微波雷达的电磁辐射效应分析
马培贤
【摘 要】With the development of modem communication technology,all kinds of radar is widely used in wireless communication,weather forecast,resource exploration,environmental monitoring and other fields.However,the radar in the working process would produce a large number of electromagnetic radiations,and the intensity of electromagnetic radiation and the time,when exceed certain limit,would cause electromagnetic pollution,and exert impact on the surrounding electronic equipment,personnel and environment.China always attaches great importance to electromagnetic environment management,and the protection of public health.In addition,Electromagnetic Radiation Protection sets" (GB 8702-88) and the electromagnetic environment health standard "(GB 9175-88) were revised and integrated,and the" Electromagnetic Environment Control Limit "(GB 8702-2014) issued 2014.Thus in combination with "Electromagnetic Environment Control Limit" (GB 8702-2014),analysis on
electromagnetic radiation effect of microwave antenna is done,and this is of important guiding significance for create a green electromagnetic environment.%随着现代通信技术的发展,各类雷达被广泛应用于无线通信、气象预报、资源探测、环境监测等各个领域.但是,雷达在工作过程中会产生大量的电磁辐射.当电磁辐射的强度和时间超过一定限度,就会造成电磁污染,从而对周围电子设备、人员、环境产生影响.我国十分重视电磁环境管理,于2014年对《电磁辐射防护规定》(GB 8702-88)和《环境电磁波卫生标准》(GB9175-88)进行了修订和整合,并发布了《电磁环境控制限值》(GB8702-2014).因此,结合《电磁环境控制限值》(GB8702-2014)对微波雷达的电磁辐射效应进行分析研究,对创建绿电磁环境具有重要的指导意义.
【期刊名称】《通信技术》
【年(卷),期】2017(050)005
【总页数】5页(P1088-1092)
【关键词】通信技术;微波雷达;电磁辐射;电磁环境
【作 者】马培贤
【作者单位】中国电子科技集团公司第三十三研究所,山西太原030006
【正文语种】中 文
【中图分类】R122.4
随着科学技术的进步，雷达被广泛应用于社会的各个领域。它给人类创造了巨大的物质文明，但也对人类周围环境造成了一定程度的电磁辐射污染。研究表明，长时间遭受电磁辐射，可对人体产生“致癌”“致畸”“致突变”的作用[1]。因而，有必要对地面雷达周围的电磁波辐射水平进行估算。本文以微波雷达为例，详细分析其工作过程中产生的电磁辐射对周围环境的影响，总结归纳微波通信雷达电磁辐射的功率密度分布规律。同时，结合GB8702-2014《电磁环境控制限值标准》，分析其产生的电磁辐射在不同区域的辐射功率，为进一步采取相应的防护措施提供合理化建议。 根据电磁场理论[2]，将天线的辐射范围划分为近场区和远场区，以“瑞利距离”R=2D2/λ为分界点。 ①R＜2D2/λ范围内为天线近场区。近场区的电磁场辐射强度一般都很大，且空间不均匀度较高；
②R≥2D2/λ范围为天线远场区。远场区为弱场，其电磁强度均很小。
因此，在计算天线辐射危害时，主要关注近场电磁辐射，不考虑远场电磁辐射情况。
实际工程中，采取一种近似估算的方法，即由天线口面场分布函数通过数值积分近似计算天线近场区场，由此计算天线近场区增益，然后用解析法计算出天线的近场区功率密度。
天线口面在XY平面内，天线口面中心为坐标原点，天线口面直径为D，Z轴方向为天线电轴方向，P点为计算天线近场区某一点，坐标为(R,θ,φ)，如图1所示。
假设天线的口面场分布函数为f(x)，天线为圆口径对称天线，则天线归一化方向图近似为：
式中，F(θ, β)为天线的近场区方向图函数；θ为偏离天线轴向的角度；β为距离因子，R为到天线口面的距离。
天线远场近似计算公式为：
若已知天线的发射功率Pt，则在距离R处，偏角为θ处的近场区功率密度PD为：
式中，G0为天线远场增益，F(0)表示θ=0°方向上的F(θ)。将式（1）代入式（3），得：
其中PDfac为近场区功率密度因子：
轴向近场区功率密度是指θ=0°方向上的天线近场区功率密度。天线轴向近场区功率密度因子为：
可以看到，得到天线口面场分布函数后，利用数值积分法确定天线近场区功率密度因子的大小，即可精确计算出天线轴向近场区功率密度的大小。
