蘇發(fā)明，余 俊，黃 金，陳煥玉，王延哲

（1 動車組和機車牽引與控制國家重點實驗室， 北京 100081；2 北京縱橫機電科技有限公司， 北京 100094；3 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081）

在電磁兼容檢測領域，不確定度用于表征測試結果的離散程度，是反映電磁檢測系統(tǒng)測試質量的參數(shù)。文獻［1］以變流器技術國家工程研究中心電磁兼容實驗室為例，介紹了輻射發(fā)射場強測量不確定度的評定方法和計算。文獻［2］闡釋了3 米法半電波暗室內30 MHz～1 GHz 輻射發(fā)射的不確定度評定方法和步驟。文獻［3］介紹了天線校準測試地點和方法，分析了寬頻帶天線校準系統(tǒng)的不確定度。文獻［4］開展了動車組、機車及地鐵整車對外電磁騷擾的特性研究，對比分析了各型車的射頻數(shù)據(jù)，但未提供不確定度的數(shù)值范圍。目前業(yè)界對于輻射發(fā)射系統(tǒng)的不確定度研究都集中在實驗室，對于外場測試條件下的輻射發(fā)射系統(tǒng)不確定研究尚未顯現(xiàn)，故文中對這方面進行了探索，對于動車組電磁兼容測試的準確性提升有重要現(xiàn)實意義。

1 動車組、電力機車及地鐵列車射頻發(fā)射測量

1.1 測試系統(tǒng)

試驗時，天線架設于距離軌道中心10 m 處，如圖1 所示，30 MHz～1 GHz 的輻射發(fā)射測試，包括R&S 公司HK116 型雙錐天線以及HL223 型對數(shù)周期天線（天線離地面高度為2.5～3.5 m）。接收機采用R&S 公司的ESR7 型EMI 認證級接收機。

圖1 動車組輻射發(fā)射系統(tǒng)布局圖

1.2 測試方法

不同工況下的測試方法如下：

（1）靜態(tài)工況：動車組上的輔助系統(tǒng)正常工作，輔助負載處于運行模式，本工況以準峰值模式檢波。

（2）動態(tài)工況：動車組以速度為40～60 km/h 運行，當列車經過測試天線時，應發(fā)揮約最大牽引或電制力的1/3［5］。本工況以峰值模式檢波，從動車組車頭對準天線至車尾通過天線為1 個頻段的測試范圍。

1.3 不確定度要求

在認證過程中，輻射發(fā)射測試需要與標準規(guī)定的限值進行比對。各檢測實驗室應根據(jù)設備特性、校準證書、已知或估計的概率分布和測量步驟等實際情況來評定實驗室的B 類擴展不確定度Ulab。判定被試設備是否符合標準規(guī)定的騷擾限值，與不確定度的大小直接相關。CISPR 16-4-2 推薦UCISPR值［6］，即假設實驗室設備都符合CISPR 16-1的要求而評定出的B 類擴展不確定度值。

假如Ulab≤UCISPR：標準規(guī)定的限值不變。

假 如Ulab＞UCISPR：標 準 規(guī) 定 的 限 值 下 調（Ulab-UCISPR）。

由于輻射發(fā)射測試的頻率分布在一個或多個頻域區(qū)間，有時可能出現(xiàn)某一項占支配地位的不確定度分量在整個頻率范圍內變化很大，有的頻段很高，有的頻段很低，這時可考慮分頻段評定各自的不確定度。

2 動車組射頻發(fā)射系統(tǒng)測試不確定度評定

2.1 數(shù)學模型

輻射發(fā)射測量的影響因素包括接收機、天線、場地、線纜衰減、阻抗匹配、相對位置等，場強值E受到以下19 個量值的影響，見式（1）：

式中：Vr為接收機讀數(shù)；ac為天線至接收機衰減；Fa為雙錐天線因子（或對數(shù)周期天線因子）；δVSW為正弦波電壓；δVPa為脈沖幅度響應；δVPr為脈沖重復率響應；δVnf為噪聲本底接近度；δM為天線至接收機失配；δFaf為天線因子頻率內插；δFah為天線因子高度偏差；δFadir為方向性差別；δFaph為相位中心位置；δFacp為交叉極化；δFabal為天線平衡；δAN為場地不完善；δANT為桌面材質影響；δd為間距；δh為桌子高度；δEamb為環(huán)境噪聲對開闊場的影響。

