，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(yīng)場強度急劇增加。

近場與遠(yuǎn)場的劃分

　　當(dāng)測量距離r＝λ/2π≈λ/6時，感應(yīng)場強度與輻射場強度相當(dāng)。在距離輻射源比較近（r<λ/6）的地方，感應(yīng)場強度大于輻射場強度，稱為近場（區(qū)）或感應(yīng)場區(qū)，較遠(yuǎn)的地方（r>λ/6）則相反，輻射場占優(yōu)勢，稱為遠(yuǎn)場（區(qū)）或輻射場區(qū)。近場區(qū)和遠(yuǎn)場區(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)場和遠(yuǎn)區(qū)場。

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

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

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

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

4、電磁輻射頻率范圍 

⑴ 全范圍

　　廣義上包括Ｘ射線、γ射線、宇宙射線等電離電磁輻射，狹義上包括0～3×1012Hz，從靜電場、靜磁場到亞毫米波，該頻率范圍的電磁輻射不能造成原子與分子的電離，不管其強度有多大。

⑵ 目前我國管理范圍

　　目前認(rèn)為影響較大、受關(guān)注、研究較多并已經(jīng)制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)限值的頻段有：工頻50Hz，射頻100kHz-300GHz。

⑶ 各波段名稱、頻率范圍及波長 波段名稱 頻段名稱 頻率范圍 波長 

　 工頻 50/60 Hz 　 

　　超長波 甚低頻(VLF) 3～30KHz 100～10Km 

　　長波 低頻(LF) 30～300KHz 10～1Km 

　　中波 中頻(MF) 0.3～3MHz 1～0.1Km 

　　短波 高頻(HF) 3～30MHz 100～10m 

　　超短波(米波) 甚高頻(VHF) 30～300MHz 10～1m 

　　分米波 微波 超高頻(UHF) 0.3～3GHz 1～0.1m 

　　厘米波 特高頻(SHF) 3～30GHz 10～1cm 

　　毫米波 *頻(EHF) 30～300GHz 10～1mm 

波段名稱 頻段名稱 頻率范圍 波長

　　工頻 50/60 Hz 

　　超長波 甚低頻(VLF) 3～30KHz 100～10Km

　　長波 低頻(LF) 30～300KHz 10～1Km

　　中波 中頻(MF) 0.3～3MHz 1～0.1Km

　　短波 高頻(HF) 3～30MHz 100～10m

　　超短波(米波) 甚高頻(VHF) 30～300MHz 10～1m

　　分米波 微波 超高頻(UHF) 0.3～3GHz 1～0.1m

　　厘米波 特高頻(SHF) 3～30GHz 10～1cm

　　毫米波 *頻(EHF) 30～300GHz 10～1mm

⑷ 常見電磁輻射源的頻率范圍 

　　電磁輻射污染源監(jiān)測要求所用儀器的測量頻率范圍與污染源的工作頻率相適應(yīng)，因此有必要了解常見電磁輻射源的頻率。

　　GSM移動通信基站：900/1800MHz

　　中波廣播：535-1605KHz

　　短波廣播：4-19 MHz內(nèi)的部分頻段

　　調(diào)頻（聲音）廣播：88-108MHz

　　電視：50-92，168-223，471-566，607-958 MHz五個頻段

　　家用微波爐：2450 MHz，工業(yè)微波爐：915，2450 MHz

　　高壓電力設(shè)備：工頻50Hz，電磁噪聲干擾中短波（測量范圍0.5-30 MHz）

　　高頻感應(yīng)加熱設(shè)備（如熔煉爐、淬火爐等）：工作頻率幾百kHz

　　高頻介質(zhì)加熱設(shè)備：工作頻率幾MHz至幾十MHz。如塑料熱合機27.12，40.68MHz。

　?。?0.68 MHz

　　電信聯(lián)盟(ITU)分配給工科醫(yī)（ISM）設(shè)備的自由輻射頻率為13.56MHz，27.12 MHz，40.68 MHz，2.45GHz等。在這些頻率范圍內(nèi)的電磁輻射強度不受限制。