1.1 天线轴向近场区功率密度数值计算
对式（6）积分，得：
则沿轴向近场区功率密度PD0为：
通过MATLAB，拟合出图2中天线近场区功率密度因子的包络曲线。可以看到，当R=0.097
*2D2/λ时，近场区功率密度因子最大。当R＞0.097*2D2/λ时，近场区功率密度因子随距离因子β单调减小；当R在[0,0.097*2D2/λ]区间内时，近场区功率密度因子是振荡变化的。当R=0.097*2D2/λ时，其轴向近场区功率密度最大，是“瑞利距离”R=2D2/λ处的41.19倍。
由于天线近场区功率密度与天线功率密度因子成正比，所以可以得出天线轴向近场区功率密度的变化趋势也是如此。
根据式（8），有：
可计算出在雷达天线不同距离R处的功率密度分布。
1.2 天线偏轴近场区功率密度数值计算
根据世界各卫星组织对旁瓣增益包络提出的强制要求，如INTELSAT的IESS标准和CCIR580标准等，雷达天线旁瓣增益包络为：
①当D/λ≥50时，90%的天线旁瓣峰值增益不超过下列包络线：
2.1 样本选取
本文以2.8 m微波雷达为例，对其电磁辐射效应进行分析，计算天线近、远场区功率密度；然后，再与GB8702-2014中的安全限值进行比较，评估其对周围环境的影响。表1为所选取的微波雷达的基本参数。
微波雷达通信角参数计算如下：
其中φ1为地球站经度，θ1为地球站纬度，φ2为卫星经度，φ=φ2-φ1为经度差，RE为地球半径，HE为卫星离地面高度。
已知地球站经纬度为东经卫星离地面高度37 744 km，地球半径6 371 km。于是，计算得地球站卫星天线俯仰角方位角φa=11.87°（南偏西）。
2.2 微波雷达天线率密度计算
对抛物面微波通信雷达采用圆口径锥削分布的口面场分布函数进行数值积分，求得天线近场区功率密度因子，用MATLAB拟合出近场区功率密度因子随距离的变化规律，计算得到天线的近场区功率密度。表2为通过计算得出的2.8 m微波雷达的相关参数[3]。
结合以上参数，通过天线轴向近场区功率密度数值计算方法，可以得出2.8 m微波雷达在以上三种频率发射状态下的轴向功率密度分布曲线，如图3所示。
根据天线偏轴近场区功率密度数值计算方法，可以计算得出2.8 m微波雷达在三种频率发射状态下偏离轴向的功率密度分布，分别如图4、图5、图6所示。
现将微波雷达轴向近场区功率密度相关计算数据与GB8702-2014《电磁环境控制限值》标准中对电磁辐射公众暴露限制的要求（如表3所示[4]）进行比较。
（1）当微波雷达全负荷工作时，在轴向方向560 m以内，即天线的近场区域，电磁辐射功率密度值最低5.4 W/m2。依据标准GB8702-2014的要求，在13.5～14.5 GHz的最小值为1.8 W/m2，远高于GB8702-2014的要求。
（2）当微波雷达偏轴方向角小于3°时，距离天线90 m以内，电磁辐射功率密度值最低1.948 W/m2。依据标准GB8702-2014的要求，在13.5～14.5 GHz的最小值为1.8 W/m2，高于GB8702-2014的要求。
（3）当微波雷达偏轴方向角大于3°时，距离天线90 m以内，电磁辐射功率密度值最高为0.
231 W/m2。依据标准GB8702-2014的要求，在13.5～14.5 GHz的最小值为1.8 W/m2，远低于GB8702-2014的要求。
微波雷达的电磁辐射主要集中在轴向及偏轴方向3°以内。所以，日常生活与工作中需要注意以下几方面：
（1）工作区和生活区要避开微波雷达的轴向辐射区，要避免近距离正对微波通信雷达天线。
（2）如果工作区与生活区处于微波雷达的辐射区内，则需要对辐射区内的建筑采用电磁屏蔽或者吸波技术进行必要的电磁防护处理。
（3）新建微波雷达的选址要合理，尽量远离工作区与生活区。
（4）已建好的微波通信雷达需要参照GB9175－1988《环境电磁波卫生标准值》[5]对周围的区域进行分级划分，实行分区管理。同时，对划分的区域设立警戒带或者电磁辐射警示标志，标注区域名称和注意事项，控制人员进入与停留时间。
【相关文献】
[1] 陈京平,李伟光.雷达站雷达微波辐射对人员的影响评价与防护对策[J].现代雷达,2016,36(07):57-61.
CHEN Jing-ping,LI Wei-guang.The Radar Station Radar Microwave Radiation Influence on Personnel Evaluation and Protection Countermeasures[J].Modern Radar,2016,36(07):57-61.
[2] 苏东林,陈爱新,谢树果.电磁场与电磁波[M].北京:高等教育出版社,2009.
SU Dong-lin,CHEN Ai-xin,XIE Shu-guo. Electromagnetic Field and Electromagnetic Wave[M]. Beijing:Higher Education Press,2009.
[3] 中华人民解放军装备部.GJB5313－2004电磁辐射暴露限值与测量方法[S].北京:中国标准出版社,2004.
The Chinese People's Liberation Army Equipment Department.GJB5313-2004 Electromagnetic RadiationExposure Limits and Measurement Methods [S]. Beijing:Standards Press of China,2004.
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