電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)教材2014.6.6

PAGEPAGEPAGEPAGE2江蘇省電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)培訓(xùn)教材（內(nèi)部培訓(xùn)資料，請(qǐng)勿外傳）二〇一四年六月PAGE79目錄TOC\o"1-3"\h\u第1章電磁環(huán)境基礎(chǔ)知識(shí) 11.1概述 11.1.1電磁環(huán)境保護(hù) 11.1.2基本術(shù)語 11.2靜態(tài)電磁場(chǎng) 31.2.1靜電場(chǎng) 31.2.2恒定電流場(chǎng) 51.2.3靜磁場(chǎng) 51.3時(shí)變電磁場(chǎng) 51.3.1法拉第電磁感應(yīng)定律 51.3.2位移電流與全電流定律 61.3.3磁通連續(xù)性定律 61.3.4麥克斯韋方程組 61.3.5時(shí)變電磁場(chǎng) 71.4電磁波的產(chǎn)生及傳播特性 71.4.1電磁波的產(chǎn)生 71.4.2電磁波的傳播 81.4.3電磁波的分類 91.4.4均勻平面電磁波的傳播參數(shù) 91.4.5電磁波的頻譜 111.4.6電磁波傳播的基本特性 121.5天線基礎(chǔ)知識(shí) 161.5.1天線基本原理 161.5.2天線類型與天線極化 171.5.3天線的基本性能指標(biāo) 171.6天線的輻射場(chǎng) 191.6.1對(duì)稱天線 191.6.2半波偶極天線 211.6.3天線陣 211.6.4環(huán)天線 221.6.5對(duì)數(shù)周期天線 241.6.6喇叭天線 271.6.7旋轉(zhuǎn)拋物面天線 28第2章電磁輻射設(shè)施分類 302.1廣播電視系統(tǒng)發(fā)射設(shè)備 302.1.1中波廣播 302.1.2短波廣播 322.2通信、雷達(dá)及導(dǎo)航發(fā)射設(shè)備 342.2.1衛(wèi)星通信地球站 342.2.2微波通信站 352.3移動(dòng)通信基站發(fā)射設(shè)備 372.3.1移動(dòng)通信的種類 372.3.2移動(dòng)通信基站工作流程及特點(diǎn) 372.3.3典型3G基站系統(tǒng) 392.3.4移動(dòng)通信基站天線 412.3.5移動(dòng)通信基站周圍輻射水平分析 432.4工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療射頻設(shè)備 432.5交通系統(tǒng)電磁輻射設(shè)備 442.6電力設(shè)備 452.6.1電的傳輸 452.6.2輸配電系統(tǒng)組成 452.6.3高壓輸變電系統(tǒng)電磁輻射來源 462.6.4輸電線路產(chǎn)生的工頻電磁場(chǎng)強(qiáng)度的特點(diǎn) 462.6.5直流輸電系統(tǒng)基本概念 47第3章電磁環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器 483.1電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)測(cè)量原理 483.1.1電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量的原理 484.1.2工頻磁場(chǎng)測(cè)量原理 503.1.3全向?qū)掝l帶電場(chǎng)強(qiáng)度測(cè)量?jī)x 513.1.4直流合成場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量原理 523.2工頻（低頻）電場(chǎng)、磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器 533.2.1儀器適用范圍 533.2.2儀器的構(gòu)成及特點(diǎn) 533.2.3常用儀器 543.3射頻電磁場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器 553.3.1儀器適用范圍 553.3.2儀器的構(gòu)成及特點(diǎn) 553.3.3常用儀器 563.4直流輸變電項(xiàng)目監(jiān)測(cè)儀器 563.4.1直流合成場(chǎng)監(jiān)測(cè)儀器構(gòu)成及特點(diǎn) 563.4.2離子流密度監(jiān)測(cè)儀器構(gòu)成 573.4.3常用儀器 573.5輔助監(jiān)測(cè)儀器 573.5.1測(cè)距儀的選用 573.5.2溫濕度計(jì)的選用 583.5.3定位設(shè)備的選用 58第4章電磁環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)操作 594.1電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)概述 594.1.1環(huán)境監(jiān)測(cè)的目的 594.1.2電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)的分類 594.1.3電磁環(huán)境質(zhì)量測(cè)量方法 594．1．4電磁輻射設(shè)施電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)方法 604.2工頻電場(chǎng)、磁場(chǎng)監(jiān)測(cè) 614.2.1現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)原則 624.2.2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理 634.2.3監(jiān)測(cè)結(jié)果與評(píng)價(jià) 644.2.4環(huán)境條件 644.2.5案例 654.3射頻電磁環(huán)境綜合場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)測(cè) 704.3.1現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)原則 714.3.2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理 744.3.3監(jiān)測(cè)結(jié)果與評(píng)價(jià) 764.3.4環(huán)境條件 774.3.5案例 774.4射頻電磁輻射選頻場(chǎng)強(qiáng)監(jiān)測(cè) 794.4.1現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)原則 794.4.2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理 805.4.3監(jiān)測(cè)結(jié)果與評(píng)價(jià) 804.4.4環(huán)境條件 804.5無線電干擾現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè) 804.5.1現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)原則 804.5.2數(shù)據(jù)處理 814.5.3監(jiān)測(cè)結(jié)果與評(píng)價(jià) 824.5.4環(huán)境條件 834.5.5案例 834.6合成場(chǎng)和離子流密度現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè) 874.6.1現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)原則 874.6.2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理 884.6.3監(jiān)測(cè)結(jié)果與評(píng)價(jià) 894.7區(qū)域電磁環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè) 894.7.1現(xiàn)場(chǎng)布點(diǎn)原則 894.7.2監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理 904.7.3監(jiān)測(cè)結(jié)果與評(píng)價(jià) 904.7.4環(huán)境條件 904.8質(zhì)量控制 904.8.1監(jiān)測(cè)人員 904.8.2監(jiān)測(cè)方案 904.8.3測(cè)量?jī)x器 904.8.4工況核查 915.8.5監(jiān)測(cè)報(bào)告 91第1章電磁環(huán)境基礎(chǔ)知識(shí)1.1概述1.1.1電磁環(huán)境保護(hù)1.1.1.1電磁環(huán)境成為重要環(huán)境要素經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展的同時(shí)，人民生活水平也逐步提高，城鎮(zhèn)居民對(duì)工作及生活環(huán)境日益關(guān)注。