开阔试验场辐射骚扰测量不确定度的评定

雷振霄

【摘要】基于30MHz一1GHz范围内在开阔试验场地（OATS）进行电场辐射骚扰测量的原理，建立起对应的不确定度分析的数学模型，详细分析了开阔试验场辐射骚扰测试的各不确定度分量，得到了实际测试中的不确定度数值。

【关键词】辐射骚扰 开阔试验场 不确定度评定

测量不确定度，从词义上理解，意味着对测量结果有效性的可疑程度或不肯定程度。当前国际上统一采用的测量不确定度的定义为：表征合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数。此参数是测量结果含有的一个参数，是表明测量结果的分散程度，可以用定量的数字描述，是一个定量的概念。测量不确定度既是衡量测量结果质量的重要参数，又是测量系统最基本也是最重要的特性指标。测量不确定度有两种表示方式：一是标准不确定度（以标准偏差表示的测量不确定度）：二是扩展不确定度，大多数情况下，推荐使用扩展不确定度。扩展不确定度是确定测量结果区间的量，合理赋予被测量之值分布的大部分可望含于此区间。为提高扩展不确定度的置信水平。通常用标准偏差的倍数表示，将合成标准不确定度也乘以包含因子后得到。扩展不确定度U表示置信水平的区间半宽度。反之，若是引用了具有给定包含因子k的扩展不确定度，就可用反向程序求得合成标准不确定度。即由扩展不确定除以相应的包含因子得到。测量不确定度通常由测量过程的数学模型和不确定度的传播律来评定。测量过程中的随机效应及系统效应均会导致测量不确定度。数据处理中的修约也会导致不确定度。测量结果的不确定度一般包含若干个分量，根据其数值评定方法的不同分为两类：由观测列统计分析所评定的不确定度称为A类评定；由不同于观测列统计分析所评定的不确定度统称为B类评定。A、B分类旨在指出评定的方法不同，只是为了便于理解和讨论，并不意味着两类分量之间存在本质上的区别。在实际评定过程中，完全可以按照方便、可靠、简单、快捷来选择所用的方法。本文所作不确定度分析评定是根据CNAS—GL07（EMC检测领域不确定度的评估指南》和JJF1059-2012《測量不确定度评定与表示》，并结合我中心EMC测试的实际情况开展的。

一、30MHz～1GHz电场辐射骚扰测量的不确定度评定

（一）30MHz～1GHz电场辐射骚扰测量原理

被测车辆工作时产生的辐射骚扰信号在空中中传播，接收天线接收到骚扰信号后，经过同轴电缆传输到EMI接收机，经数据处理后通过计算机输出。在30MHz-1GHz频率范围，电场辐射骚扰测试系统如图1进行布置。由测试布置图可知，辐射骚扰场强测试的合成不确定度主要由EMI接收机、场地、天线、天线支架及其它相关因素组成。

（二）30MHz～1GHz电磁骚扰测量不确定度评定的数学模型被测设备产生的电场辐射强度E按下式计算：

（1）

式（1）就是在开阔试验场进行30MHz～1GHz频率范围内电场强度辐射骚扰测量的数学模型。其中Vr、Lc和AF，三项是测量值，带δ的各项分别表示对这三个测量值的误差修正，也就是该测试项目不确度的来源，具体含义如下：

Vr：接收机电压读数，dBμV

Lc：天线和接收机间连接电缆的衰减量，dB；

AF：天线系数，dB/m

δAph：对天线相位中心位置的修正值dB

δAcp：对天线交叉极化响应的修正值dB

δAbal：对天线不平衡的修正值dB

δVsw：对接收机正弦波电压不准确的修正值，dB

δVpa：对接收机脉冲幅度响应不理想的修正值，dB

δVpr：对接收机脉冲重复频率响应不理想的修正值，dB

δVnf：对接收机本底噪声影响的修正值dB

δM：对天线端口与接收机之间失配误差的修正值dB

δAFf：对天线系数内插误差的修正值dB

δAFh：对天线系数随高度变化与标准偶极子天线的天线系数随高度变化之差别的修正值dB

δAdir：对天线方向性的修正值dB

δSA：对不完善的场地衰减的修正值dB

δh：对天线离地平面高度不准的修正值dB

δd：对天线与被测车辆距离测不准的修正值dB

在此数学模型中，认为各分量都是互不相关、各自独立的。对于实验室而言，着重考虑以上各项测量不确定度分量。对每个影响量Xi的估计值xi应评定其标准不确定度u（xi）（以分贝表示）和灵敏系数Ci。电场强度估计值E的合成标准不确定度如uc（E）按下式计算：