2.2 不確定度的確定

根據(jù)動車組射頻發(fā)射外場測試的具體條件，對每一個影響因子的不確定度評定分析。

接收機讀數(shù)Vr：其不確定度由北京無線電計量測試研究所提供，查校準證書，概率分布函數(shù)k=1，擴展不確定度為0.05 dB，則標準不確定度為±0.05 dB。

天線至接收機衰減ac：概率分布函數(shù)k=2，擴展不確定度0.1 dB，則標準不確定度為±0.05 dB。

雙錐天線因子Fa（或對數(shù)周期天線因子）：其不確定度由北京無線電計量測試研究所提供，查校準證書，概率分布函數(shù)k=2，雙錐天線和對數(shù)周期天線擴展不確定度都為1.7 dB，則標準不確定度為±0.85 dB。

正弦波電壓δVSW：查校準證書，概率分布函數(shù)k=2，擴展不確定度為0.6 dB，則標準不確定度為±0.3 dB。

脈沖幅度響應δVPa：查校準證書，概率分布函數(shù)為矩形分布，擴展不確定度為0.5 dB，則標準不確定度為±0.29 dB。

脈沖重復率響應δVPr：查校準證書，概率分布函數(shù)為矩形分布，擴展不確定度為0.1 dB，則標準不確定度為±0.06 dB。

噪聲本底接近度δVnf：1 臺CISPR 接收機的本底噪聲與接近限值的射頻騷擾幅值相比，量值差距極大，可簡化忽略［6］。

天線至接收機失配δM：概率分布函數(shù)為U 型分布，擴展不確定度為0.9 dB，則標準不確定度為±0.67 dB。

天線因子頻率內插δFaf：查產品手冊，概率分布函數(shù)k=2，擴展不確定度為0.5 dB，則標準不確定度為±0.25 dB。對于正好在校準頻率點上的天線系數(shù)，不必考慮修正值。

天線因子高度偏差δFah：概率分布函數(shù)為矩形分布，擴展不確定度為0.1 dB，則標準不確定度為±0.06 dB。

方向性差別δFadir：在3 m 和10 m 間距的情況，認為垂直極化雙錐天線和水平極化或垂直極化的對數(shù)周期天線都需要高達+1 dB 的修正值δFadir，不確定度按0 dB 考慮。

相位中心位置δFaph：對數(shù)周期天線的相位中心與測試頻率相關，對數(shù)周期天線δFaph擴展不確定度為0.3 dB，服從矩形分布，則標準不確定度為±0.17 dB。

交叉極化δFacp：雙錐天線的交叉極化響應是可以忽略的。對于對數(shù)周期天線δFacp擴展不確定度為0.9 dB，服從矩形分布，則標準不確定度為±0.52 dB。

天線平衡δFabal：不確定度按0 dB 考慮。

場地不完善δAN：CISPR 16-1 標準給出的場地不理想允許誤差限為±4 dB，如果其小于4 dB，修正值δSA的估計值可以取0。但是，實際測試場地（北京環(huán)行鐵道試驗基地）一般都存在場地尺寸不足及反射物的影響。文獻［7］建立了高速鐵路環(huán)境電磁兼容測試場地衰減的理論模型，并對實際場地的衰減進行了測試，試驗結果和仿真結果比對表明，場地衰減最大差值為0.74 dB，對于場地不完善，擴展不確定度為4.74 dB，服從三角分布，則標準不確定度為±1.92 dB。

間距δd：天線與動車組測試距離為10 m。如測試誤差為0.1 m，則引起接收機信號強度誤差為±20 lg（10.1/10）= ±0.09 dB，服從矩形分布，則標準不確定度為0.06 dB。

桌子高度δh：桌子高度不為0.8 m 時也會影響不確定度。概率分布函數(shù)為矩形分布，擴展不確定度為0.1 dB，則標準不確定度為±0.05 dB。

2.3 外場試驗環(huán)境噪聲影響分析

環(huán)境噪聲對實際測試場地的影響為δEamb，在實際動車組射頻輻射發(fā)射測試中，如果某一頻率或某一頻段的環(huán)境噪聲低于限值6 dB 以上時，則這些頻率的測試結果可以不考慮背景噪聲的影響，并在測試報告中注明這些頻率點［5］。那么，考慮在評定過程中最惡劣的環(huán)境噪聲情況，即環(huán)境噪聲電平恰好比限值小6 dB，假設天線處接受到的信號總功率為P，該功率值由2 部分組成，一部分來自于被試動車組的射頻騷擾Ps；另外一部分就來自動車組運行環(huán)境的電磁噪聲Pa，也就是說，測試時觀察到的動車組實際射頻騷擾是二者之疊加，其關系為式（2）：

