郝宏海、楊智勇、馬振元、孫高陽(yáng)、鄧昊天

(遼寧省交通高等?？茖W(xué)校，遼寧沈陽(yáng) 110122)

0 引言

隨著我國(guó)軌道交通的不斷發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越重視城市軌道車輛的電磁兼容性問(wèn)題，各主機(jī)廠也越來(lái)越注重車輛的電磁兼容性測(cè)試，尤其是射頻電磁騷擾是否達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。射頻電磁騷擾試驗(yàn)的目的是考核列車整車150kHz-1GHz 范圍內(nèi)輻射發(fā)射是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。在射頻電磁騷擾試驗(yàn)中，試驗(yàn)場(chǎng)地、試驗(yàn)設(shè)備對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響十分顯著，因此對(duì)射頻電磁騷擾試驗(yàn)的不確定評(píng)定就變得十分有意義。

1 測(cè)試原理方法

軌道交通車輛射頻電磁騷擾試驗(yàn)，由于需要在現(xiàn)存鐵路環(huán)境下進(jìn)行，選擇的測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)盡可能滿足“自由空間”的要求。測(cè)試點(diǎn)附近不應(yīng)有樹(shù)木、圍墻、橋梁、隧道或汽車等，同時(shí)應(yīng)避免在高架間斷處、變電站、變壓器、功率電纜、地下電纜、分段絕緣器等處。在同一區(qū)間或測(cè)量點(diǎn)附近不應(yīng)有其他行駛鐵路車輛。測(cè)試分為靜態(tài)、慢行兩種模式。靜態(tài)試驗(yàn)過(guò)程中，動(dòng)車輔助變流器工作，牽引變流器上電但不工作；拖車輔助變流器、電池充電器工作；開(kāi)啟車輛上所有能夠產(chǎn)生輻射發(fā)射的電氣系統(tǒng)，天線應(yīng)對(duì)準(zhǔn)每節(jié)車中心線或可能產(chǎn)生最大輻射發(fā)射的設(shè)備處。慢行試驗(yàn)過(guò)程中，牽引變流器及輔助變流器（輔助變流器全負(fù)荷）上電工作，開(kāi)啟車輛上所有能夠產(chǎn)生輻射發(fā)射的電氣系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)天線時(shí)列車以約1/3 最大牽引力加速或減速。運(yùn)行速度范圍為20±5km/h。由于《無(wú)線電騷擾和抗擾度測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法規(guī)范》（GB/T 6113.402—2018）中并未對(duì)150～30MHz 的輻射發(fā)射不確定度進(jìn)行要求，因此只考慮30～1GHz 輻射發(fā)射測(cè)試。接收天線正對(duì)待測(cè)車輛所在軌道，天線中心距離軌道平面高3m，天線面距離軌道中心10m，通過(guò)同軸電纜與接收機(jī)相連，試驗(yàn)布置試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境、輻射發(fā)射試驗(yàn)配置，如圖1、2所示。

圖1 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境

圖2 輻射發(fā)射試驗(yàn)配置

2 不確定度定義

不確定度是與測(cè)量結(jié)果有關(guān)的參數(shù)，用來(lái)表征合理地賦予被測(cè)量的值的分散性，它是由所有與測(cè)量設(shè)備和設(shè)施相聯(lián)系的有關(guān)的影響量引起的[1]。根據(jù)評(píng)定方法不同，分為A 類評(píng)定和B 類評(píng)定。A 類評(píng)定用數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析的方法，對(duì)在規(guī)定測(cè)量條件下測(cè)得的量值，進(jìn)行測(cè)量不確定度分量的計(jì)算和評(píng)定；B 類不確定度是用試驗(yàn)或其他信息來(lái)估計(jì)，例如測(cè)量數(shù)據(jù)、校準(zhǔn)證書(shū)、測(cè)試報(bào)告、生產(chǎn)廠的說(shuō)明書(shū)等，含有主觀鑒別的成分[2]。