以前，人們僅僅關(guān)注的是水、氣、聲、渣等環(huán)境要素的污染問題，現(xiàn)在，電磁環(huán)境作為環(huán)境的一大要素，受到越來越多的關(guān)注。環(huán)境電磁場(chǎng)是不依人的意志為轉(zhuǎn)移的客觀事物。在我們賴以生存的環(huán)境中，環(huán)境電磁輻射無處不在。電磁輻射具有無色、無味，肉眼難以辨別的特性，因此，電磁輻射項(xiàng)目建設(shè)過程中的環(huán)境監(jiān)督管理與信息公開、環(huán)境監(jiān)測(cè)就顯得非常重要，非常迫切。它既是電磁輻射環(huán)境管理工作的基礎(chǔ)，也是項(xiàng)目能順利推進(jìn)的關(guān)鍵。1.1.1.2電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)工作是加強(qiáng)輻射安全監(jiān)管，嚴(yán)格執(zhí)行環(huán)保法規(guī)的“眼睛”和“尺子”，是安全監(jiān)管工作的重要基礎(chǔ)和支撐力量。電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)作為輻射環(huán)境保護(hù)工作的重要組成部分，在監(jiān)管工作中起著技術(shù)支持、技術(shù)監(jiān)督和技術(shù)服務(wù)作用。電磁環(huán)境污染具有特殊性，其污染的程度和范圍是人的器官無法感知的，不像常規(guī)污染，通過眼看、鼻聞、耳聽，能夠有一個(gè)初步的判斷，而電磁場(chǎng)的大小、種類必須使用監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行測(cè)量。所以說，電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)工作是基礎(chǔ)，是手段，是支撐力量。輻射監(jiān)管的立法、執(zhí)法、規(guī)劃、環(huán)評(píng)、竣工驗(yàn)收管理等都要依靠監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來說話，電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)水平的高低直接關(guān)系到電磁環(huán)境監(jiān)管的科學(xué)化程度，關(guān)系到環(huán)保部門依法行政的水平，關(guān)系到人民群眾的切身利益，關(guān)系到環(huán)保部門在政府中的地位和社會(huì)上的形象。輻射安全監(jiān)管事業(yè)的發(fā)展需要我們做好電磁環(huán)境監(jiān)測(cè)工作。1.1.2基本術(shù)語1.1.2．1環(huán)境人類的環(huán)境分為自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境。自然環(huán)境分大氣環(huán)境、水環(huán)境、生物環(huán)境、地質(zhì)和土壤環(huán)境及其他自然環(huán)境；社會(huì)環(huán)境包括有居住環(huán)境、生產(chǎn)環(huán)境（也有稱工作環(huán)境）、交通環(huán)境、文化環(huán)境和其他社會(huì)環(huán)境。所謂環(huán)境，簡(jiǎn)單通俗地講，就是我們每個(gè)人在日常生活中所面對(duì)的一切。生活環(huán)境是指與人類生活密切相關(guān)的各種自然條件和社會(huì)條件的總和。它由自然環(huán)境和社會(huì)環(huán)境所組成。1.1.2.2電磁環(huán)境電磁環(huán)境的定義：存在于給定場(chǎng)所的所有電磁現(xiàn)象的總和。給定場(chǎng)所即空間，所有電磁現(xiàn)象包括了全部時(shí)間與全部頻譜，所以電磁環(huán)境的三個(gè)要素是空間、時(shí)間與頻譜。1.1.2.3電磁發(fā)射電磁發(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。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”。傳導(dǎo)發(fā)射是指“沿傳達(dá)線或信號(hào)線傳播的電磁發(fā)射”。1.1.2.4電磁輻射電磁發(fā)射經(jīng)常稱之為電磁輻射，其定義為：能量以電磁波形式由源發(fā)射到空間的現(xiàn)象；能量以電磁波形式在空間傳播。GB/T4365-2003《電磁兼容術(shù)語》標(biāo)準(zhǔn)中特別注釋，“電磁輻射”一詞的含義有時(shí)也可引申，將電磁感應(yīng)現(xiàn)象也包括在內(nèi)。在國(guó)家環(huán)境保護(hù)局令第18號(hào)《電磁輻射環(huán)境保護(hù)管理辦法》中所稱電磁輻射，是指以電磁波形式通過空間傳播的能量流，且限于非電離輻射，包括信息傳遞中的電磁波發(fā)射，工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療應(yīng)用中的電磁輻射，高壓送變電設(shè)施中產(chǎn)生的電磁輻射。1.1.2.5電磁騷擾任何可能引起裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能降低或?qū)τ猩驘o生命物質(zhì)產(chǎn)生損害作用的電磁現(xiàn)象。注：電磁騷擾可能是電磁噪聲、無用信號(hào)或傳播媒介自身的變化。1.1.2.6電磁干擾由電磁騷擾引起的設(shè)備、傳輸通道或系統(tǒng)性能的下降。1.1.2.7電磁噪聲明顯不傳送信息的時(shí)變電磁現(xiàn)象，它可能與有用信號(hào)疊加或組合。1.1.2．8環(huán)境電磁場(chǎng)分類環(huán)境電磁包括自然界電磁場(chǎng)、生產(chǎn)及生活環(huán)境中的人為產(chǎn)生的電磁場(chǎng)二類。自然界的靜電放電、地磁、大氣層中的閃電放電、電離層的變化、太陽磁暴與太陽黑子、銀河系的電磁變動(dòng)等現(xiàn)象屬于環(huán)境自然界存在的電磁場(chǎng)。生活環(huán)境中的電磁場(chǎng)包括辦公環(huán)境中的信息技術(shù)設(shè)備，家用電器設(shè)備產(chǎn)生電磁場(chǎng)，屬低頻電磁場(chǎng)，近似為靜態(tài)場(chǎng)。環(huán)境保護(hù)所關(guān)注的生產(chǎn)活動(dòng)產(chǎn)生的電磁場(chǎng)包括以下6個(gè)方面：廣播電視塔；通信、雷達(dá)；移動(dòng)通信基站；工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療射頻設(shè)備；交通系統(tǒng)電磁輻射干擾；輸變電設(shè)施等。1.1.2.9工頻指工業(yè)上用的交流電源的頻率。中國(guó)電力工業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)頻率定為50Hz，有些國(guó)家或地區(qū)(如美國(guó)等)則定為60Hz。1.1.2.10射頻可以輻射到空間的電磁頻率稱之為射頻。根據(jù)涉及的專業(yè)不同，射頻的頻率范圍不盡相同。通信專業(yè)常指300kHz～30GHz。1.1.2.11 電場(chǎng)由電場(chǎng)強(qiáng)度與電通密度表征的電磁場(chǎng)的組成部分。1.1.2.12 磁場(chǎng)由磁場(chǎng)強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度表征的電磁場(chǎng)的組成部分。1.1.2.13 電磁場(chǎng)由電場(chǎng)強(qiáng)度、電通密度、磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁感應(yīng)強(qiáng)度等四個(gè)相互有關(guān)矢量確定的，與電流密度和體電荷密度一起表征介質(zhì)或真空中的電和磁狀態(tài)的場(chǎng)。