电磁辐射的基础知识及其在环评中的应用

电磁辐射的基础知识及其在环评中的应用主要内容21.电磁辐射基础知识2.常用数据3.电磁辐射环境管理的技术依据4.雷达实例1.电磁辐射的基本概念3电磁辐射(ElectroMagneticRadiation)基本定义：◦能量以电磁波的形式通过空间传播的现象。摘自《电磁辐射防护规定(GB8702-1988)》第6.1条。4什么是电磁波？◦电磁场的一种运动形态。◦由互相垂直、同相振荡的电场和磁场所构成，传播方向垂直于电场与磁场构成的平面。电磁波的发现麦克斯韦(Maxwell)◦1865年预测了电磁波，推演了著名的电磁波方程组，推论光波也是电磁波，统一了电和光。5詹姆斯·克拉克·麦克斯韦，英国物理学家、数学家，经典电动力学的创始人。海因里希·鲁道夫·赫兹，德国物理学家。赫兹(Hertz)◦于1887至88年间，利用莱顿瓶放电产生了电磁波信号，证实了电磁波的存在。电磁波是客观存在的电磁波是能量的一种形态，凡是高于绝对零度的物体，都会释出电磁波，温度越高，放出的电磁波波长就越短。举例：左图是宇宙的微波背景辐射，被称为“创世遗迹”◦等同于2.725k的黑体辐射。◦频率4080MHz，波长7.35cm。◦可推断：◦宇宙的年龄137±1亿年◦宇宙的组成成分：4%是一般物质，23%是暗物质，73%是暗能量。6电磁波谱(ElectroMagneticSpectrum)基本组成：◦无线电波(Radio)长波（1000m以上）中波（1000m~100m）短波（100m~1m）微波（1m~1mm）◦红外线(Infra-red)◦可见光(Visible)780nm~380nm肉眼可见的电磁波◦紫外线(Ultraviolet)◦x射线(x-Rays)◦射线(-Rays)7电磁波的量子能量电磁辐射的量子能量：◦普朗克常数电磁辐射频率◦单位是电子伏特(eV)光子能量：100eVx射线能量：103~105ev8非电离辐射(Non-ionizingRadiation)基本定义：◦是指量子能量不能使物质原子或分子产生电离的辐射。◦紫外线、可见光、红外线和无线电波都属于非电离辐射，即狭义上的电磁辐射。辐射效应：◦物理效应：改变分子或原子的旋转、振动或价层电子轨态。◦生物效应：热效应(升温)、非热效应(扰动体内电磁场)和累积效应(长期损害)等。9电磁辐射源（天然）宇宙射线太阳黑子雷电等等……10电磁辐射源（人工）电磁泄漏型11微波加热频率为2450MHz电磁辐射源（人工）主动辐射型（辐射功率较低）12电磁辐射源（人工）主动辐射型（辐射功率较高）13广播电视塔卫星地球站通信基站气象雷达站海事雷达航管雷达天线的作用天线是为了有效地将传输线送来的高频传导电流转变成空间的电磁波或反变换，将空间的电磁波转变成传输线中的信号功率；或者说将发射机的输出功率有效地转换成在自由空间传播的电磁波或将自由空间传播的电磁波有效地转换成接收机输入端的功率。对于简单的便携式移动通信设备，天线往往直接和收发信设备装在一起。在移动通信系统组网中，天线所占的比重虽然不大，但其作用却非常重要。14定义：◦能有效地向空间某特定方向辐射电磁波，或能有效地接收来自空间某特定方向电磁波的装置。作用：◦能量转换：高频电流空间电磁波◦定向辐射/接收：具有一定的方向性天线的基础知识—基本概念15电流元辐射示意图天线的基础知识—电流元辐射电流元（又称电基本振子、电偶极子）◦它是抽象出来的天线最基本构成单元。◦其长度l远小于工作波长，其上的电流等幅同相。不同幅度、相位、排列方式的电流元可以构成形形色色的天线。e-jkr称为波动因子，表示沿+r方向的传播。k为相位常数，k=2/。161.感应场区特点：①.仅保留了最高阶项。②.e-jkr消失，场与静态电、磁场完全类似。③.电场与磁场相位相差90，坡印廷矢量为0，无能量向外辐射。天线的基础知识—电流元辐射172.远场区特点：①.天线有方向性。在离开天线一定的距离处，场量随角度变化的函数称为天线的方向性函数，电流元的方向性函数是sin，如下图所示。②.仅有E和H两个场分量，它们相互垂直且相位同相，其坡印廷矢量不为0，表明能量可以向外辐射。。③.电场与磁场都含有e-jkr，因此辐射为球面波。天线的基础知识—场区划分天线场区划分：◦感应场区◦辐射近场区◦辐射远场区18特点：◦感应场区（微波段很小）◦辐射近场区：电磁场随角度的分布与离开天线的距离有关；天线方向图尚未完全形成。◦辐射远场区：场的大小与到天线的距离的平方成反比；方向图已完全形成，其形状与距离无关；方形或圆形口面天线近场与远场区的分界点：R=2D2/其中，D是天线孔径的最大线尺寸。电磁场的远场和近场划分电磁辐射的测量和评价与点位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。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。19近场区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。