不確定度的評(píng)定方法有很多種，使用最多的是測(cè)量不確定度指南中的方法，簡(jiǎn)稱GUM 法。不確定度評(píng)定所采用就是GUM 法。用GUM 法評(píng)定測(cè)量不確定度的一般流程如圖3[3]。

圖3 用GUM 法評(píng)定測(cè)量不確定度的一般流程

3 測(cè)試模型建立

A 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算方法為：

B 類標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算方法為：

式（3）中：a為被測(cè)量可能值區(qū)間的半寬度，k為包含因子。

開(kāi)闊場(chǎng)輻射電磁騷擾電場(chǎng)強(qiáng)度不確定度測(cè)量模型為：

式（4）中：E為騷擾電磁強(qiáng)度，Vr為接收機(jī)讀數(shù)，ac為天線與接收機(jī)間的修正，F(xiàn)a為天線系數(shù)，δVsw為接收機(jī)正弦波電壓的修正，δVpa為接收機(jī)脈沖幅度響應(yīng)的修正，δVpr為接收機(jī)脈沖重復(fù)頻率響應(yīng)的修正，δVnf為接收機(jī)本底噪聲影響的修正，δM為天線與接收機(jī)間失配誤差，δAFaf為天線系數(shù)頻率內(nèi)插的修正，δAFah為天線系數(shù)高度偏差的修正，δFadir為天線方向性的修正，δFaph為天線相位中心位置的修正，δFacp為天線交叉極化的修正，δFabal為天線不平衡的修正，δAN為場(chǎng)地不完善的修正，δd為測(cè)試距離的修正，δh為軌道高度的修正，Eamb為對(duì)OATS 處所環(huán)境噪聲影響的修正。

4 不確定度評(píng)定

4.1 A 類不確定度評(píng)定

接收機(jī)的讀數(shù)Vr的變化，主要由于重復(fù)性操作下測(cè)試系統(tǒng)的不穩(wěn)定和人為因素引起的，應(yīng)采用A 類測(cè)量不確定度的評(píng)定方法。被測(cè)物選擇某城市地鐵車輛，按照標(biāo)準(zhǔn)要求水平和垂直極化方向各進(jìn)行5 次峰值測(cè)量，選擇頻率100MHz 和800MHz 進(jìn)行評(píng)估，測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1 接收機(jī)讀數(shù)。

表1 接收機(jī)讀數(shù)

根據(jù)公式（1）（2）計(jì)算得出接收機(jī)的讀數(shù)不確定度，如表2所示。

表2 接收機(jī)讀數(shù)不確定度

4.2 B 類不確定度評(píng)定

4.2.1 接收機(jī)和天線間路徑衰減量不確定度

接收機(jī)與天線之間由一根同軸電纜相連，因此該部分不確定度僅由接收機(jī)與天線間線纜損耗決定。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量此部分同軸電纜損耗ac，穩(wěn)定性非常好，多次測(cè)量結(jié)果均相同，但受測(cè)量設(shè)備精度限制，同軸電纜損耗精確到0.01dB，且ac服從均勻分布，因此電纜損耗的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u(ac)=0.003dB。

4.2.2 天線系數(shù)引入的不確定度

天線系數(shù)的不確定度由校準(zhǔn)證書(shū)中獲得，雙錐天線系數(shù)半寬度a=1.9，對(duì)數(shù)周期天線系數(shù)半寬度a=1.9，且k=2，因此雙錐天線系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Fa1)=0.95，對(duì)數(shù)周期天線系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(Fa2)=0.95。

4.2.3 接收機(jī)的修正引入的不確定度

接收機(jī)在處理數(shù)據(jù)的過(guò)程中，由于自身原因會(huì)引入一定的不確定度，主要包括：正弦波電壓修正δVsw，脈沖幅度響應(yīng)修正δVpa，脈沖重復(fù)頻率響應(yīng)修正δVpr，噪聲本底接近度修正δVnf，上述所有不確定度可從接收機(jī)校準(zhǔn)證書(shū)中得到。