1.1.2.14 電場(chǎng)強(qiáng)度矢量場(chǎng)量E，其作用在靜止的帶電粒子上的力等于E與粒子電荷的乘積，其單位為伏特每米（V/m）。1.1.2.15 磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量場(chǎng)量H，在給定點(diǎn)，等于磁感應(yīng)強(qiáng)度除以磁導(dǎo)率，并減去磁化強(qiáng)度，其單位為安培每米（A/m）。1.1.2.16 磁感應(yīng)強(qiáng)度矢量場(chǎng)量B，其作用在具有一定速度的帶電粒子上的力等于速度與B矢量積，再與粒子電荷的乘積，其單位為特斯拉（T）。在空氣中，磁感應(yīng)強(qiáng)度等于磁場(chǎng)強(qiáng)度乘以磁導(dǎo)率μ0，即B=μ0H。1.1.2.17 功率密度標(biāo)量場(chǎng)量S，為穿過與電磁波的能量傳播方向垂直的面元的功率除以該面元的面積的值，單位為瓦特每平方米（W/m2）。1.1.2.18職業(yè)暴露個(gè)人在從事的工作過程中所受到的所有電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)（EMF）照射。1.1.2．19公眾暴露普通公眾日常生活中所受的所有電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)照射，不包括所從事工作中和醫(yī)療過程中所受到的照射。1.1.2.20吸收在電磁波傳播的過程中，無線電波由于能量消耗而引起的衰減，即無線電波的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。1.1.2.21比吸收能每個(gè)生物組織質(zhì)量單位吸收的能量，用焦耳/千克（J/kg）表示，比吸收能是比吸收能率的時(shí)間積分。1.1.2.22比吸收率身體組織吸收能量的速度，用瓦/千克（W/kg）來表示，SAR是一個(gè)廣泛應(yīng)用于高于100kHz的頻率中的測(cè)定指標(biāo)。1.1.2.23電磁污染是指天然的和人為的各種電磁波的干擾及有害的電磁輻射。1.1.2.24基本限值基本限值是指直接根據(jù)已確定的健康效應(yīng)而制定的暴露在時(shí)變電場(chǎng)、磁場(chǎng)和電磁場(chǎng)的限值。根據(jù)場(chǎng)的頻率的不同，用來表示此類限值的物理量有電流密度（J），比吸收率（SAR）和功率密度（S）。只有被暴露者體外空氣中的功率密度可以被迅速輕易地測(cè)量。1.1.25導(dǎo)出限值導(dǎo)出限值用來評(píng)估實(shí)際暴露條件下基本限值是否可能被超過。某些導(dǎo)出限值是根據(jù)相關(guān)的基本限值用測(cè)量和計(jì)算導(dǎo)出的，而某些導(dǎo)出限值是基于暴露在電磁場(chǎng)下的感覺和不利的間接影響提出來的。導(dǎo)出的物理量是電場(chǎng)強(qiáng)度（E）、磁場(chǎng)強(qiáng)度（H）、磁通量密度（B）、功率密度（S）和流過肢體的電流（IC）。反映感覺和其他的間接效應(yīng)物理量是接觸電流（IC）和用于脈沖場(chǎng)的比吸收能（SA）。1.2靜態(tài)電磁場(chǎng)靜態(tài)電磁場(chǎng)是不隨時(shí)間變化，是時(shí)變電磁場(chǎng)的簡(jiǎn)單特例，分為靜電場(chǎng)和靜磁場(chǎng)。1.2.1靜電場(chǎng)1.2.1.1庫侖定律根據(jù)靜電場(chǎng)的觀點(diǎn)，我們所觀察到的兩個(gè)電荷之間的相互作用力實(shí)質(zhì)上是電場(chǎng)的作用力，我們用電場(chǎng)力來稱呼電荷在電場(chǎng)中所受的力。靜電場(chǎng)理論以庫侖定律及其推論（高斯定律、靜電場(chǎng)環(huán)路定律）為基礎(chǔ)。庫侖定律表述為：真空中電荷q1和q2之間的相互作用力為（1.1）式中ε0為真空介電常數(shù)；r為兩個(gè)電荷之間的距離。1.2.1.2靜電場(chǎng)如果電荷是靜止的，則空間就只有電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)，稱為靜電場(chǎng)。靜電場(chǎng)是由電荷產(chǎn)生或激發(fā)的一種物質(zhì)，靜電場(chǎng)對(duì)處于其中的其他電荷有作用力。靜電場(chǎng)具有物質(zhì)性。根據(jù)靜電場(chǎng)的觀點(diǎn)，我們所觀察到的兩個(gè)電荷之間的相互作用力實(shí)質(zhì)上是電場(chǎng)的作用力，庫倫力不再是一個(gè)恰當(dāng)反映實(shí)際的概念，因此，我們用電場(chǎng)力來稱呼電荷在電場(chǎng)中所受的力。1.2.1.3電場(chǎng)強(qiáng)度如果電荷是靜止的，則空間就只有電荷產(chǎn)生的電場(chǎng)，電場(chǎng)作為一種物質(zhì)充滿帶電體周圍的空間，電量不隨時(shí)間變化的、相對(duì)于觀察者靜止的電荷在周圍空間產(chǎn)生的電場(chǎng)稱為靜電場(chǎng)。電場(chǎng)的大小、方向用電場(chǎng)強(qiáng)度矢量來表示。電場(chǎng)中r點(diǎn)處的單位正電荷受到的電場(chǎng)力定義為該處的電場(chǎng)強(qiáng)度E表述為（1.2）電場(chǎng)強(qiáng)度是單位電荷受到的電場(chǎng)力，電場(chǎng)強(qiáng)度形成矢量場(chǎng)分布，各點(diǎn)相同時(shí)，稱為均勻電場(chǎng)。1.2.1.4高斯定律在真空中,通過任一閉合曲面的電場(chǎng)強(qiáng)度通量,等于該曲面所包圍的所有電荷的代數(shù)和q內(nèi)除以真空中的介電常數(shù)（）。當(dāng)電場(chǎng)中有介質(zhì)時(shí)，高斯定律表示為（1.3）ε0εr分別為真空中的介電常數(shù)、介質(zhì)中的介電常數(shù)。D為電場(chǎng)強(qiáng)度通量。1.2.1.5安培環(huán)路定律在靜電場(chǎng)中，電場(chǎng)強(qiáng)度在任意環(huán)路上的環(huán)量均等于零，即真空中靜磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度在任意閉曲線L上的環(huán)量等于與L相鏈的凈電流強(qiáng)度與μ0的乘積。安培環(huán)路定律適用于時(shí)變電場(chǎng)產(chǎn)生（感應(yīng)）磁場(chǎng)。可以理解為電流產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)繞任意封閉路徑的積分正比于此路徑所圍的電流強(qiáng)度（磁力線的數(shù)量正比于電流強(qiáng)度）。1.2.1.6電荷守恒定理電荷既不能被創(chuàng)造也不能被消滅，這一重要結(jié)論的數(shù)學(xué)表達(dá)式為（1.4）對(duì)于這一結(jié)論更通俗的說法是，任何從一閉合面流出的電流都意味著該閉合面內(nèi)的電荷的減少。在式（1.34）中運(yùn)用散度定理可得到其微分形式，如式1.35所示。（1.5）展開此式，得（1.6）1.2.2恒定電流場(chǎng)1.2.2.1電流強(qiáng)度運(yùn)動(dòng)的電荷形成電流，電流的大小可用電流強(qiáng)度來表述。定義為單位時(shí)間內(nèi)通過某橫截面的電量為該橫截面的電流強(qiáng)度I，單位為安培。當(dāng)電荷速度不隨時(shí)間變化時(shí)，電流也不隨時(shí)間變化，此時(shí)稱為恒定（穩(wěn)恒）電流（直流電）。1.2.2.2電流密度在導(dǎo)體中任意一點(diǎn)，電流密度J的方向?yàn)樵擖c(diǎn)電流的流向，J的大小等于通過該點(diǎn)垂直于電流方向的單位面積的電流強(qiáng)度?？臻g各點(diǎn)電荷的流動(dòng)除快慢不同外，方向可能不同，通常用電流密度J來描述電流的分布情況。根據(jù)定義，導(dǎo)體中每一點(diǎn)都有一個(gè)確定的電流密度矢量J,因此，整個(gè)導(dǎo)體存在一個(gè)J場(chǎng)，稱為電流場(chǎng)。1.2.3靜磁場(chǎng)1.2.3.1磁現(xiàn)象和磁場(chǎng)電流或運(yùn)動(dòng)電荷在空間產(chǎn)生磁場(chǎng)，不隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)稱恒定磁場(chǎng)。