開闊試驗場輻射騷擾測量不確定度的評定

雷振霄

【摘要】基于30MHz一1GHz范圍內在開闊試驗場地（OATS）進行電場輻射騷擾測量的原理，建立起對應的不確定度分析的數學模型，詳細分析了開闊試驗場輻射騷擾測試的各不確定度分量，得到了實際測試中的不確定度數值。

【關鍵詞】輻射騷擾 開闊試驗場 不確定度評定

測量不確定度，從詞義上理解，意味著對測量結果有效性的可疑程度或不肯定程度。當前國際上統一采用的測量不確定度的定義為：表征合理地賦予被測量之值的分散性，與測量結果相聯系的參數。此參數是測量結果含有的一個參數，是表明測量結果的分散程度，可以用定量的數字描述，是一個定量的概念。測量不確定度既是衡量測量結果質量的重要參數，又是測量系統最基本也是最重要的特性指標。測量不確定度有兩種表示方式：一是標準不確定度（以標準偏差表示的測量不確定度）：二是擴展不確定度，大多數情況下，推薦使用擴展不確定度。擴展不確定度是確定測量結果區間的量，合理賦予被測量之值分布的大部分可望含于此區間。為提高擴展不確定度的置信水平。通常用標準偏差的倍數表示，將合成標準不確定度也乘以包含因子后得到。擴展不確定度U表示置信水平的區間半寬度。反之，若是引用了具有給定包含因子k的擴展不確定度，就可用反向程序求得合成標準不確定度。即由擴展不確定除以相應的包含因子得到。測量不確定度通常由測量過程的數學模型和不確定度的傳播律來評定。測量過程中的隨機效應及系統效應均會導致測量不確定度。數據處理中的修約也會導致不確定度。測量結果的不確定度一般包含若干個分量，根據其數值評定方法的不同分為兩類：由觀測列統計分析所評定的不確定度稱為A類評定；由不同于觀測列統計分析所評定的不確定度統稱為B類評定。A、B分類旨在指出評定的方法不同，只是為了便于理解和討論，并不意味著兩類分量之間存在本質上的區別。在實際評定過程中，完全可以按照方便、可靠、簡單、快捷來選擇所用的方法。本文所作不確定度分析評定是根據CNAS—GL07（EMC檢測領域不確定度的評估指南》和JJF1059-2012《測量不確定度評定與表示》，并結合我中心EMC測試的實際情況開展的。

一、30MHz～1GHz電場輻射騷擾測量的不確定度評定

（一）30MHz～1GHz電場輻射騷擾測量原理

被測車輛工作時產生的輻射騷擾信號在空中中傳播，接收天線接收到騷擾信號后，經過同軸電纜傳輸到EMI接收機，經數據處理后通過計算機輸出。在30MHz-1GHz頻率范圍，電場輻射騷擾測試系統如圖1進行布置。由測試布置圖可知，輻射騷擾場強測試的合成不確定度主要由EMI接收機、場地、天線、天線支架及其它相關因素組成。

（二）30MHz～1GHz電磁騷擾測量不確定度評定的數學模型被測設備產生的電場輻射強度E按下式計算：

（1）

式（1）就是在開闊試驗場進行30MHz～1GHz頻率范圍內電場強度輻射騷擾測量的數學模型。其中Vr、Lc和AF，三項是測量值，帶δ的各項分別表示對這三個測量值的誤差修正，也就是該測試項目不確度的來源，具體含義如下：

Vr：接收機電壓讀數，dBμV

Lc：天線和接收機間連接電纜的衰減量，dB；

AF：天線系數，dB/m

δAph：對天線相位中心位置的修正值dB

δAcp：對天線交叉極化響應的修正值dB

δAbal：對天線不平衡的修正值dB

δVsw：對接收機正弦波電壓不準確的修正值，dB

δVpa：對接收機脈沖幅度響應不理想的修正值，dB

δVpr：對接收機脈沖重復頻率響應不理想的修正值，dB

δVnf：對接收機本底噪聲影響的修正值dB

δM：對天線端口與接收機之間失配誤差的修正值dB

δAFf：對天線系數內插誤差的修正值dB

δAFh：對天線系數隨高度變化與標準偶極子天線的天線系數隨高度變化之差別的修正值dB

δAdir：對天線方向性的修正值dB

δSA：對不完善的場地衰減的修正值dB

δh：對天線離地平面高度不準的修正值dB

δd：對天線與被測車輛距離測不準的修正值dB

在此數學模型中，認為各分量都是互不相關、各自獨立的。對于實驗室而言，著重考慮以上各項測量不確定度分量。對每個影響量Xi的估計值xi應評定其標準不確定度u（xi）（以分貝表示）和靈敏系數Ci。電場強度估計值E的合成標準不確定度如uc（E）按下式計算：