uc（E）=■

（三）30MHz～1GHz电场辐射骚扰测量不确定度评定需要考虑的分量及其说明

由于测量中导致不确定度的来源不同，在进行各不确定度分量合成之前，必须要以相同条件表示各个不确定分量。也就是说，必须在同样的置信概率下，以相同的单位给出所有不确定度分量。通常将所有的不确定度分量。以相同的置信概率换算成标准不确定度来合成。如果Xi的估计值xi分散区间的半宽度为a，且xi处于（xi-a）和（xi+a）之间的置信概率为P，通过对其分布概率的估计，可以得出xi对应的标准不确定度u（xi）=a/k，其中包含因子k取决于不确定度的概率分布和置信水平，详见表1。下面就在电场辐射骚扰评定中所涉及到各分量逐一进行分析说明。

（1）接收机读数的变化，包括测量系统的不稳定、接收机噪声以及表头刻度内插误差等因素引起。

（2）接收机与天线之间的连接电缆的衰减量的估计值，可以由校准报告获得，同时得到与其相对应的扩展不确定度和包含因子。

（3）自由空间天线系数AF的估计值以及扩展不确定度和包含因子都可以从校准报告中获得。

（4）对接收机正弦波电压准确度的修正值，可以由校准报告获得.同时得到与其相对应的扩展不确定度和包含因子。endprint

（5）接收机的脉冲响应特性的修正，如果接收机说明书没有给出类似信息，按照CISPR16-4：2002，接收机脉冲幅度响应修正值δVpa的估计值一般为0，具有半宽度为1.5dB的矩形概率分布。

（6）接收机脉冲重复频率响应的修正，如果接收机说明书没有给出类似信息，按照CISPR16-4：2002，接收机脉冲重复频率响应的修正值δVpr的估计值一般也为0，具有半宽度为1.5dB的矩形概率分布。

（7）接收机本底噪声影响的修正值δVnf，对辐射骚扰而言，修正值一的估计值为0，并具有半宽度为0.5dB的扩展不确定度，包含因子为2。

（8）天线端口与接收机之间失配误差的修正值为：

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

式中Γe是由天线的输出端口看进去的反射系数；Γr为EMI接收机的反射系数；S分别为双端口电缆的S参数。所有的参数都是针对50Ω阻抗的。由于以上参数很难实际测得。即使知道公式中所涉及的参数的模值或模值的极限值，也不可能计算出δM，但可以确定其不会超过的极限值δM±为：

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

│Γr││S11││S22│+│Γe││Γr││S212│）] （4）

对于辐射骚扰测量。一般天线的VSWR（voltage standing wave ratio电压驻波比）≤2：1，即│Γe│<<0.33，天线与接收机之间的电缆匹配良好（│S11│<<1，│S22│<<1），其衰减可忽略（│Γe│<<0.33）接收机端的VSWR≤2：1，即。通过计算得到δM+=0.90，δM-=-1.0。

δM的概率分布近似为反正弦分布。可能值的宽度不大于（δM+-δM-），其标准不确定度不大于半宽度除以■。

（9）天线系数内插误差修正值δAFf的估计值一般为0，并具有一个半宽度为0.3dB的矩形概率分布。

（10）天线系数随高度变化特性δAFh的估计值和半宽度一般包括在制造商校准报告中提供的不确度内。

（11）天线方向性的修正值，对在垂直平面具有均匀方向性图的情况，不需要修正；而对在垂直平面具有非均匀方向性图的情况。方向性影响的修正δAdir通常在0dB和+1dB之间满足矩形概率分布。

（12）天线相位中心位置修正值δAph，对双锥天线，δAph可以忽略不计；但对数周期天线δAph的估计值为0。其可能的概率分布为矩形分布。

（13）天线交叉极化响应的修正值δAcp，按照CISPR16-4，雙锥天线的交叉极化响应可以忽略不计；对数周期天线δAcp的估计值为0，并满足半宽度为0.9dB的矩形概率分布。