它是恒定電流周圍空間中存在的一種特殊形態(tài)的物質(zhì)。磁場(chǎng)的基本特征是對(duì)置于其中的電流有力的作用。無論是電流與電流之間還是電流與磁鐵之間的相互作用都可歸結(jié)為運(yùn)動(dòng)電荷之間的相互作用，即運(yùn)動(dòng)電荷產(chǎn)生磁現(xiàn)象。1.2.3.2磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度磁感應(yīng)強(qiáng)度表示磁場(chǎng)源在特定環(huán)境下的效果。其定義是：與磁力線方向垂直的單位面積上所通過的磁力線數(shù)目，也稱為磁通量密度，用B表示，單位為特斯拉（T）。實(shí)驗(yàn)表明，一個(gè)試驗(yàn)電荷q以速度v垂直于磁感應(yīng)強(qiáng)度B通過考察點(diǎn)P時(shí)，所受的磁力Fm最大，記為Fmax，此時(shí)，q、B、Fmax三個(gè)矢量相互垂直。磁場(chǎng)用磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)強(qiáng)度來表示，在真空中二者的關(guān)系為：=Bμ0H（1.7）1.2.3.3長(zhǎng)直導(dǎo)線的磁場(chǎng)長(zhǎng)直導(dǎo)線產(chǎn)生的磁場(chǎng)（沿導(dǎo)線圓周方向）：B=μ0I/(2πr)（1.8）式中μ0為真空磁導(dǎo)率；r為參考點(diǎn)與導(dǎo)線之間的距離。靜磁場(chǎng)的性質(zhì)：靜磁場(chǎng)由恒定電流產(chǎn)生；磁力線無頭無尾且不相交，并且圍繞電流形成閉合回路。1.3時(shí)變電磁場(chǎng)1.3.1法拉第電磁感應(yīng)定律當(dāng)穿過導(dǎo)體回路所界定的面積中的磁通發(fā)生變化時(shí)，在回路中就產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)和感應(yīng)電流。導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)電流與導(dǎo)體的導(dǎo)電成正比。根據(jù)歐姆定律，法拉第認(rèn)為，導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電流的直接原因是閉合回路中存在感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，而感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與導(dǎo)體的性質(zhì)無關(guān)，只要磁場(chǎng)發(fā)生變化，即使回路沒有閉合和感應(yīng)電流，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)依然存在。電磁感應(yīng)定律推廣到非導(dǎo)體回路甚至是任意回路，包括介質(zhì)或真空中：只要穿過它所界定面積中的磁通發(fā)生變化，沿著該回線將產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)，盡管這時(shí)不一定會(huì)有感應(yīng)電流，但這意味著電場(chǎng)的存在。電磁感應(yīng)定律應(yīng)用的推廣：變動(dòng)的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)。1.3.2位移電流與全電流定律1、位移電流：隨時(shí)間變化的電場(chǎng)構(gòu)成位移電流，此電流與傳導(dǎo)電流一樣會(huì)激發(fā)磁場(chǎng)。2、全電流定律：根據(jù)位移電流的假設(shè)，麥克斯韋將安培環(huán)路定律推廣到時(shí)變場(chǎng)，引入位移電流之后的修正的安培環(huán)路電流稱為全電流定律。從理論上論證了變化的電場(chǎng)也能產(chǎn)生磁場(chǎng)，并預(yù)見了電磁波的存在。1.3.3磁通連續(xù)性定律媒質(zhì)情況下的靜磁場(chǎng)B是自由電流和束博電流產(chǎn)生的疊加靜磁場(chǎng)。滿足磁通連續(xù)性原理。應(yīng)該指出的是，法拉第電磁感應(yīng)定律、磁通連續(xù)性定律、高斯定律和全電流定律，共同構(gòu)成了麥克斯韋方程組。1.3.4麥克斯韋方程組麥克斯韋假設(shè)在電容器兩極板間由于電場(chǎng)隨時(shí)間的變化而存在有位移電流，位移電流具有與傳導(dǎo)電流同樣的磁效應(yīng)。這就是對(duì)電流概念的擴(kuò)充，電場(chǎng)的變化產(chǎn)生磁場(chǎng)。根據(jù)電荷守恒原理，麥克斯韋將電流概念加以擴(kuò)充并應(yīng)用到電磁感應(yīng)定律和安培環(huán)路定律中，將靜電場(chǎng)和恒定磁場(chǎng)的基本方程加以擴(kuò)展，得出的全電流定律,解釋了變動(dòng)的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變動(dòng)的磁場(chǎng)產(chǎn)生電場(chǎng)，這就是麥克斯韋方程組。（1.9）麥克斯韋方程組表現(xiàn)為靜電場(chǎng)和穩(wěn)恒磁場(chǎng)遵循的規(guī)律，即時(shí)變電磁場(chǎng)的基本方程。麥克斯韋方程組的三個(gè)輔助方程：電位移矢量（D）磁感應(yīng)強(qiáng)度（B）（1.10）電流密度（J）式中ε、μ、σ分別是媒質(zhì)的介電常數(shù)、磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率。1.3.5時(shí)變電磁場(chǎng)由感生電場(chǎng)假設(shè)和定移電流假設(shè)可以知道，變化的磁場(chǎng)要產(chǎn)生感生電場(chǎng)，變化的電場(chǎng)也要產(chǎn)生磁場(chǎng)。即在一般情況下，電場(chǎng)和磁場(chǎng)都是變化的，它們將相互激發(fā)，因而它們是不可分割的、統(tǒng)一的整體，被稱為電磁場(chǎng)。變化的電磁場(chǎng)在空間的傳播形成了電磁波。單獨(dú)的靜電場(chǎng)所和單獨(dú)的穩(wěn)恒磁場(chǎng)都只是電磁場(chǎng)的特殊情況，在一般情況下，電場(chǎng)和磁場(chǎng)只是電磁場(chǎng)的分量。麥克斯韋電磁場(chǎng)統(tǒng)一的思想和理論后來被赫茲發(fā)現(xiàn)的電磁波完全證實(shí)。1.4電磁波的產(chǎn)生及傳播特性1.4.1電磁波的產(chǎn)生麥克斯韋建立了關(guān)于電磁場(chǎng)的方程組，首次從理論上預(yù)言了電磁波的存在。變化的電磁場(chǎng)在空間以一定的速度傳播形成電磁波。電磁波的運(yùn)動(dòng)規(guī)律可用麥克斯韋方程組描述。交替變化與交替產(chǎn)生的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，由近而遠(yuǎn)的的傳播，即形成電磁波。它是物質(zhì)存在的一種特殊形式，在空間定向移動(dòng)。交變的電場(chǎng)產(chǎn)生交變的磁場(chǎng)，交變的磁場(chǎng)產(chǎn)生交變的電場(chǎng)，二者互為前提，互為結(jié)果，相互依存。在空間上二者相互垂直，同相位變化。圖1.1電磁波傳播用一個(gè)極為相似的例子來說，將池中一小體積的水人為地使其擾動(dòng)（垂直振動(dòng)），這一小體積的水被擾動(dòng)后，一上一下地振動(dòng)起來，但是這一小體積的水不可能單獨(dú)振動(dòng)而與其四周的水無關(guān)。它做周期性增大和減小的壓力被傳遞給周圍的水，周圍的水獲得能量之后也開始振動(dòng)，如此產(chǎn)生的波動(dòng)又不斷的將能量傳送給外圍的水。一個(gè)波便在池中產(chǎn)生，并向外傳播。水波存在的基本理由是一定體積的水被擾動(dòng)后，并非與周圍的水無關(guān)，而是將能量傳送到外圍的水里。這與電磁波存在的基本理由是很相像的。一個(gè)變化的電場(chǎng)產(chǎn)生一個(gè)變化的磁場(chǎng)，此磁場(chǎng)不但存在于變化電場(chǎng)的原范圍里，并且還存在于鄰近的范圍之內(nèi)。在原范圍里變化的場(chǎng)也在它附近的范圍里產(chǎn)生新的場(chǎng)。新的場(chǎng)在更大范圍的空間產(chǎn)生場(chǎng)，于是能量便被傳播到遠(yuǎn)處，即有一含電磁能量的波向外傳播。這種波源釋放能量，而能量被電磁波傳送的過程就稱為電磁波的傳播過程。