正弦波電壓修正的擴(kuò)展不確定度為0.6dB，包含因子k=2，則u(δVsw)=0.3dB。

脈沖幅度響應(yīng)修正的擴(kuò)展不確定度為0.3dB，包含因子k=2，則u(δVpa)=0.3dB。

脈沖重復(fù)頻率響應(yīng)修正的擴(kuò)展不確定度為0.6dB，包含因子k=2，則u(δVpr)=0.3dB。

噪聲本底接近度修正的擴(kuò)展不確定度為0.1，包含因子k=2，則u(δVnf)=0.05。

4.2.4 天線與接收機(jī)失配引入的不確定度

接收機(jī)、同軸電纜、天線路徑阻抗不能完全匹配，需要對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行修正，不確定度可以由電纜兩端的反射系數(shù)通過(guò)式(5)計(jì)算得出，

式（5）中：Γe為天線的反射系數(shù)，Γr為接收機(jī)的反射系數(shù)，其不確定度符合U 形分布，天線與接收機(jī)失配引入的擴(kuò)展不確定度為u(δM)=0.67dB。

4.2.5 天線修正引入的不確定度

天線系數(shù)頻率內(nèi)插誤差修正δAFaf，天線系數(shù)高度偏差的修正δAFah，天線方向性差異的修正δFadir，天線相位中心位置的修正δFaph，天線交叉極化的修正δFacp，天線不平衡的修正δFabal等天線修正引入的不確定度，從保守的角度考慮，可以從《無(wú)線電騷擾和抗擾度測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法規(guī)范》中選取參照值，天線修正引入的不確定度如表3所示。

表3 天線修正引入的不確定度（單位：dB）

4.2.6 場(chǎng)地修正引入的不確定度

對(duì)于場(chǎng)地修正引入的不確定度，主要考慮不理想歸一化場(chǎng)地衰減的修正δAN，天線與列車間測(cè)量距離不準(zhǔn)確的修正δd，軌道高度測(cè)量不準(zhǔn)確的修正δh。

場(chǎng)地不理想引入的不確定度，取不確定度±4dB，服從三角分布，則u(δAN)=1.63dB。

由測(cè)試距離測(cè)量不確定度，取不確定度±0.1dB，服從矩形分布，則u(δd)=0.06dB。

由軌道高度測(cè)量不確定度，取不確定度±0.1dB，包含因子k=2，則u(δh)=0.05dB。

4.2.7 OATS 環(huán)境噪聲引入的不確定度

對(duì)OATS 處環(huán)境噪聲影響的修正不確定度，取不確定度±4dB，包含因子k=2，則u(δEamb)=2dB。

4.3 合成不確定度與擴(kuò)展不確定度

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可由式（6）計(jì)算得出。

由于選定的A 類不確定度和B 類不確定度相互獨(dú)立，因此計(jì)算得合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度，如表4 不確定度計(jì)算所示。

根據(jù)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和包含因子k，通過(guò)式（7）可以計(jì)算出擴(kuò)展不確定度

取k=2(對(duì)應(yīng)95% 的置信水平)，則計(jì)算出的擴(kuò)展不確定度，如表4 不確定度計(jì)算所示。

表4 不確定度計(jì)算（單位：dB）

根據(jù)《無(wú)線電騷擾和抗擾度測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法規(guī)范》中的要求，輻射騷擾(在OATS 或SAC 測(cè)量的電場(chǎng)強(qiáng)度)30～1000MHz 的不確定度為UCISPR=6.3dB，因此此次城市軌道交通車輛輻射電磁騷擾試驗(yàn)不確定度判定為合格。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)城市軌道交通車輛輻射電磁騷擾試驗(yàn)的不確定度進(jìn)行了研究，并以某地鐵車輛為被測(cè)對(duì)象，進(jìn)行了合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度以及擴(kuò)展不確定度的評(píng)定。影響150kHz-1GHz 輻射電磁騷擾試驗(yàn)結(jié)果的因素非常多，對(duì)不確定度評(píng)定也相對(duì)復(fù)雜，該次研究對(duì)表明城市軌道交通車輛輻射電磁騷擾試驗(yàn)的結(jié)果質(zhì)量、試驗(yàn)比對(duì)等有著較大的意義。