辐射骚扰测量不确定度评定及其验证分析

【作 者】王伟明，蒋岁上海市医疗器械检测所EMC室，上海，200070

0 引言

不确定度是电磁兼容试验数据处理中不可忽视的部分。如何准确评定电磁兼容试验的不确定度对各个医疗器械检测实验室都十分重要，而以辐射骚扰测量在电磁兼容试验中的不确定度分量为最多，本文将对如何进行辐射骚扰测量的不确定度评定，以及如何通过能力验证对其进行评价作一个比较全面的介绍。

1 不确定度的基本概念

1.1 通用符号

不确定度通用符号及含义见表1。

表1 不确定度通用符号及含义Tab.1 Symbols and meanings of uncertainty

1.2 测量不确定度、标准不确定度与扩展不确定度之间的关系

表征合理的赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数，称为测量不确定度。测量不确定度用标准偏差表示时称为标准不确定度，如用说明了置信水准的区间的半宽度的表示方法则成为扩展不确定度。

1.3 不确定度的A类、B类评定及合成

1.3.1 不确定度的A类评定

用对观测列进行统计分析的方法来评定标准不确定度，称为不确定度A类评定。所得到的相应标准不确定度称为A类不确定度分量，用实验标准差来表征。

1.3.2 不确定度的B类评定

用不同于对观测列进行统计分析的方法来评定标准不确定度，称为不确定度B类评定，所得到的相应标准不确定度称为B类不确定度分量。它是用实验或其他信息来估计，含有主观鉴别的成分。

1.3.3 合成标准不确定度

对每个影响量的估计值应评定其标准不确定度u(xi)和灵敏系数ci。被测量的估计值y的合成标准不确定度uc(y)按下式计算：

1.4 扩展不确定度和包含因子

包含因子是为求得扩展不确定度，与合成标准不确定度相乘的数字因子。包含因子的取值决定了扩展不确定度的置信水平。对检测实验室来说，包含因子取k=2，其置信水平近似为95%，扩展不确定度按下式计算：

2 辐射骚扰测量不确定度评定

2.1 三米法辐射骚扰测量方法

被测物放置在转台中心，测量距离3 m，测量天线通过屏蔽线缆与接收机连接。转台0o～360o旋转，天线1 m～4 m升降，在30 MHz～1 GHz频段内，分别找出被测物在天线水平和垂直两个极化方向的辐射骚扰最大值。测量示意图见图1。

图1 辐射骚扰测量示意图Fig.1 Figure of measurement of radiated disturbance

2.2 确定不确定度分量及数学模型

2.2.1 不确定度分量

根据测量方法确定影响整个测量系统的不确定度分量，见表2。

2.2.1 数学模型

被测量E按下式计算：

其中，输入量Vr的标准不确定度，采用A类评定。输入量Lc，AF，dVsw，dVpa，dVpa，dVnf，dM，dAFf，dAFh，dAdir，dAph，dAcp，dAbal，dSA，dd，dh的标准不确定度采用B类评定。

2.3 不确定度分量的标准不确定度评定

2.3.1 Vr的标准不确定度评定

接收机读数变化的原因包括测量系统的不稳定、接收机的噪声和表的刻度内插误差。Vr的估计值是多次读数的平均值，其标准不确定度（k=1）为平均值的实验标准差。

用测量接收机对一台信号发生器进行重复测量。信号发生器的输出频率分别为30 MHz，300 MHz，输出50dbμV，连续测量10次，得到测量列（每次测量均重新接线）如下。

30 MHz 时：50.3，50.2，50.4，50.2，50.3，50.1，50.2，50.3，50.1，50.1（dBμV）

300MHz时：50.2，50.3，50.2，50.2，50.3，50.3，50.3，50.4，50.2，50.1（dBμV）

2.3.2 Lc的标准不确定度评定

该不确定度分量主要是由接收机和天线之间的连接衰减偏差所引起的。Lc评定采用校准报告中所给出值，其衰减误差限值e=±0.1dB，其半宽a=0.1dB，包含因子k =2，所以u(Lc)=0.1dB/2=0.05 dB。

2.3.3 AF的标准不确定度评定

该不确定度分量主要是自由空间的天线系数AF所引起的。u(AF)评定采用校准报告中所给出值，双锥天线和对数周期天线的误差限值e=±1.8dB，其半宽a=1.8dB，包含因子k=2，所以u(AF)=1.8dB/2=0.9dB。

