地球站天线辐射灾害的计算与测量

2015年全国微波毫米波会议
R/2 电抗近场区
/2RD2/2 辐射近场区（亦称为瑞利场区 ）
D2/2R2D2/ R2D2/ 辐射中场区（亦称为费涅尔场区） 辐射远场区（亦称为费朗荷费区）
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功率密度定义：
PG R, , t PD 2 4 R
公众照射安全限值10W/m2 (1mW/cm2)
职业照射安全限值50W/m2 (5mW/cm2)
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ICNIRP standard. Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic, and electromagnetic fields (up to 300GHz). 2GHz以上电磁辐射安全限值： 公众照射安全限值10W/m2 (1mW/cm2) 职业照射安全限值50W/m2 (5mW/cm2) ICNIRP—International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection
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由图中的近区功率密度包络可知，当R=0.25D2/
时，近区功率密度因子最大，且当R>0.25D2/时，
近区功率密度因子随距离因子 是单调减小的，
当 R在[0,0.25D2/]区间内，近区功率密度因子是
震荡变化的。且当R=0.25D2/时，其轴向近区功
感器官特别有害）；高频电磁场会使人出现一
系列的头晕、失眠、神经系统紊乱等非热病理
效应。
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台湾反辐射灾害游行
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这些电磁污染不仅干扰电子设备正常运行，
而且对人类的健康构成威胁。电磁辐射对
环境所构成的这种无形的电磁污染，已被
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辐射中场区功率密度计算
当D2/2R2D2/ 时，为辐射中场区，亦称为费
涅尔场区，在此区域内，天线的场分布和增益不
仅是角度的函数，而且是距离R的函数，由于天
线口面相差的影响，天线近区增益小于远区增益
f x 1
圆口径均匀分布的近区轴向功率密度
PG0 128 PD0 1 cos 4 2 8 16D
2
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圆口径均匀分布的近区轴向功率密度因子
40
30
PDfac0
20
10
0 0.01
0.1
R/(2D /)
2
1
1
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去掉上式中的二次相位误差项，可获得天线远场 近似计算公式为：
F
1
0
D sin f x J 0 x xdx
如果G0表示天线远场增益，则天线近区增益G(,)为：
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G , G0
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GB 8702-1988 《电磁辐射防护规定》
该标准规定：
3000-15000MHz连续波的职业照射限值：
f /1500W/m2 (f =6430MHz 4.29W/m2) 3000-15000MHz连续波的公众照射限值： f / 7500 W/m2 (f =6430MHz 0.857W/m2)
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地球站天线辐射灾害的计算与测量
秦顺友
二零一五年五月
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引言 现行辐射控制国内外标准介绍
主 要 内 容
天线场区的划分与功率密度的定义
地面站天线辐射灾害的计算
地面站天线辐射灾害的计算实例
地面站天线辐射灾害测量
结束语
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。为了确定天线的辐射中场区功率密度，计算天
线近区增益是很必要的。
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Z P R

Y

X
圆口径天线坐标系统
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假设天线的口面场分布函数为 f(x)，且天线是圆口
径对称天线，由天线理论可知，天线的归一化方
向图可用下式近似计算：
j 2 D sin F , f x exp x J 0 xdx 0 8
compatibility, 1995.
关于/2RD2/2 辐射近场区 （亦称为瑞利场区 ）的计算实例
天线口径：3米 频率：12GHz 人高度：1.5-2米
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辐射近场区： /2=0.4cm
D2/2=180米
近场区平均功率密度(Pt=200W)：
2 0.1 Pt W 2 PDmW/cm =2.8mW/cm 2 D m / 4
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现行辐射控制国内外标准介绍
ANSI-IEEE C95.1-1999 IEEE Standard for safety levels with respect to human exposure to radio frequency range from 3kHz to 300GHz
引言
随着现代科学技术的 发展，特别是无线电技 术的发展，空间电磁环 境日益恶化，电磁辐射 干扰无处不在
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常见微波辐射灾害源
基站天线无处不在
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多 天 线 发 射 手 机 与 对 讲 机
电 视 广 播 天 线
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侦察干扰天线
58.5/ f
频率(MHz)
短波 超短波 330 30300
(W/m2) 9/f 0.3
10.6
3003000
微波 300010000 10000300000
10.6
0.194 f
0.3
f/10000 1
19.4
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生活区短波、超短波、微波脉冲波暴露限值
频率(MHz) 短波 超短波 330 30300 3003000
式中：
F(,) 天线的近区方向图函数；
F , F 0
2
2
偏离天线轴向的角度；
距离因子，
R 2D 2
R 离开天线口面的距离。
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辐射中场区功率密度
Pt G0 F , PD 2 2 4R F 0
2
Pt G0 PD PD fac 4 16D
卫 星 通 信 天 线
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气 象 雷 达 天 线
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雷 达 天 线 散 射 通 信 天 线
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较强电磁场作用于人体会产生三种效应： 低频场会在生物体内产生感应电流而引起
病理效应；高频电磁场会引起较高的比吸收率
造成体内温度上升带来一系列的病理效应（敏
连续暴露 平均功率密 度(W/m2) 18/f 0.6 0.6 f/5000 2
间断暴露 一日剂量 (W.h/m2) 144/f 4.8 4.8 f/625 16
15 15
0.274 f
27.4
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作业区短波、超短波、微波脉冲波暴露限值
连续暴露 频率(MHz) 330 连续暴露 间断暴露 平均电场强 平均功率密 一日剂量 度(V/m) 短波
1
PD fac 0