5、電磁能的發(fā)射與傳播途徑

　?、?nbsp;電磁發(fā)射是指"從源向外發(fā)出電磁能的現(xiàn)象"。電磁發(fā)射分為輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射。

　　⑵ 輻射發(fā)射是"通過空間傳播的、有用的或不希望有的電磁能量"。 而輻射發(fā)射經(jīng)常稱之為電磁輻射，其定義為："a.能量以電磁波形式由源發(fā)射到空間的現(xiàn)象。b.能量以電磁波形式在空間傳播。

　　注：電磁輻射一詞的含義有時也可引申，將電磁感應(yīng)（即感應(yīng)場）也包括在內(nèi)。"我們在日常工作中使用的是其引申含義。

　　⑶ 傳導(dǎo)發(fā)射是指"沿電源線或信號線傳輸?shù)碾姶虐l(fā)射。"

　　⑷ 電磁環(huán)境的定義是"存在于給定場所的所有電磁現(xiàn)象的總和。"電磁環(huán)境包括輻射發(fā)射與傳導(dǎo)發(fā)射。但從環(huán)境工程來看，電磁環(huán)境的主要影響因素是電磁輻射。實際上電磁輻射騷擾源常常也伴隨著傳導(dǎo)發(fā)射。

　　實際傳播途徑是輻射與傳導(dǎo)的組合（注意前面是發(fā)射途徑），比如電磁波到達(dá)建筑物時，既（穿過墻壁或）通過門窗進(jìn)入室內(nèi)，也通過電線、鋼筋傳導(dǎo)進(jìn)入室內(nèi)，如在永安761臺監(jiān)測中，發(fā)現(xiàn)室內(nèi)電線附近的電場強度明顯高于室內(nèi)的平均電場強度。測某基站時發(fā)現(xiàn)橫梁下電場強度高于該點旁邊1米位置的電場強度。六、電磁輻射污染源監(jiān)測方法

環(huán)境條件

　　應(yīng)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和儀器標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的使用條件。測量記錄表應(yīng)注明環(huán)境溫度、相對濕度。

測量儀器　

　　可使用各向同性響應(yīng)或有方向性電場探頭或磁場探頭的寬帶輻射測量儀。采用有方向性探頭時，應(yīng)在測量點調(diào)整探頭方向以測出測量點zui大輻射電平。

　　測量儀器工作頻帶應(yīng)滿足待測場要求，儀器應(yīng)經(jīng)計量標(biāo)準(zhǔn)定期鑒定。

測量時間

　　在輻射體正常工作時間內(nèi)進(jìn)行測量，每個測點連續(xù)測5次，每次測量時間不應(yīng)小于15秒，并讀取穩(wěn)定狀態(tài)的zui大值。若測量讀數(shù)起伏較大時，應(yīng)適當(dāng)延長測量時間。

測量位置

　　測量位置取作業(yè)人員操作位置，距地面0.5、1、1.7m三個部位。

　　輻射體各輔助設(shè)施（計算機房、供電室等）作業(yè)人員經(jīng)常操作的位置，測量部位距地面0.5、1、1.7m。

　　輻射體附近的固定哨位、值班位置等。

數(shù)據(jù)處理　

　　求出每個測量部位平均場強值（若有幾次讀數(shù)）。是RMS平均值。

評價

　　根據(jù)各操作位置的E值（H、Pd）按國家標(biāo)準(zhǔn)《電磁輻射防護(hù)規(guī)定》（GB 8702-88）或其它部委制定的"安全限值"作出分析評價。

6、一般環(huán)境電磁輻射測量方法

測量條件

1 氣候條件

　　氣候條件應(yīng)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和儀器標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的使用條件。測量記錄表應(yīng)注明環(huán)境溫度、相對濕度。