2.3.4 dVsw的标准不确定度评定

该不确定度分量主要是由测量接收机正弦波电压测量不准所引起的。u(dVsw)评定采用校准报告中所给出值，其正弦电压测量误差限值e=±1.0dB，其半宽a=1.0dB，包含因子k=2，所以u(dVsw)=1.0dB/2=0.5dB。

表2 不确定度分量表Tab.2 Components of uncertainty

2.3.5 dVpa的标准不确定度评定

该不确定分量主要是由测量接收机脉冲幅值响应不准所引起的。u(dVpa)评定采用CISPR16-4所规定的方法，接收机检测报告表明接收机脉冲幅值响应符合CISPR16-1中对峰值、准峰值、平均值或均方根值检波器的±1.5dB的允差，可以看作是服从以零为中心，半宽为1.5dB的矩形分布，所以u(dVpa)=1.5dB/=0.87dB。

2.3.6 dVpr的标准不确定度评定

该不确定分量主要是由测量接收机脉冲重复率响应不准所引起的。u(dVpa)评定采用CISPR16-4所规定的方法，接收机检测报告表明接收机脉冲幅值响应符合CISPR16-1中对峰值、准峰值、平均值或均方根值检波器的±1.5dB的允差，可以看作是服从以零为中心半宽为1.5dB的矩形分布，所以u(dVpa)=1.5dB/√3 = 0.87dB。

2.3.7 dVnf的标准不确定度评定

该不确定度分量主要是由测量接收机本底噪声所引起的。由于测量接收机的本底噪声一般远低于辐射骚扰电场的限值，因此当测量结果接近限值时，由此产生的影响可以忽略不计。所以u(dVnf)=0dB。

2.3.8 dM的标准不确定度评定

该不确定度分项主要是由于接收机和天线之间的失配所引起的。

其中：Γe是从天线接收机端口看进去的反射系数；Γr是接收机端口的反射系数。

如果上述参数中仅知道参数值或极值的大小，而不知道其他信息，则无法算出dM，但dM±的极值范围不会超过

dM的概率分布近似为U形分布，其宽度不大于（dM+-dM-）、标准差不大于半宽度除以。

对于辐射骚扰测量，Γe是EUT阻抗的函数。一般来说，EUT的阻抗是未知的和不受限制的。假设在最坏情况下的反射系数Γe的模等于1，同时假设接收机的连接电缆匹配良好(│S11│＜＜1，│S22│＜＜1)、其衰减可以忽略不计(│S11│≈1)；此外，接收机还具有10dB或更大的射频衰减，即电压驻波比(VSWR)≤2.0，可得(接收机端的)反射系数│Γe│≤0.33。则dM±=(+0.9/-1.0)dB，该不确定度分项的宽度为dM+(-dM )=(0.9+1.0)dB，并且服从U形分布，所以u(dM )=1.9dB/2√2=0.67dB

2.3.9 dAFf的标准不确定度评定

该不确定度分量主要是由于天线内插误差所引起的对不确定度的影响。对天线系数的内插误差修正dAFf的估计值为0，并服从半宽度为0.3dB的矩形概率分布。

2.3.10 dAFh的标准不确定度评定

修正dAFh的估计值为0。根据双锥天线和对数周期天线随高度变化的特性可以评估得出双锥天线水平极化半宽度为0.5 dB，并服从矩形概率分布，所以u(dAFh)=0.5dB/√3=0.29dB；双锥天线垂直极化半宽度为0.3 dB，并服从矩形概率分布，所以u(dAFh)=0.3dB/√3=0.17dB；对数周期天线水平极化半宽度为0.3 dB，并服从矩形概率分布，所以u(dAFh)=0.3dB/√3=0.17dB；对数周期天线垂直极化半宽度为0.1 dB，并服从矩形概率分布，所以u(dAFh)=0.1dB/√3=0.06dB。

2.3.11 dAdir的标准不确定度评定

假设水平极化的双锥天线在垂直平面具有均匀方向性图，并假设垂直极化的双锥天线和水平极化或垂直极化的对数周期天线在3 m距离上所需的修正dAdir=1dB，半宽度为0.5 dB，并服从适当宽度的矩形概率分布，则双锥天线水平极化u(dAFh)=0 dB；双锥天线垂直极化或对数周期天线水平极化/垂直极化的u(dAFh)=0.5dB/√3=0.29dB。

2.3.12 dAph的标准不确定度评定

双锥天线对相位中心位置的修正dAph可忽略不计，所以u(dAph)=0 dB。

对数周期天线随着频率的变化，相位中心的位置也发生变化，进而导致与所要求的距离有偏差，修正dAph的估计值为0，且服从矩形概率分布，假设其e=±1.0dB，其半宽a=1dB，则双锥天线水平极化u(dAph)=0.5dB0.58dB。