0
j 2 f x exp x xdx 8
2

2
f x xdx
1 0
2
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则天线轴向近区功率密度为：
Pt G0 PD0 PD fac 0 4 16D
2
2015年全国微波毫米波会议 计算实例一：圆口径均匀分布
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FCC standard.
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FCC standard.
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Australian radiation protection standard: Maximum exposure levels to radio frequency fields 3kHz to 300Ghz 2300GHz以上电磁辐射安全限值： 公众照射安全限值10W/m2 (1mW/cm2) 职业照射安全限值50W/m2 (5mW/cm2)
参考文献
B.Despres, M.Robillard and A.Azoulay “European Exposure standard to electromagnetic field
applied to satellite earth stations”
IEEE International symposium on electromagnetic
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GB 8702-1988 《电磁辐射防护规定》
该标准规定： 15000-30000MHz连续波的职业照射限值： 10W/m2 (1mW/cm2)
15000-30000MHz连续波的公众照射限值： 2 W/m2 ( 0.2mW/cm2)
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GJB 5313-2004 《电磁辐射暴露限值和测量方法》
3GHz以上电磁辐射安全限值：
100W/m2 (10mW/cm2)
(For controlled environments)
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ENV 50166-2 European pre-standard. Human exposure to electromagnetic fields-High frequency(10kHz to 300GHz). January 1995. 2GHz以上电磁辐射安全限值：
58.5/ f
度(W/m2) 9/f
(W.h/m2) 72/f
超短波
30300
3003000
10.6
10.6
0.194 f
0.3
0.3
2.4
2.4
微波
300010000
10000300000
f/10000
1
f/1250
8
19.4
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生活区短波、超短波、微波连续波暴露限值 平均电场强度 平均功率密度 (V/m)
2015年全国微波毫米波会议 地面站天线辐射灾害的计算
辐射近场区功率密度计算
在辐射近场区，电磁波基本集中在天线口面为柱 体的管状波束内。在此区域平均功率密度为：
2 0.1 Pt W PDmW/cm 2 D m / 4
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2
2
PD fac

1
0
j 2 D sin f x exp x xdx 8 x J 0
2 f x xdx
1 0
2
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近区轴向功率密度是指 =0 方向上的天线近区功 率密度，近区轴向功率密度因子PDfac0为：
平均电场强度 平均功率密度
(V/m)
41/ f
(W/m2) 4.5/f 0.15 0.15
7.5 7.5
微波
300010000
10000300000
0.137 f
13.7
f/20000
0.5
2015年全国微波毫米波会议 天线场区的划分与功率密度的定义
天线场区划分
D
/2
பைடு நூலகம்D2/2
2D2/
：
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GJB 5313-2004 《电磁辐射暴露限值和测量方法》
：
作业区短波、超短波、微波连续波暴露限值
连续暴露 频率(MHz) 330 30300 3003000 微波 300010000 10000300000 平均电场强 度(V/m) 短波 超短波
82.5/ f
世人称之为第五公害。面对日趋严重的电 磁污染，电磁兼容技术、电磁环境保护和 电磁的生物效应等，已成为当今世界的热 门研究课题。
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目前许多国家和组织在电磁辐射控制技
术方面进行了大量的研究工作，并制定了一 系列的限值标准，如FCC、ANSI/IEEE等。因 此计算和测量地面站发射天线辐射功率密度， 确定辐射功率密度是否满足国家标准规定的 电磁辐射安全限值是很重要的。