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1、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,2015年全国微波毫米波会议,主 要 内 容,引言 现行辐射控制国内外标准介绍 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,2015年全国微波毫米波会议,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,2015年全国微波毫米波会议,基站天线无处不在,常见微波辐射灾害源,2015年全国微波毫米波会议,电视广播天线,手机与对讲机,多天线发射,2015年全国微波毫米波会议,卫星通信天线,侦察干扰天线,2015年全国微波毫
2、米波会议,气象雷达天线,2015年全国微波毫米波会议,散射通信天线,雷达天线,2015年全国微波毫米波会议,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。,2015年全国微波毫米波会议,2015年全国微波毫米波会议,2015年全国微波毫米波会议,台湾反辐射灾害游行,2015年全国微波毫米波会议,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，已被世
3、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。,2015年全国微波毫米波会议,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。,2015年全国微波毫米波会议,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 expos
4、ure to radio frequency range from 3kHz to 300GHz,3GHz以上电磁辐射安全限值：100W/m2 (10mW/cm2),(For controlled environments),2015年全国微波毫米波会议,2015年全国微波毫米波会议, 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：公众照射安全限值10W/m2 (1m
5、W/cm2)职业照射安全限值50W/m2 (5mW/cm2),2015年全国微波毫米波会议,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),ICNIRPInternational Commission on Non-Ionizing Radiation Prot
6、ection,2015年全国微波毫米波会议,FCC standard.,2015年全国微波毫米波会议,FCC standard.,2015年全国微波毫米波会议,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),2015年全国微波毫米波会议,GB 8702-1988 电磁辐射防护规定该标准规定：3000
7、-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),2015年全国微波毫米波会议,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),2015年全国微波毫米波会议, GJB 5313-2004 电磁辐射暴露限值和测量方法 ：,2015年全国微波毫米波
8、会议, 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,2015年全国微波毫米波会议,作业区短波、超短波、微波脉冲波暴露限值,2015年全国微波毫米波会议,生活区短波、超短波、微波连续波暴露限值,2015年全国微波毫米波会议,生活区短波、超短波、微波脉冲波暴露限值,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,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/ 辐射中场区（亦称为费涅尔场区）,R2D2/ 辐射远场区（亦称为费朗荷费区）,2015年全
9、国微波毫米波会议,功率密度定义：,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：,2015年全国微波毫米波会议,B.Despres, M.Robillard and A.Azoulay “European Exposure standard to electromagnetic field applied to satellite earth stations” IEEE International symposium on electromagnetic compatibili
10、ty, 1995.,参考文献,2015年全国微波毫米波会议,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,辐射近场区： /2=0.4cmD2/2=180米 近场区平均功率密度(Pt=200W)：,=2.8mW/cm2,2015年全国微波毫米波会议,2015年全国微波毫米波会议,2015年全国微波毫米波会议,2015年全国微波毫米波会议,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
11、于远区增益。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。,2015年全国微波毫米波会议,2015年全国微波毫米波会议,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：,2015年全国微波毫米波会议,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：,如果G0表示天线远场增益，则天线近区增益G(,)为：,2015年全国微波毫米波会议,式中：F(,) 天线的近区方向图函数； 偏离天线轴向的角度； 距离因子，,R 离开天线口面的距离。,2015年全国微波毫米波会议,辐射中场区功率密度,2015年全国微波毫米波会
12、议,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：,2015年全国微波毫米波会议,则天线轴向近区功率密度为：,2015年全国微波毫米波会议,计算实例一：圆口径均匀分布,圆口径均匀分布的近区轴向功率密度,2015年全国微波毫米波会议,圆口径均匀分布的近区轴向功率密度因子,2015年全国微波毫米波会议,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R0.25D2/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，其轴向近区功率密度最大，是R=
13、2D2/时的26.3倍。,2015年全国微波毫米波会议,圆口径锥削分布是一种常见的口面场分布函数，其口面场分布函数为：,计算实例二：圆口径锥削分布,2015年全国微波毫米波会议,2015年全国微波毫米波会议,图中的近区功率密度包络可知：当R=0.192D2/时，近区功率密度因子最大，且当R0.192D2/时，近区功率密度因子随距离因子是单调减小的，当 R在0,0.192D2/区间内，近区功率密度因子是震荡变化的。且当R=0.192D2/时，其轴向近区功率密度最大，是R=2D2/时的41.5倍。,2015年全国微波毫米波会议,计算实例三：圆口径高斯分布,2015年全国微波毫米波会议,圆口径高斯分
14、布轴向近区功率密度为：,2015年全国微波毫米波会议,圆口径天线高斯分布轴向近区功率密度因子,2015年全国微波毫米波会议,由图中的近区功率密度包络可知，当R0.236D2/时，近区功率密度因子随距离因子是单调减小的，当R=0.236D2/时，近区功率密度因子不是最大，但当R0.236D2/时，近区功率密度因子随距离因子是起伏变化的。R=0.236D2/时，其轴向近区功率密度不是最大，是R=2D2/时的28.6倍。,2015年全国微波毫米波会议,对于其它的圆口径场分布，只要知道天线口面场分布函数，即可求得在不同的距离因子情况下，近区功率密度因子的大小，然后乘以常数PtG02/16D4，即可求出
15、天线轴向近区功率密度的大小。,2015年全国微波毫米波会议,辐射远场区功率密度计算,远场区轴向功率密度：,远场区偏轴功率密度：,2015年全国微波毫米波会议,K.M Keen,R.C.Heron and K.Hodson. Fresnel region power levels from earth station antennas. Electrnics LettersJ. July 2001,37(4):869871.,参考文献,2015年全国微波毫米波会议,地面站天线辐射灾害的计算实例,天线口径：854cm,天线增益：46dBi(3GHz),辐射功率：650kW,旁瓣增益如下图：,201
16、5年全国微波毫米波会议,偏离轴向角度（）,相对电平（dB）,气象雷达天线旁瓣包络电平,旁瓣包络,气象雷达天线偏轴增益计算,2015年全国微波毫米波会议,轴向功率密度,2015年全国微波毫米波会议,偏轴功率密度,偏轴角: 5 频率：3GHz 辐射功率：650kW 偏轴增益：15dBi,2015年全国微波毫米波会议,轴向安全距离,2015年全国微波毫米波会议,地面站天线辐射灾害的测量,测量原理方框图,2015年全国微波毫米波会议,图中Pt为地面站天线的发射功率，R为测试喇叭离待测地面站天线的距离，喇叭天线和频谱仪之间的测试电缆损耗为Lf ，在测试位置处天线增益为G(R , )，喇叭天线的增益为GS，则由近区功率传输方程可得测试喇叭天线的接收功率电平Pr为 ：,