2.3.13 dAcp的标准不确定度评定

对于双锥天线，交叉极化响应被认为是可忽略的，所以u(dAph)=0dB。

对于对数周期天线，对交叉极化响应的修正dAcp的估计值为0，且服从矩形概率分布，根据天线的性能评估其半宽度为0.9dB，uu(dAph)=0.9dB=0.52dB。

2.3.14 dAbal的标准不确定度评定

当输入同轴电缆与天线阵子平行时，天线不平衡造成的影响是最大的。

对于双锥天线，对天线不平衡的修正dAbal的估计值为0，且服从矩形概率分布，根据天线的性能评估。其半宽度为0.3dB，u(dAbal)=0.3dB/√3=0.17dB。

对于对数周期天线，平衡响应被认为是可忽略的，所以u(dAbal)=0dB。

2.3.15 dSA的标准不确定度评定

由于我们的3米法电波暗室的NSA实测值与NSA的理论值小于3.5dB，因此修正的估计值为0，且服从三角形的概率分布，半宽度为3.5dB，U(dSA)=3.5dB/=1.43dB 。

2.3.16 dd的标准不确定度评定

测试距离的误差来自于对EUT边界的确定、测量距离和天线杆的倾斜程度。对距离误差的修正dd的估计值为0，且服从矩形概率分布，半宽度为0.3dB，u(dd)=0.3dB/0.17dB 。

2.3.17 dh的标准不确定度评定

受试设备未放置在标准规定高度所引起的误差。修正dh的估计值为0，服从正态分布，置信概率为95%的扩展不确定度为0.1dB 。

2.4 合成标准不确定度和扩展不确定度

2.4.1 标准不确定度

可得：

30 MHz～300 MHz双锥天线水平极化为 uc1(E)= 2.3，垂直极化为 uc2(E)=2.3；300 MHz～1 GHz对数周期天线水平极化为 uc3(E)=2.4，垂直极化为uc4(E) =2.4。

2.4.2 扩展不确定度

取k值等于2，Ulab=2uc(E)，即：

30 MHz～300 MHz双锥天线水平极化为 Ulab1= 4.6，垂直极化为 Ulab2= 4.6；300 MHz～1 GHz对数周期天线水平极化为 Ulab3= 4.8，垂直极化为 Ulab4= 4.8。

3 辐射骚扰测量不确定度的验证分析

为了验证我所3米法电波暗室内辐射骚扰测量不确定度的有效性，于2011年4月进行了1次能力验证。其满意度判定依据公式：

当│En│≤ 1为满意。

式中：y —我所3米法电波暗室测量值；y0—某10米法暗室的参考值；U—我所评定的与值所对应的测量不确定度（k =2）；U0—某10米法暗室评定的与值所对应的测量不确定度（k =2）。

表3 水平极化Tab.3 Horizontal polarization

表3和表4中列举了少量具有典型性的频率点。从两个表中我们可以看出，满意度 │En│均小于1，从而印证了我所辐射骚扰测量不确定度的有效性。

不过，在表4中我们可以看到在230 MHz频率点时，我所与10米法暗室测得的实际骚扰电平值差值达到了5.5 dB（虽然 │En│＜1）。这在一定程度上说明了3米法电波暗室和10米电波暗室在辐射骚扰的测量上存在一定的差异。

4 结束语

根据GB/T 6113.402-2006《 无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范 第4—2部分：不确定度、统计学和限值建模 测量设备和设施的不确定度》，若Ulab≤UCISPR，则：

——如果测得的骚扰电平不超过所规定的骚扰限值，则判定为符合；

——如果测得的骚扰电平超过所规定的骚扰限值，则判定为不符合。

而辐射骚扰（在开阔试验场或替换试验场上测得的电场强度）在30 MHz～1000 MHz频段的UCISPR为5.2dB。由于我所在30 MHz～300 MHz频段及300 MHz～1000 MHz频段Ulab的均小于5.2dB，因此，我所实际测得的辐射骚扰电平可以依据辐射骚扰限值直接进行符合性判断。

[1] GB/T 6113.203-2008.无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范 第2—3部分: 无线电骚扰和抗扰度测量方法 辐射骚扰测量[S]

[2] GB/T 6113.402-2006. 无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范 第4—2部分: 不确定度, 统计学和限值建模 测量设备和设施的不确定度[S]

[3] CNAS-GL07. 电磁干扰测量中不确定度的评定指南[L]. 2006.