20远场区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21远场和近场的划分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。22立体方向图E面(垂直)方向图H面(水平)方向图天线的基础知识—基本参数1.方向图◦分为立体方向图E面方向图H面方向图◦表征方向性函数F(,)3dB波瓣宽度旁瓣电平前后比23天线方向性阵图定向天线：是一种在空间特定方向上具有比其他方向上能更有效地发射或接受电磁波的天线。全向天线：是指在水平面内具有无方向性的、均匀的辐射强度特性，而在垂直面内则具有定向的辐射特性的天线。天线辐射电磁波是有方向性的，它表示天线向一定方向辐射电磁波的能力。反之，作为接收天线的方向性表示了它接收不同方向来的电磁波的能力。通常用垂直平面及水平平面表示不同方向辐射（或接收）电磁波功率大小的曲线来表示天线的方向性，并称为天线辐射的方向图。同时用半功率点之间的夹角表示水平波束宽度及垂直波束2425X°峰值峰值-3dB峰值-3dB峰值峰值-3dB峰值-3dBX°3dB波瓣宽度水平方向波束图垂直方向波束图天线波束图天线的基础知识—基本参数2.方向性系数◦天线在远场区最大辐射方向上产生的功率密度，与天线辐射出去的能量被均匀分到空间各个方向（即理想无方向性天线）时的功率密度之比，一般用D表示。◦通常取对数乘以10来表示，其单位为dBi（其中字母i表示isotropy）◦也有以dBd为单位的，dBi=dBd+2.15。26天线的基础知识—基本参数3.增益◦天线方向性系数与天线效率的乘积，一般用G表示。◦通常取对数乘以10来表示，其单位为dB。（注：天线效率是天线辐射功率与输入功率之比。）4.极化◦最大辐射方向上电场矢量方向随时间变化的规律。◦按轨迹形状，可分为线极化（水平和垂直极化）、圆或椭圆极化（右旋和左旋极化）。27天线增益天线增益指天线在最大辐射方向的辐射强度与输入功率相同、理想的无方向性点源天线在同一点的辐射强度之比的对数与10的乘值，通常用dBi表示。天线方向图与增益天线有着密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。28天线的基础知识—基本形式线状天线（全向或定向）29对称半波振子立体方向图垂直方向图水平方向图鞭状天线八木（鱼骨）天线螺旋天线鱼叉天线天线的基础知识—基本类型面状天线（定向的）30板状天线抛物面天线2.常用数据31频率范围波长名称典型用途30-300kHZ10－1km低频（LF）无线导航、海事通信、长距离通信0.3-3MHz1km-100m中频（MF）通信、无线导航、海事电话、工业RF设备、AM广播、业余无线电3-30MHz100-10m高频（HF）移动通信、短波广播、工业RF设备、核磁共振成像、业余无线电、ISM30-300MHz10-1m甚髙频（VHF）TV、FM广播、应急通信、MR成像、ISM（工业、科学核医学应用）0.3-3GHz100-10cm特高频（UHF）微波点通信、移动通信、TV、导航、业余无线电、微波炉、ISM3-30GHz10-1cm超高频（SHF）雷达、卫星通信、微波接力、ISM30-300GHz10-1mm极高频（EHF）雷达、卫星通信、微波接力、导航备注：K：103；M：106；G：1091常见频率范围名称常用数据及单位换算33常见电磁辐射源的频率范围GSM移动通信基站：900/1800MHz中波广播：535-1605KHz短波广播：4-19MHz内的部分频段调频（声音）广播：88-108MHz电视：50-92，168-223，471-566，607-958MHz五个频段家用微波炉：2450MHz，工业微波炉：915，2450MHz高压电力设备：工频50Hz，电磁噪声干扰中短波（测量范围0.5-30MHz）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：40.68MHz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，27.12MHz，40.68MHz，2.45GHz等。在这些频率范围内的电磁辐射强度不受限制。转换公式量的单位量的名称µW/cm2×100W/m2功率密度mW/cm2×3763.6(V/m)2电场强度平方mW/cm2÷37.636(A/m)2磁场强度平方V/m电场强度A/m磁场强度V/mdB（μV/m）转为V/m2、单位换算（1）6.3763/2cmmW636.37/2cmmW)620(10dB2、单位换算（2）单位名称定义换算关系举例dBm功率绝对值的值10lgP（功率值/1mw）对于40W的功dBm值：10lg（40W/1mW)=46dBmdBi增益的值（功率增益）10lgG（基准为全方向性天线）增益15dB的值：G=1015/10=31.62dBd增益的值（功率增益）10lgG（基准为偶极子天线）dBd=dBi-2.1536基站的天馈系统37说明：前述RFU放大的信号功率要经历DUP（双工合路器）、多级馈线、防雷保护器等的衰减，实际到达天线的信号功率要小于PA的标称功率。基站的收发天线—天线方向图38水平方向图垂直方向图1.水平波瓣