（14）天线不平衡的修正值δAbal的估计值为0，其概率分布和半宽度由制造商校准报告提供。

（15）不完善的场地衰减的修正值δSA的估计值通常认为是0，且满足三角概率分布，其半宽度为场地归一化衰减（NSA）值。

（16）天线与被测设备之间距离测定修正值δd最大间距允许误差限为±0.1m，其概率分布为矩形分布，由此计算出半宽度为0.3dB。

（17）天线离地平面高度不准的测定修正值δh，其修正值δh的估计值为0，服从半宽度为0.1dB的正态分布。

（四）30MHz～1GHz电场辐射骚扰测量各分量标准不确定度评定

（1）u1为接收机电压读数引起的不确定度分量：最大允许误差±0.1dB，包含因子k=1，u1=0.1 dB /1=0.10dB。

（2）u2为天线和接收机间衰减引起的不确定度分量：最大允许误差±0.1dB，包含因子k=2， u2=0.1dB/2=0.05dB。

（3）u3为超宽带天线系数引起的不确定度分量：最大允许误差±1.5dB，按矩形分布，k取■，u3=1，5dB/■=0.87dB。

（4）u4为正弦波信号引起的不确定度分量：最大允许误差±1.0dB，包含因子k=2，u4=1.0dB/2=0.50dB。

（5）u5为脉冲幅度响应引起的不确定度分量：最大允许误差±1.5dB，按矩形分布，k取■， u5=1，5dB/■=0.87dB。

（6）u6为脉冲重复率响应引起的不确定度分量：最大允许误差±1.5dB，按矩形分布，k取■， u6=1，5dB/■=0.87dB。

（7）u7为接收机本底噪声引起的不确定度分量：最大允许误差±0.5dB，包含因子k=2，u7=0.5 dB /2=0.25dB。

（8）u8为天线和接收机间失配引起的不确定度分量：可能值的宽度不大于0.9dB～-1dB，按反正弦分布布，k取■，u8=0.95dB /■=0.67dB。

（9）u9为天线系数频率内插引起的不确定度分量：最大允许误差±0.3dB，按矩形分布，k取■，u9=0.3dB/■=0.17dB。

（10）u10为天线系数高度偏差引起的不确定度分量：最大允许误差±0.3dB，按矩形分布， k取■， u10=0.3dB/■=0.17dB

（11）u11为天线方向性偏差引起的不确定度分量：误差范围（1.0-0.0）dB，按矩形分布， k取■，u11=0.5dB/■=0.29dB。

（12）u12为天线相位中心位置引起的不确定度分量：最大允许误差±1.0dB，按矩形分布，k取■， u12=1.0dB/■=0.58dB。

（13）u13为天线交叉极化引起的不确定度分量：最大允许误差±0.9dB，按矩形分布，k取■， u13=0.9dB/■=0.52dB。

（14）u14为天线交叉极化引起的不确定度分量：最大允许误差±0.3dB，按矩形分布，k取■， u14=0.3dB/■=0.17dB。

（15）u15为场地非理想性引起的不确定度分量：最大允许误差±2.3dB，按三角分布，k取■，u15=2.3dB/■=0.94dB。

（16）u16为测量距离引起的不确定度分量：最大允许误差± 0.3dB， 按矩形分布，k取■，u16=0.3dB/■=0.17dB。

（17）u17为天线高度引起的不确定度分量：最大允许误差±0.1dB，k取2，u17=0.1dB/2=0.05dB。

由此计算其合成标准不确定度为：

uc（E）=■=■=2.18

当测量结果不确定度的置信水平为95%时，对应的扩展不确定度为：

UIAR=2uc（E）=2×2.18=4.36

二、30MHz～1GHz辐射骚扰测量结果判定

对于30MHz～1GHz频率范围内。国际上通常采用CISPR16-4：2011定的辐射骚扰限值UCISPR=5.2dB。当知道测量结果的扩展不确定度ULAB后，测量结果是否通过骚扰限值，可用以下通用准则来判定：

当ULAB≤UCISPR时，如果测量的骚扰大小不超过限值，则测量结果符合标准的要求：如果测量的骚扰大小均超过限值，则测量结果不符合标准的要求。

当ULAB>UCISPR时，如果测量的骚扰值与（ULAB-UCISPR）之和不超过限值，则测量结果符合标准的要求。

如果测量的骚扰值与（ULAB-UCISPR）之和均超过限值，则测量结果不符合标准的要求。

由此可见，在我中心开阔试验场进行无线电骚扰特性测量时，只要扫描曲线低于对应的限值线，测量结果就满足标准要求。

三、结束语

测量不确定度是对测量结果的质量的定量评定。以测量不确定度理论为基础，结合各种工程机械、大型车辆的开阔试验场电磁骚扰测试方法，分析评定了30MHz～1GHz频率范围内电磁骚扰测量的不确定度。endprint