1.4.2電磁波的傳播電磁波在理想、均勻、各向同性的媒質(zhì)內(nèi)傳播時(shí)（自由空間），不出現(xiàn)反射、折射、繞射、散射和吸收等現(xiàn)象，為直線傳播，僅需考慮由于電磁波的擴(kuò)散引起的傳播損耗。但電磁波在實(shí)際的非理想的媒質(zhì)內(nèi)傳播時(shí)，會(huì)出現(xiàn)反射、折射、繞射、散射和吸收等現(xiàn)象。遇障礙時(shí)發(fā)生反射：入射角等于反射角，表示反射大小的反射系數(shù)一般小于1，與障礙性質(zhì)有關(guān)（金屬反射最大，反射系數(shù)為1，通常可用來進(jìn)行電磁波屏敝）。遇障礙時(shí)發(fā)生透射（折射）：透射角、透射系數(shù)（一般小于1）與障礙物性質(zhì)有關(guān)（金屬透射最小，透射系數(shù)為0）。遇障礙時(shí)發(fā)生繞射：影響繞射大小的繞射系數(shù)小于1，與障礙物性質(zhì)有關(guān)，繞射似乎形成“非直線傳播”。反射、透射和繞射都會(huì)使電磁波的強(qiáng)度減弱，反射、透射和繞射可以引起極化狀態(tài)變化。根據(jù)電磁波的頻率特性，還可以分為地波傳播、天波傳播、空間波（直射波）傳播以及散射傳播等幾種情況。1.4.2.1地波傳播地波傳播（中波）是指電磁波沿地球表面的繞射傳播。其具有以下特點(diǎn)：地的導(dǎo)電性能愈好，吸收愈小，電磁波的傳播損耗愈??；電波的頻率愈低，吸收愈小，電波損耗愈??；垂直極化波衰減小，水平極化波衰減大；有繞射能力；地波傳播較穩(wěn)定。1.4.2.2天波傳播天波傳播（短波）是指向天空的電磁波，被電離層反射后達(dá)到接收點(diǎn)的傳播方式。其具有以下特點(diǎn)：隨時(shí)間和空間變化而變化；傳播距離遠(yuǎn)；有電離層的吸收。電離層是指地面高度60～1000km的大氣電離區(qū)域。電離層中的大氣處于部分電離狀態(tài)，有大量的自由電子，能引起電波的折射、反射、衰減等效應(yīng)，造成電波的振幅、相位、極化狀態(tài)及傳播模式的變化。1.4.2.3空間波（直射波）傳播空間波(直射波)是指電磁波通過空間直射波和地面反射波的途徑到達(dá)接收點(diǎn)，也稱視距傳播。它是超短波和微波傳播的主要方式（頻率范圍30MHz～300GHz）。其具有以下特點(diǎn)：要求天線高度大于工作波長(zhǎng)；通信距離通常在視線距離以內(nèi)；接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)起伏變化，并隨距離呈波動(dòng)變化；傳播方式與天波傳播相比比較穩(wěn)定；穿透電離層（微波工作頻段能穿透電離層，形成空中衛(wèi)星與地面地球站的電磁波聯(lián)系）。1.4.2.4散射傳播散射傳播是利用對(duì)流層大氣的不均勻氣團(tuán)、電離層的不均勻性以及流星墜落大氣層所形成的電離余跡對(duì)電磁波的散射作用。它主要用于建立散射通信電路，實(shí)現(xiàn)超短波的遠(yuǎn)距離通信。它具有以下特點(diǎn)：散射傳播的傳播損耗很大，一般在180dB以上，需要用強(qiáng)定向天線；散射傳播還和收發(fā)射場(chǎng)地的地形、地面物體有關(guān)；散射傳播有嚴(yán)重的衰落，它受大氣條件的影響，有日、時(shí)、季節(jié)的變化。1.4.3電磁波的分類電磁波分為平面波、球面波和柱面波。1.4.3.1無界均勻理想介質(zhì)中的平面電磁波等相位面為平面的電磁波稱為平面電磁波。等相位面上各點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)相等的平面電磁波稱為均勻平面電磁波。遠(yuǎn)離場(chǎng)源傳播的電磁波在小范圍內(nèi)可以看成平面波，如果電場(chǎng)和磁場(chǎng)又都是簡(jiǎn)諧變化，則稱為平面簡(jiǎn)諧電磁波。平面波是一種理想化的近似,任意形式電磁波的局部都可以近似地看成是平面波.具有如下性質(zhì)：在均勻的無界媒質(zhì)中，電磁波是一種橫波，即電場(chǎng)和磁場(chǎng)位于傳播方向的橫截面內(nèi)，且電場(chǎng)和磁場(chǎng)又相互垂直。電磁波的傳播伴隨著能量的傳播，用坡印亭向量S表示單位時(shí)間穿出與能流方向相垂直的單位面積上的能量或電磁能流，數(shù)值就是功率密度。即：S=E×H。（1.11）該式既表明了能流與電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的數(shù)量關(guān)系，也表明了三者相互垂直的方向關(guān)系。在同一點(diǎn)，電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比。1.4.3.2球面波球面波是指波陣面為同心球面的波。在理想條件下，從宏觀上看，波源在球心，電磁波以波動(dòng)形式由球心向四面八方擴(kuò)散，直線傳播。其電磁場(chǎng)能量相等的面和相位相等的面都是一個(gè)個(gè)逐漸擴(kuò)大的同心球面。接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)的大小僅與離球心的距離有關(guān)。任何形狀的場(chǎng)源，只要它的天線尺寸比波長(zhǎng)小的多得都可以看作點(diǎn)波源，輻射球面波。當(dāng)考察點(diǎn)遠(yuǎn)離振動(dòng)源，等相面的曲率半徑逐漸增大，最后接近于平面。所以，平面波是球面波的一種特殊形式。1.4.3.3柱面波柱面波是由無限長(zhǎng)同步線狀振動(dòng)源（同步線源）產(chǎn)生的波動(dòng)，所謂同步線源是指這樣一種振動(dòng)源：在整條波陣面為柱面，在整條直線上所有點(diǎn)都是一個(gè)點(diǎn)源，各個(gè)點(diǎn)源的振幅完全相同。1.4.4均勻平面電磁波的傳播參數(shù)1、能流密度矢量電磁波傳播過程中伴隨著電磁能量的傳播。電磁場(chǎng)的能量密度定義為坡印亭矢量S：（1.12）S的方向表示電磁波的傳播方向，S的大小表示電磁波所傳遞的能流密度。所以S又可以叫做能流密度矢量。（1.13）對(duì)于電磁波來說B和E都隨時(shí)間快速變化，所以S的大小也隨時(shí)間快速變化。2、周期與頻率在空間任意固定點(diǎn)處，Ex的分量隨時(shí)間作簡(jiǎn)諧變化，曲線如圖所示，其相位隨時(shí)間的變化率為角頻率ω，相位相差2π的兩個(gè)時(shí)隔就是E時(shí)變周期T,即（1.14）單位時(shí)間內(nèi)的時(shí)變周期數(shù)為E的時(shí)變頻率f，即（1.15）為了紀(jì)念德國(guó)物理學(xué)家赫茲的貢獻(xiàn)，人們把頻率的單位命名為赫茲，簡(jiǎn)稱“赫”。頻率f是周期T的倒數(shù)。3、波長(zhǎng)在空間任意固定點(diǎn)處，Ex的分量隨空間坐標(biāo)也作簡(jiǎn)諧變化，曲線如圖所示，其相位隨空間的變化率為k,k是單位距離內(nèi)相位的變化量，稱為傳播常數(shù)。相位相差=2π的兩個(gè)相鄰空間點(diǎn)的間距就是電磁波的波長(zhǎng)（振動(dòng)相位相同的兩個(gè)連續(xù)點(diǎn)之間的距離）。（1.16）（1.17）從數(shù)值上來理解，k等于2π距離內(nèi)波長(zhǎng)的個(gè)數(shù)，所以，k又稱為波數(shù)。圖1.2（a）在空間任意固定點(diǎn)處，Ex的分量隨時(shí)間變化曲線圖1.2(b)在空間任意固定點(diǎn)處，Ex的分量隨空間分布曲線4、電磁波的頻率與波長(zhǎng)電磁波波長(zhǎng)與頻率關(guān)系為波速=波長(zhǎng)(λ)×頻率(f)。（1.18）式中：c——電磁波的傳播速度(m/s)；λ——波長(zhǎng)（m）；f——頻率(Hz)。5、近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)在近場(chǎng)或似穩(wěn)場(chǎng)，即r≤λ/2π時(shí)，在近場(chǎng)區(qū)，電場(chǎng)和磁場(chǎng)是分開的，輻射天線的近場(chǎng)是感應(yīng)場(chǎng)。在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，r＞λ/2π，能流密度隨距離的增加而衰減較慢，這部分的電磁場(chǎng)，即真正的“輻射場(chǎng)”。此時(shí)真空波阻抗（1.19），分別為真空中的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)。由此可見，近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)的性質(zhì)是不同的，因此在不同的場(chǎng)區(qū)測(cè)量或預(yù)測(cè)，其原理和方法不同。