uc（E）=■

（三）30MHz～1GHz電場輻射騷擾測量不確定度評定需要考慮的分量及其說明

由于測量中導致不確定度的來源不同，在進行各不確定度分量合成之前，必須要以相同條件表示各個不確定分量。也就是說，必須在同樣的置信概率下，以相同的單位給出所有不確定度分量。通常將所有的不確定度分量。以相同的置信概率換算成標準不確定度來合成。如果Xi的估計值xi分散區間的半寬度為a，且xi處于（xi-a）和（xi+a）之間的置信概率為P，通過對其分布概率的估計，可以得出xi對應的標準不確定度u（xi）=a/k，其中包含因子k取決于不確定度的概率分布和置信水平，詳見表1。下面就在電場輻射騷擾評定中所涉及到各分量逐一進行分析說明。

（1）接收機讀數的變化，包括測量系統的不穩定、接收機噪聲以及表頭刻度內插誤差等因素引起。

（2）接收機與天線之間的連接電纜的衰減量的估計值，可以由校準報告獲得，同時得到與其相對應的擴展不確定度和包含因子。

（3）自由空間天線系數AF的估計值以及擴展不確定度和包含因子都可以從校準報告中獲得。

（4）對接收機正弦波電壓準確度的修正值，可以由校準報告獲得.同時得到與其相對應的擴展不確定度和包含因子。endprint

（5）接收機的脈沖響應特性的修正，如果接收機說明書沒有給出類似信息，按照CISPR16-4：2002，接收機脈沖幅度響應修正值δVpa的估計值一般為0，具有半寬度為1.5dB的矩形概率分布。

（6）接收機脈沖重復頻率響應的修正，如果接收機說明書沒有給出類似信息，按照CISPR16-4：2002，接收機脈沖重復頻率響應的修正值δVpr的估計值一般也為0，具有半寬度為1.5dB的矩形概率分布。

（7）接收機本底噪聲影響的修正值δVnf，對輻射騷擾而言，修正值一的估計值為0，并具有半寬度為0.5dB的擴展不確定度，包含因子為2。

（8）天線端口與接收機之間失配誤差的修正值為：

δM=20log10[（1-ΓeS11）（1-ΓrS22）-S212ΓeΓr] （3）

式中Γe是由天線的輸出端口看進去的反射系數；Γr為EMI接收機的反射系數；S分別為雙端口電纜的S參數。所有的參數都是針對50Ω阻抗的。由于以上參數很難實際測得。即使知道公式中所涉及的參數的模值或模值的極限值，也不可能計算出δM，但可以確定其不會超過的極限值δM±為：

δM±=20log10[1±（│Γe││S11│+│Γr││S22│+│Γe│

│Γr││S11││S22│+│Γe││Γr││S212│）] （4）

對于輻射騷擾測量。一般天線的VSWR（voltage standing wave ratio電壓駐波比）≤2：1，即│Γe│<<0.33，天線與接收機之間的電纜匹配良好（│S11│<<1，│S22│<<1），其衰減可忽略（│Γe│<<0.33）接收機端的VSWR≤2：1，即。通過計算得到δM+=0.90，δM-=-1.0。

δM的概率分布近似為反正弦分布。可能值的寬度不大于（δM+-δM-），其標準不確定度不大于半寬度除以■。

（9）天線系數內插誤差修正值δAFf的估計值一般為0，并具有一個半寬度為0.3dB的矩形概率分布。

（10）天線系數隨高度變化特性δAFh的估計值和半寬度一般包括在制造商校準報告中提供的不確度內。

（11）天線方向性的修正值，對在垂直平面具有均勻方向性圖的情況，不需要修正；而對在垂直平面具有非均勻方向性圖的情況。方向性影響的修正δAdir通常在0dB和+1dB之間滿足矩形概率分布。

（12）天線相位中心位置修正值δAph，對雙錐天線，δAph可以忽略不計；但對數周期天線δAph的估計值為0。其可能的概率分布為矩形分布。

（13）天線交叉極化響應的修正值δAcp，按照CISPR16-4，雙錐天線的交叉極化響應可以忽略不計；對數周期天線δAcp的估計值為0，并滿足半寬度為0.9dB的矩形概率分布。