2 測量高度

　　取離地面1.7m～2m高度。也可根據(jù)不同目的，選擇測量高度。

3 測量頻率

　　取電場強度測量值＞50dBμV/m的頻率作為測量頻率。

4 測量時間

　　基本測量時間為5：00～9：00，11：00～14：00，18：00～23：00城市環(huán)境電磁輻射的高峰期。

　　若24小時晝夜測量，晝夜測量點不應(yīng)少于10點。

　　測量間隔時間為1h，每次測量觀察時間不應(yīng)小于15s，若指針擺動過大，應(yīng)適當(dāng)延長觀察時間。

布點方法

1 典型輻射體環(huán)境測量布點

　　對典型輻射體，比如某個電視發(fā)射塔周圍環(huán)境實施監(jiān)測時，則以輻射體為中心，按間隔45°的八個方位為測量線，每條測量線上選取距場源分別30、50、100m等不同距離定點測量，測量范圍根據(jù)實際情況確定。

2 一般環(huán)境測量布點

　　對整個城市電磁輻射測量時，根據(jù)城市測繪地圖，將全區(qū)劃分為1×1km2或2×2km2小方格，取方格中心為測量位置。

3 按上述方法在地圖上布點后，應(yīng)對實際測點進(jìn)行考察?？紤]地形地物影響，實際測點應(yīng)避開高層建筑物、樹木、高壓線以及金屬結(jié)構(gòu)等，盡量選擇空曠地方測試。允許對規(guī)定測點調(diào)整，測點調(diào)整zui大為方格邊長的1/4，對特殊地區(qū)方格允許不進(jìn)行測量。需要對高層建筑測量時，應(yīng)在各層陽臺或室內(nèi)選點測量。

測量儀器

1 非選頻式輻射測量儀

　　具有各向同性響應(yīng)或有方向性探頭的寬帶輻射測量儀屬于非選頻式輻射測量儀。用有方向性探頭時，應(yīng)調(diào)整探頭方向以測出zui大輻射電平。

2 選頻式輻射測量儀

　　各種專門用于EMI測量的場強儀，干擾測試接收機，以及用頻譜儀、接收機、天線自行組成測量系統(tǒng)經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)場校準(zhǔn)后可用于此目的。測量誤差應(yīng)小于±3dB,頻率誤差應(yīng)小于被測頻率的10-3數(shù)量級。該測量系統(tǒng)經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換與微機聯(lián)接后，通過編制測量軟件可組成自動測試系統(tǒng)，達(dá)到數(shù)據(jù)自動采集和統(tǒng)計。 

　　自動測試系統(tǒng)中，測量儀可設(shè)置于平均值（適用于較平穩(wěn)的輻射測量）或準(zhǔn)峰值（適用于脈沖輻射測量）檢波方式。每次測試時間為8~10min，數(shù)據(jù)采集取樣率為2次/s，進(jìn)行連續(xù)取樣。

數(shù)據(jù)處理

　　1 如果測量儀器讀出的場強瞬時值的單位為分貝（dBμV/m），則按下列公式換算成以V/m為單位的場去強： 

如果測量儀器的是非選頻式的，不用此公式。

　　2 對于自動測量系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)，可編制數(shù)據(jù)處理軟件，分別統(tǒng)計每次測量中測值的zui大值Emax、zui小值Emin、中值、95%和80%時間概率的不超過場強值E（95%）、E（80%），上述統(tǒng)計值均以（dBμV/m）表示。還應(yīng)給出標(biāo)準(zhǔn)差值σ(以dB表示)。

如系多次重復(fù)測量，則將每次測量值統(tǒng)計后，再按4.4.1進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

繪制污染圖

　　1 繪制：頻率-場強、時間-場強、時間-頻率、測量位-總場強值等各組對應(yīng)曲線。

　　2 典型輻射體環(huán)境污染圖

　　以典型輻射體為圓心，標(biāo)注等場強值線圖（參見附錄B1），或以典型輻射體為圓心，標(biāo)注根據(jù)（4.5）式或(4.6)式得出的計算值的等值線圖。

3 居民區(qū)環(huán)境污染圖

　　在有比例的測繪地圖上標(biāo)注等場強值線圖，或標(biāo)注根據(jù)（4.5）式或(4.6)式得出的計算值的等值線圖。根據(jù)需要亦可在各地區(qū)地圖上做好方格，用顏色或各種形狀圖線表示不同的場強值。