在近區(qū)場(chǎng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)之間存在著相位差別，而且強(qiáng)度的變化比較復(fù)雜，沒有恒定的比例關(guān)系，因此，對(duì)于此區(qū)域的電場(chǎng)和磁場(chǎng)必須分別測(cè)試和評(píng)價(jià)。在日常監(jiān)測(cè)中，我們選取的測(cè)點(diǎn)位置多處于電磁輻射源的遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)，因此根據(jù)電磁波遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)特性，通常測(cè)試的是電場(chǎng)E或功率密度。圖1.3電磁場(chǎng)與波阻在工程中，一般以離開輻射源2D2/λ(D指輻射源的最大口徑)的距離作為近區(qū)場(chǎng)和遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的分界。近區(qū)場(chǎng)又可分為感應(yīng)近區(qū)場(chǎng)與輻射近區(qū)場(chǎng)，以離開輻射源λ/2π為分界距離，距離小于λ/2π的區(qū)域?yàn)楦袘?yīng)場(chǎng)，大于λ/2π、小于2D2/λ的區(qū)域?yàn)檩椛浣鼌^(qū)場(chǎng)。1.4.5電磁波的頻譜電磁波是由不同波長(zhǎng)的波組成的合成波。它的波長(zhǎng)范圍從10E-10m的宇宙線到波長(zhǎng)達(dá)幾公里的無線電波。γ射線、X射線、紫外線、可見光、紅外線，超短波和長(zhǎng)波無線電波都屬于電磁波的范圍。肉眼看得見的是電磁波中很短的一段，從0.4～0.76μm這部分稱為可見光?？梢姽饨?jīng)三棱鏡分光后，成為一條由紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫七種顏色組成的光帶，這光帶稱為光譜。其中紅光波長(zhǎng)最長(zhǎng)，紫光波長(zhǎng)最短，其它各色光的波長(zhǎng)則依次介于其間。波長(zhǎng)長(zhǎng)于紅光的(>0.76μm)有紅外線，有無線電波；波長(zhǎng)短于紫色光的(<0.4μm)有紫外線，γ太陽輻射波長(zhǎng)主要為0.15～4μm，其中最大輻射波長(zhǎng)平均為0.5μm；地面和大氣輻射波長(zhǎng)主要為3～120μm，其中最大輻射波長(zhǎng)平均為10μm。電磁場(chǎng)跨越的頻率范圍十分廣闊，從工頻(50Hz/60Hz)至微波段，跨越了109的頻率范圍。不同頻率的電磁場(chǎng)在工業(yè)與通信方面的作用差別很大，因而對(duì)人體健康的影響后果差別也很大。對(duì)當(dāng)前研究工作來說，不可能劃分得十分精細(xì)，而是一般粗略地劃分為工頻(50Hz/60Hz)、射頻或稱高頻(103～106Hz)與微波(>106Hz)三個(gè)頻段。電磁場(chǎng)頻段見表1.1表1.1電磁場(chǎng)頻段序號(hào)波段名稱頻段名稱頻率范圍（Hz）波長(zhǎng)范圍（m）主要用途1極長(zhǎng)波極低頻（ELF）3～30107～1082超長(zhǎng)波超低頻（SLF）30～300106～1073特長(zhǎng)波特低頻（ULF）300～3000105～1064甚長(zhǎng)波甚低頻（VLF）3～30K104～1055長(zhǎng)波低頻（LF）30～300K103～104超遠(yuǎn)程無線電通信6中波中頻（MF）300～3000K102～103廣播、電視、通信7短波高頻（HF）3～30M10～102廣播、電視、通信8超短波（米波）甚高頻（VHF）30～300M1～10調(diào)頻、廣播電視9微波分米波特高頻（VHF）0.3～3G1～10dm移動(dòng)通信10厘米波超高頻（SHF）3～30G1～10cm電視、雷達(dá)、導(dǎo)航11毫米波極高頻（EHF）30～300G1～10mm雷達(dá)、導(dǎo)航12亞毫米波至高頻（THF）300～3000G0.1～1mm1.4.6電磁波傳播的基本特性1.4.6.1自由空間中的平面電波傳播在理想的、均勻的、各向同性的介質(zhì)中傳播，只存在電磁波能量擴(kuò)散而引起的傳播損耗，設(shè)天線置于自由空間，在其最大輻射方向上、距離為d的接收點(diǎn)處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)振幅為：（1.20）式中，E0為距離為d的接收點(diǎn)處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)振幅為（V/m）；為發(fā)射天線輸入功率（W）；為發(fā)射天線增益；d為距離（m）。為便于實(shí)用寫成（1.21）式中，E0為距離為d的接收點(diǎn)處產(chǎn)生的場(chǎng)強(qiáng)振幅為（V/m）；接收天線的接收功率Pr表示為：（1.22）（1.23）式中，Pt為發(fā)射功率，以球面波輻射，λ為自由空間內(nèi)電磁波波長(zhǎng)，Gt、Gr分別表示發(fā)射天線和接收天線增益，d為發(fā)射天線和接收天線間的距離。當(dāng)Gt=Gr=1時(shí),距離的傳輸損耗L為：(1.24)分貝式：(1.25)接收換算為：(1.26)(1.27)1.4.6.2傳輸損耗電磁波在傳播過程中主要的傳輸損耗有四項(xiàng)：自由空間基本傳輸損耗、電離層吸收損耗、地面反射損耗以及附加系統(tǒng)損耗。電磁波四種主要傳播方式［地波、天波、空間波（直射波）、散射波］因頻率和傳播途徑不同，所涉及的傳輸損耗亦不同。1、自由空間基本傳輸損耗是電磁波由發(fā)射天線輻射后，其波束因幾何擴(kuò)散而引起的能量密度下降所表征的能量損耗。由發(fā)射點(diǎn)發(fā)出的放射狀射線所組成的一束射線波，被電離層反射，若輻射的能量在這一波束中保持不變，則在接收端的能量密度將因幾何擴(kuò)散而下降。2、電離層吸收損耗可分為兩種：一種是遠(yuǎn)離反射區(qū)的吸收，如D層區(qū)域的吸收，由于電磁波在通過該區(qū)域時(shí)，基本不發(fā)生彎曲，故稱為非偏離吸收；另一種是在電磁波反射區(qū)附近的吸收，稱為偏移吸收。非偏移吸收主要決定于太陽黑子數(shù)和太陽天頂角，通常以吸收指數(shù)I來表示。吸收指數(shù)I在冬季往往要比其他季節(jié)高。3、地面反射損耗是指電磁波從電離層反射到達(dá)地面后傳輸?shù)哪芰繐p耗，計(jì)算方法分為垂直極化波和水平極化波兩部分，并假設(shè)這兩部分能量相等，然后計(jì)算電磁波經(jīng)地面反射后引起的損耗?，F(xiàn)已繪制成地面反射損耗圖，可以直接查用。實(shí)際上，電波是在有能量損耗的媒質(zhì)中傳播的。這種能量損耗可能由于大氣對(duì)電波的吸收或散射引起，也可能由于電波繞過球形地面或障礙物的繞射而引起。這些損耗都會(huì)使接收?qǐng)鰪?qiáng)小于自由空間傳播時(shí)的場(chǎng)強(qiáng)。在傳播距離、工作頻率、發(fā)射天線和發(fā)射功率相同的情況下，接收點(diǎn)的實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)振幅E和自由空間場(chǎng)強(qiáng)振幅EO之比，定義為該電路衰減因子A，即：（1.28）式中，是衰減因子的模。是它的相位。在計(jì)算傳輸損耗時(shí)只需考慮A的情況。若用分貝表示，則A為：（1.29）一般情況下，E＜EO故A（dB）為負(fù)數(shù)。衰減因子是一個(gè)很重要的量，討論衰減因子與工作頻率、傳播距離、地球電參數(shù)、地形起伏、大氣分布、傳播方式，以及和時(shí)間的關(guān)系等是電波傳播的重要內(nèi)容之一。引用了衰減少因子A后，則實(shí)際傳播電路接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)可表示為（1.30）相應(yīng)的坡印亭矢量模值和接收功率分別表示為，（1.31）對(duì)于某一傳輸電路，發(fā)射天線輸入功率和接收天線輸出功率（匹配情況下）之比，定義為該電路的傳輸損耗L，即（1.32）若用分貝表示，則為（1.33）（1.34）1.4.6.3衰落在傳播途徑上遇到各種障礙物（包括地面），電磁波都可能發(fā)生反射、散射和吸收，因此，接收點(diǎn)的場(chǎng)強(qiáng)為干涉場(chǎng)，由此而引起接收信號(hào)強(qiáng)度突然的、無規(guī)則的變化，稱為衰落。衰落時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度有幾十倍到幾百倍的變化。