（14）天線不平衡的修正值δAbal的估計值為0，其概率分布和半寬度由制造商校準報告提供。

（15）不完善的場地衰減的修正值δSA的估計值通常認為是0，且滿足三角概率分布，其半寬度為場地歸一化衰減（NSA）值。

（16）天線與被測設備之間距離測定修正值δd最大間距允許誤差限為±0.1m，其概率分布為矩形分布，由此計算出半寬度為0.3dB。

（17）天線離地平面高度不準的測定修正值δh，其修正值δh的估計值為0，服從半寬度為0.1dB的正態分布。

（四）30MHz～1GHz電場輻射騷擾測量各分量標準不確定度評定

（1）u1為接收機電壓讀數引起的不確定度分量：最大允許誤差±0.1dB，包含因子k=1，u1=0.1 dB /1=0.10dB。

（2）u2為天線和接收機間衰減引起的不確定度分量：最大允許誤差±0.1dB，包含因子k=2， u2=0.1dB/2=0.05dB。

（3）u3為超寬帶天線系數引起的不確定度分量：最大允許誤差±1.5dB，按矩形分布，k取■，u3=1，5dB/■=0.87dB。

（4）u4為正弦波信號引起的不確定度分量：最大允許誤差±1.0dB，包含因子k=2，u4=1.0dB/2=0.50dB。

（5）u5為脈沖幅度響應引起的不確定度分量：最大允許誤差±1.5dB，按矩形分布，k取■， u5=1，5dB/■=0.87dB。

（6）u6為脈沖重復率響應引起的不確定度分量：最大允許誤差±1.5dB，按矩形分布，k取■， u6=1，5dB/■=0.87dB。

（7）u7為接收機本底噪聲引起的不確定度分量：最大允許誤差±0.5dB，包含因子k=2，u7=0.5 dB /2=0.25dB。

（8）u8為天線和接收機間失配引起的不確定度分量：可能值的寬度不大于0.9dB～-1dB，按反正弦分布布，k取■，u8=0.95dB /■=0.67dB。

（9）u9為天線系數頻率內插引起的不確定度分量：最大允許誤差±0.3dB，按矩形分布，k取■，u9=0.3dB/■=0.17dB。

（10）u10為天線系數高度偏差引起的不確定度分量：最大允許誤差±0.3dB，按矩形分布， k取■， u10=0.3dB/■=0.17dB

（11）u11為天線方向性偏差引起的不確定度分量：誤差范圍（1.0-0.0）dB，按矩形分布， k取■，u11=0.5dB/■=0.29dB。

（12）u12為天線相位中心位置引起的不確定度分量：最大允許誤差±1.0dB，按矩形分布，k取■， u12=1.0dB/■=0.58dB。

（13）u13為天線交叉極化引起的不確定度分量：最大允許誤差±0.9dB，按矩形分布，k取■， u13=0.9dB/■=0.52dB。

（14）u14為天線交叉極化引起的不確定度分量：最大允許誤差±0.3dB，按矩形分布，k取■， u14=0.3dB/■=0.17dB。

（15）u15為場地非理想性引起的不確定度分量：最大允許誤差±2.3dB，按三角分布，k取■，u15=2.3dB/■=0.94dB。

（16）u16為測量距離引起的不確定度分量：最大允許誤差± 0.3dB， 按矩形分布，k取■，u16=0.3dB/■=0.17dB。

（17）u17為天線高度引起的不確定度分量：最大允許誤差±0.1dB，k取2，u17=0.1dB/2=0.05dB。

由此計算其合成標準不確定度為：

uc（E）=■=■=2.18

當測量結果不確定度的置信水平為95%時，對應的擴展不確定度為：

UIAR=2uc（E）=2×2.18=4.36

二、30MHz～1GHz輻射騷擾測量結果判定

對于30MHz～1GHz頻率范圍內。國際上通常采用CISPR16-4：2011定的輻射騷擾限值UCISPR=5.2dB。當知道測量結果的擴展不確定度ULAB后，測量結果是否通過騷擾限值，可用以下通用準則來判定：

當ULAB≤UCISPR時，如果測量的騷擾大小不超過限值，則測量結果符合標準的要求：如果測量的騷擾大小均超過限值，則測量結果不符合標準的要求。

當ULAB>UCISPR時，如果測量的騷擾值與（ULAB-UCISPR）之和不超過限值，則測量結果符合標準的要求。

如果測量的騷擾值與（ULAB-UCISPR）之和均超過限值，則測量結果不符合標準的要求。

由此可見，在我中心開闊試驗場進行無線電騷擾特性測量時，只要掃描曲線低于對應的限值線，測量結果就滿足標準要求。

三、結束語

測量不確定度是對測量結果的質量的定量評定。以測量不確定度理論為基礎，結合各種工程機械、大型車輛的開闊試驗場電磁騷擾測試方法，分析評定了30MHz～1GHz頻率范圍內電磁騷擾測量的不確定度。endprint