動車組、電力機車及地鐵列車的電磁騷擾發射測試系統不確定度研究*

蘇發明，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測試質量的參數。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據，但未提供不確定度的數值范圍。目前業界對于輻射發射系統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射系統不確定研究尚未顯現，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實意義。

1 動車組、電力機車及地鐵列車射頻發射測量

1.1 測試系統

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 的輻射發射測試，包括R&S 公司HK116 型雙錐天線以及HL223 型對數周期天線（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 動車組輻射發射系統布局圖

1.2 測試方法

不同工況下的測試方法如下：

（1）靜態工況：動車組上的輔助系統正常工作，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，輻射發射測試需要與標準規定的限值進行比對。各檢測實驗室應根據設備特性、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：標準規定的限值不變。

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

由于輻射發射測試的頻率分布在一個或多個頻域區間，有時可能出現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 動車組射頻發射系統測試不確定度評定

2.1 數學模型

輻射發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；ac為天線至接收機衰減；Fa為雙錐天線因子（或對數周期天線因子）；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為環境噪聲對開闊場的影響。

2.2 不確定度的確定

根據動車組射頻發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k=2，雙錐天線和對數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，不必考慮修正值。

天線因子高度偏差δFah：概率分布函數為矩形分布，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：對數周期天線的相位中心與測試頻率相關，對數周期天線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 外場試驗環境噪聲影響分析

環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射測試中，如果某一頻率或某一頻段的環境噪聲低于限值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境噪聲情況，即環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為動車組運行環境電磁噪聲的電場強度。

當環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，分別為式（5）、式（6）：

剛達限值的總輻射值為環境噪聲的2 倍。

因為有式（7）、式（8）：

測量誤差為式（9）：

取k=1，在環境噪聲最惡劣時，環境噪聲對北京環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

根據數學模型和各參數的分析結果，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Ci=1)

表2 對數周期天線在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，不要求考慮環境噪聲的影響，經計算雙錐天線與接收機組成的測試系統Uc（y）1=2.16 dB。

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

文獻［6］要求考慮環境噪聲的影響，加入環境噪聲影響因子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Uc（y）3=2.37 dB。

經計算對數周期天線與接收機組成的測試系統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%，則不考慮環境噪聲影響的情況下Ulab=4.32 dB（雙錐天線），Ulab=4.34 dB（對數周期天線天線）。取2 位有效數字，對數周期天線和雙錐天線與接收機組成的動車組輻射發射測試系統的Ulab=4.3 dB。

考慮環境噪聲的影響，系統Ulab=4.74 dB；取2位有效數字，對數周期天線和雙錐天線與接收機組成的動車組輻射發射測試系統的Ulab=4.7 dB。

3 結 語

通過對動車組輻射發射測試系統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，利用輻射發射不確定度數學計算模型，計算出動車組輻射發射測試系統的擴展不確定度Ulab=4.7 dB，小于CISPR 16-4-2 規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。