兩個(gè)相鄰最大值或最小值之間的時(shí)間稱為衰落周期，可有幾十秒可至十分之幾秒的差異。短波傳輸中出現(xiàn)衰落現(xiàn)象的主要原因就是幾條電磁波束在接收點(diǎn)相互干涉。這幾條波束所經(jīng)由的路徑不同，到達(dá)接收點(diǎn)的相位也不同，而它們的相位由于電離層電子密度的隨機(jī)變化而改變，致使接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)大小不定，形成衰落，一般稱為干涉衰落。除此之外，還有極化衰落、吸收衰落和跳越衰落。極化衰落是由于經(jīng)過電離層反射的電磁波，由直線極化波變?yōu)闄E圓極化波，而且橢圓軸的方向和長(zhǎng)度是經(jīng)常變化的，從而影響接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)的穩(wěn)定，它們使接收點(diǎn)的電平比正常的中值電平降低3dB左右。吸收衰落是因電離層衰減特性的緩慢變化所引起的。如果電離層中沒有其他干擾存在，則吸收衰落的深度能使接收點(diǎn)中值電平下降10dB。由于電離層的電離程度與太陽照射的情況密切相關(guān)，盡管白天運(yùn)用的頻率低于最大可用頻率，但在日落時(shí)也可能發(fā)生短時(shí)間的穿透反射層現(xiàn)象，影響正常通信。有時(shí)電離程度又恢復(fù)達(dá)到反射的條件，使通信趨于正常，這種現(xiàn)象為跳越衰落。通常采用各種抗衰落的方法，如提高接收機(jī)的靈敏度，選擇最佳的工作頻率以及分集接收法等。1.4.6.4多徑效應(yīng)電磁波在傳播過程中會(huì)遇到障礙物，如山脈、復(fù)雜地形、樓房等，以致到達(dá)接收天線的信號(hào)是來自不同傳播路徑的矢量合成。由各分量的互相干涉引起的信號(hào)傳播幅度衰落和信號(hào)傳播時(shí)延色散，嚴(yán)重地影響著移動(dòng)通信的傳輸質(zhì)量，這就是多徑效應(yīng)。1.4.6.5傳輸失真電磁波的傳播速度通常有相速、群速之分，其大小和相互關(guān)系依賴于媒質(zhì)特性與導(dǎo)波系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。在理想媒質(zhì)中，介電常和數(shù)磁導(dǎo)率都是常數(shù)，相速是一個(gè)與頻率無關(guān)的常數(shù)，故理想媒質(zhì)是非色散媒質(zhì)。但是，除了真空以外，幾乎所有媒質(zhì)都具有色散性質(zhì)。由于媒質(zhì)參數(shù)與頻率有關(guān)，相速也就與頻率有關(guān)了。從信號(hào)的頻率分析可知，一個(gè)在有限時(shí)間內(nèi)存在的信號(hào)可以看成是若干不同頻率的單色波的疊加，由于媒質(zhì)的色散特性，這些不同頻率的單色波在媒質(zhì)中的相速是不一樣的，導(dǎo)致波形在信號(hào)傳播中產(chǎn)生畸變，這就是傳播失真。1.4.6.6電波路徑彎曲電離層的電子密度隨高度變化，而且這種變化不是線性分布，而是在某個(gè)高度上存在最大值。在這最大值附近，電子密度隨高度的分布接近于拋物線。電離層由電子密度不同的層組成，一般來說白天分為E和F層，夜間只有F層存在，各層的折射率n隨高度而變化。在電磁波傳播過程中，頻率越高，要求反射處的電子密度越大，當(dāng)波頻率等于由電子濃度表征的電離層的臨界頻率時(shí)就發(fā)生反射，大于頻率時(shí)則產(chǎn)生透射，由此形成了電波路徑的彎曲和反射。電磁波傳播方式：直射、反射、繞射和散射以及它們的合成。圖1.4多徑傳播模型①建筑物散射波②繞射波③直達(dá)波④地面反射波1.4.6.7電磁波的極化在有若干組同頻率正弦電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度的情況下，可以把每一組電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度矢量分別分解為y軸和z軸方向的分量，然后分別予以疊加，求得合成的電場(chǎng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)強(qiáng)度。電磁波的極化是指合成的電場(chǎng)強(qiáng)度的方向隨時(shí)間的變化的方式。在空間固定點(diǎn)，單一頻率的電場(chǎng)矢量的極化是指電場(chǎng)矢量端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的形狀、取向和旋轉(zhuǎn)方向。也就是說，極化是時(shí)變電場(chǎng)矢量端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。電場(chǎng)矢量端點(diǎn)軌跡的旋轉(zhuǎn)方向規(guī)定為沿著波傳播方向觀察的旋轉(zhuǎn)方向。電磁波的極化是指電場(chǎng)在垂直于傳播方向的平面內(nèi)的振動(dòng)情況。根據(jù)互相垂直的兩場(chǎng)分量的振幅和相位間的關(guān)系，極化可以分為三類：直線極化、圓極化和橢圓極化，如圖1.5所示。圖1.5三種極化的平面被電場(chǎng)矢量隨時(shí)間的變化直線極化波：電場(chǎng)矢量端點(diǎn)的軌跡是一條直線，該直線與X軸的夾角a不隨時(shí)間變化。即電場(chǎng)方向始終在一條直線上，這種極化稱為直線極化。圓極化波：合成電場(chǎng)矢量端點(diǎn)的軌跡是一個(gè)在垂直于傳播方向的平面內(nèi)的圓。這種極化稱為圓極化。橢圓極化波：合成電場(chǎng)矢量端點(diǎn)的軌跡都是一個(gè)傾斜的橢圓，叫橢圓極化。1.5天線基礎(chǔ)知識(shí)1.5.1天線基本原理天線上出現(xiàn)時(shí)變電流或電荷時(shí)，天線附近將激發(fā)時(shí)變電磁場(chǎng)，天線附近的電磁場(chǎng)隨時(shí)間變化，這種電磁振蕩以波的形式向四周傳播出去，從而形成電磁輻射。根據(jù)無線電波的輻射原理，發(fā)射天線的任務(wù)是使天線上的高頻電流變成輻射場(chǎng)的能量。在無線電系統(tǒng)中往往要求輻射的能量集中向某一方向或某一區(qū)域傳播，發(fā)射天線使輻射的能量按需要的形式在各個(gè)方向上進(jìn)行分配，即形成天線的方向性。例如，列車無線調(diào)度電話車站臺(tái)天線輻射的無線電波能量應(yīng)集中在沿鐵道的走向上，這樣可提高通信質(zhì)量和減少對(duì)其他通信設(shè)備的影響。天線的作用是將發(fā)射機(jī)的輸出功率有效地轉(zhuǎn)換成在自由空間傳播的電磁波，或?qū)⒆杂煽臻g傳播的電磁波有效地轉(zhuǎn)換成接收機(jī)輸入端的功率。前者是發(fā)射天線，后者是接收天線。在雷達(dá)和通信設(shè)備中，接收和發(fā)射天線往往共用一副天線，在另一些設(shè)備中，則各自使用單獨(dú)的天線。對(duì)于天線，我們關(guān)心的是它的輻射場(chǎng)強(qiáng)，方向性、輻射功率和效率。1.5.2天線類型與天線極化1.5.2.1天線類型常用發(fā)射天線包括對(duì)稱天線（偶極天線、振子天線）、單振子天線、陣列天線、半波偶極天線、對(duì)數(shù)周期天線、拋物面天線和喇叭天線等。電磁場(chǎng)場(chǎng)強(qiáng)儀與天線關(guān)系非常密切，測(cè)量結(jié)果直接與天線增益Ga及天線的工作頻率范圍有關(guān)。與電磁表相連的天線稱之為測(cè)試天線，它有嚴(yán)格技術(shù)指標(biāo)，如頻率范圍、天線增益、阻抗及駐波比等。為適應(yīng)它的頻率范圍其形狀大有區(qū)別，有單振子天線、半波振子天線、對(duì)數(shù)周期天線、環(huán)行天線等。1.5.2.2天線的極化極化是天線的一個(gè)主要特性，天線在某方向的極化是指在該方向所輻射電磁波的極化(對(duì)發(fā)射天線)，或天線在該方向接受獲得最大接收功率時(shí)入射平面波的極化。天線的極化與天線在空間中的方位有關(guān)。極化是描述電磁波場(chǎng)強(qiáng)矢量空間指向的一個(gè)輻射特性，當(dāng)沒有特別說明時(shí)，通常以電場(chǎng)矢量的空間指向作為電磁波的極化方向，而且是指在該天線的最大輻射方向上的電場(chǎng)矢量來說的。天線的極化方式分為線極化、圓極化和橢圓極化。1.5.3天線的基本性能指標(biāo)1.5.3.1天線的方向性圖天線的方向性是天線的重要特性之一。任何天線都具有方向性，向各個(gè)方向均勻輻射能量的無向天線實(shí)際中是不存在的。表征天線方向性的方向性函數(shù)是方位角q及f的函數(shù)。