由于EMI 接收機的輸入阻抗為50 Ω，則接收天線處總壓電場強度為式（3）：

式中：E為接收天線處總的電場強度；Es為動車組射頻騷擾電場強度；Ea為動車組運行環(huán)境電磁噪聲的電場強度。

當環(huán)境電磁噪聲比限值小6 dB 時，且對于幅值剛好處在限值水平上的動車組電磁騷擾，即有式（4）：

式中：Us、Ua單位為dB。

實際射頻電平信號U（μV）與電平U（dB）的關系為對數(shù)，分別為式（5）、式（6）：

剛達限值的總輻射值為環(huán)境噪聲的2 倍。

因為有式（7）、式（8）：

測量誤差為式（9）：

取k=1，在環(huán)境噪聲最惡劣時，環(huán)境噪聲對北京環(huán)行鐵道試驗基地測試的影響δEamb的標準不確定度為0.97 dB。

2.4 合成不確定度的確定

根據(jù)數(shù)學模型和各參數(shù)的分析結果，30 MHz～200 MHz 水平極化輻射騷擾測量的不確定度見表1，20 MHz～1 GHz 水平極化輻射騷擾測量的不確定度見表2。

表1 雙錐天線在10 m 距離上，30 MHz～200 MHz 水平極化輻射騷擾測量的不確定度(靈敏系數(shù)Ci=1)

表2 對數(shù)周期天線在10 m 距離上，200 MHz～1 GHz 水平極化輻射騷擾測量的不確定度(靈敏系數(shù)Ci=1)

當全部輸入量Xi相互獨立時，合成標準不確定度Uc（y）可表示為式（10）：

文獻［8］對于開闊場或替代場地，不要求考慮環(huán)境噪聲的影響，經計算雙錐天線與接收機組成的測試系統(tǒng)Uc（y）1=2.16 dB。

不考慮環(huán)境噪聲的影響，經計算對數(shù)周期天線與接收機組成的測試系統(tǒng)Uc（y）2=2.17 dB。

文獻［6］要求考慮環(huán)境噪聲的影響，加入環(huán)境噪聲影響因子δ Eamb的不確定度計算值，經計算雙錐天線與接收機組成的測試系統(tǒng)Uc（y）3=2.37 dB。

經計算對數(shù)周期天線與接收機組成的測試系統(tǒng)Uc（y）4=2.37 dB。

2.5 擴展不確定度的確定

計算合成不確定度Uc（y）之后，得到擴展不確定度Ulab為式（11）：

式中：k為包含因子。

一般實驗室都取k=2，置信概率95%，則不考慮環(huán)境噪聲影響的情況下Ulab=4.32 dB（雙錐天線），Ulab=4.34 dB（對數(shù)周期天線天線）。取2 位有效數(shù)字，對數(shù)周期天線和雙錐天線與接收機組成的動車組輻射發(fā)射測試系統(tǒng)的Ulab=4.3 dB。

考慮環(huán)境噪聲的影響，系統(tǒng)Ulab=4.74 dB；取2位有效數(shù)字，對數(shù)周期天線和雙錐天線與接收機組成的動車組輻射發(fā)射測試系統(tǒng)的Ulab=4.7 dB。

3 結 語

通過對動車組輻射發(fā)射測試系統(tǒng)場強值影響因子的分析評估，充分考慮到測試時最惡劣情況下背景噪聲的影響，利用輻射發(fā)射不確定度數(shù)學計算模型，計算出動車組輻射發(fā)射測試系統(tǒng)的擴展不確定度Ulab=4.7 dB，小于CISPR 16-4-2 規(guī)定的開闊場或替代場地UCISPR不超過5.1 dB 的要求，計算結果表明，本測試系統(tǒng)無需修正即可給出動車組對外射頻騷擾試驗的符合性結論。