實(shí)際中使用歸一化方向性函數(shù)比較方便，其定義為天線的方向性。式中fm為方向性函數(shù)的最大值。顯然，歸一化方向函數(shù)的最大值fm=1。這樣，任何天線的輻射場(chǎng)的振幅可用歸一化方向性函數(shù)表示為E=Em式中Em為最強(qiáng)輻射方向上的場(chǎng)強(qiáng)振幅.利用歸一化方向性函數(shù)可用圖形描繪天線的方向性。通常以直角坐標(biāo)或極坐標(biāo)繪制天線在某一平面內(nèi)的方向圖.兩個(gè)互相垂直的主平面內(nèi)的方向圖，稱為平面方向圖。天線輻射希望有某種指定的方向性，即在要求的目標(biāo)方向輻射最強(qiáng)，而在不需要的方向則盡可能弱，將這種功率的不均勻分布畫在三維坐標(biāo)中，就是天線的功率方向性圖。用輻射場(chǎng)強(qiáng)表示的稱為場(chǎng)強(qiáng)方向圖，用相位表示的稱為相位方向圖。天線方向圖是空間立體圖形，但是通常應(yīng)用的是兩個(gè)互相垂直的主平面內(nèi)的方向圖，稱為平面方向圖。在線性天線中，由于地面影響較大，都采用垂直面和水平面作為主平面。在面型天線中，則采用E平面和H平面作為兩個(gè)主平面。歸一化方向圖取最大值為1。在方向圖中，包含所需最大輻射方向的輻射波瓣叫天線主波瓣，也稱天線波束。主瓣之外的波瓣叫副瓣、旁瓣或邊瓣，與主瓣相反方向上的旁瓣叫后瓣。在主瓣最大輻射方向兩側(cè)，輻射強(qiáng)度降低3dB（功率密度降低一半）的兩點(diǎn)間的夾角定義為波瓣寬度（又稱波束寬度或主瓣寬度或半功率角）。波瓣寬度越窄，方向性越好，作用距離越遠(yuǎn)，抗干擾能力越強(qiáng)。圖1.6天線方向性圖1.5.3.2天線的方向性系數(shù)除了天線方向性圖外，我們還希望用一個(gè)參數(shù)來表示天線集中輻射能量的特性，這個(gè)參數(shù)就是方向性系數(shù)D。，各種天線有不同的方向性圖。方向性系數(shù)定義：當(dāng)有向天線在主射方向上與無向天線在同一距離處獲得相等場(chǎng)強(qiáng)時(shí)，無向天線所需的輻射功率Pt0與有向天線的輻射功率Pt之比值，D=Pt0/Pt.方向性愈集中，方向性系數(shù)D愈大。一般雷達(dá)天線的D值在幾百至幾千之間。1.5.3.3天線效率天線輻射能量的過程是能量轉(zhuǎn)換的過程。在這轉(zhuǎn)化過程中，PA輸入到天線上的功率Pt,其中一部分變成輻射的功率；另一部分損耗在天線導(dǎo)體和周圍的物質(zhì)中（如天線拉線，絕緣子和地面等）。因經(jīng)，輸入到天線上的功率應(yīng)該是以及兩功率之和，即（1.35）式中：:輸入的有功功率；PA:天線的輻射功率；:損耗功率。天線的效率η定義為輻射功率與輸入有功功率之比，即（1.36）1.5.3.4天線增益在定義方向性系數(shù)時(shí)，是在輻射功率相等的條件下，比較被研究天線和理想均勻輻射天線集中輻射能量的程度。由于存在天線效率，在兩天線輻射功率相等時(shí)，它們的輸入功率并不一定相等。因此，方向性系數(shù)不能全面反映天線的能量轉(zhuǎn)換過程。為此，本書引入天線增益的定義。天線增益的定義是，在任一方向（），輻射功率密度與將輸入功率均勻輻射時(shí)的平均功率密度之比，即天線增益G為（1.37）如果用分貝來表示天線增益，則（1.38）天線增益的物理意義是：為了在觀察點(diǎn)有相等的功率密度，方向性天線的輸入功率應(yīng)小于均勻輻射天線（它的η=1）的輸入功率的G倍。由天線增益意義可知，如果被研究天線的效率為1，則G=D。許多超高頻天線系統(tǒng)的效率很高，效率接近100%，則天線增益實(shí)際上就等于方向性系數(shù)的值。因此，這兩個(gè)術(shù)語常?？梢越惶媸褂?。但是，必須指出，在估價(jià)天線性能時(shí)，增益比方向性系數(shù)更重要。有時(shí)想求天線增益，而已知的數(shù)據(jù)卻只有在E面和H面上的方向性圖。如果天線效率為1，則增益的近似值為：（1.39）式中，、、為E面和H面上以度為單位的波瓣寬度。在實(shí)際中，表示天線方向性圖的平面多稱為E面和H面，即表示水平面的垂直面，可以說與理論上所講的赤道面和子午面相對(duì)應(yīng)。1.6天線的輻射場(chǎng)1.6.1對(duì)稱天線兩部分長(zhǎng)度相等而中心斷開并接以饋電的導(dǎo)線，可用作發(fā)射和接收天線，這樣構(gòu)成的天線叫做對(duì)稱天線。因?yàn)樘炀€有時(shí)也稱為振子，所以對(duì)稱天線又叫對(duì)稱振子，或偶極天線。電偶極子為長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)的載流線元，也稱元天線。1.6.1.1電偶極子的輻射對(duì)稱天線由兩臂長(zhǎng)各為l，半徑為a的金屬導(dǎo)體構(gòu)成，對(duì)稱天線上的電流近似成駐波分布。對(duì)稱天線的歸一化方向性函數(shù)為：(1.40)電偶極子周圍的空間劃分為三個(gè)區(qū)域：近場(chǎng)區(qū)：kr≤1；遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)：kr＞1；過渡區(qū)：、。其中，r為電偶極子中心到考查點(diǎn)的距離。近場(chǎng)區(qū)的特點(diǎn)：電場(chǎng)表達(dá)式與靜電偶極子的電場(chǎng)表達(dá)式相同；磁場(chǎng)表達(dá)式與用畢奧一薩伐爾定律計(jì)算的恒定電流元產(chǎn)生的磁場(chǎng)表達(dá)式相同，任一時(shí)刻，電磁場(chǎng)的分布規(guī)律與靜態(tài)場(chǎng)中的電磁場(chǎng)相同，因此稱其為似穩(wěn)場(chǎng)或準(zhǔn)靜態(tài)場(chǎng)。電場(chǎng)和磁場(chǎng)存在的相位差，能量在電場(chǎng)和磁場(chǎng)以及場(chǎng)與源之間交換，沒有輻射，所以近區(qū)場(chǎng)也稱感應(yīng)場(chǎng)。遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的特點(diǎn)：遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)是橫電磁波、電場(chǎng)、磁場(chǎng)和傳播方向相互垂直；遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相位相同。電場(chǎng)振幅與磁場(chǎng)振幅之比等于媒質(zhì)的特征阻抗，即：(1.41)遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)是非均勻球面波，電場(chǎng)、磁場(chǎng)的振幅與1/r成正比；遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)是有方向性，按sinθ變化。場(chǎng)量隨角度變化的函數(shù)稱為電偶極子的方向圖因子。在工程上，常用方向圖來形象描述遠(yuǎn)場(chǎng)的方向性。將用極座標(biāo)畫出來，即得到電偶極子的方向圖。遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的輻射功率：輻射功率：(1.42)輻射電阻：(1.43)1.6.1.2磁偶極子的輻射磁偶極子又稱磁流元，其實(shí)際模型是一個(gè)小電流圓環(huán)。磁偶極子的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)也是非均勻球面波；波阻抗也等于媒質(zhì)的體征阻抗。輻射也有方向性，磁偶極子的正面方向圖與電偶極子的H面方向圖相同，而H面方向與電偶極子的E面方向圖相同。磁偶極子的總輻射功率為：(1.44)輻射電阻為：(1.45)1.6.2半波偶極天線兩臂長(zhǎng)度相等的振子叫做對(duì)稱振子，總長(zhǎng)度為半個(gè)波長(zhǎng)的對(duì)稱振子叫半波振子，也叫做半波偶極天線。它是最基本的單元天線，用得也最廣泛，很多復(fù)雜天線是由它組成的。半波天線的輻射場(chǎng)：(1.46)半波天線的歸一化方向性函數(shù)：(1.47)半波天線的主瓣寬度：半波天線的功率密度：(1.48)半波天線的輻射電阻：(1.49)半波天線的方向性乘數(shù)：D=1.64。1.6.3天線陣天線陣是將若干天線按一定規(guī)律排列組成的天線系統(tǒng)。組成天線陣的獨(dú)立單元稱為陣元，排列的方式有直線陣、平面陣等。如寬頻帶同相水平天線，由同相饋電的水平對(duì)稱振子組成的邊射式平面天線。天線陣的輻射特性取決于陣元的型式、數(shù)目、排列方式、間距以及各陣元上的電流振幅和相位等。方向圖相乘原