如何利用场地校准减少轨道交通车辆现场EMI测试的误差

陈宁　邢亮

内容提要：本文以大型工业设备中最有代表性的轨道交通设备为例，探讨了依据现有国际和国家标准开展的轨道交通列车和整车的原有射频电磁骚扰在空旷地域开展测试的方法可否移植到车辆测试厂房内进行。然后有针对性的对有轨电车采用室内测试方法的优势和劣势进行了分析，并提出了利用场地校准的方法来弥补室内测试方法会存在的不足。

关键词：轨道交通 列车和整车 射频电磁骚扰 现场测试 现场校准

0. 引言

所谓大型工业设备（轨道交通设备）的电磁兼容试验特殊性，一般来说是由于其不方便进入电波暗室的尺寸造成的，但是实际上很多A类（参照GB 4824-2019第5.3条定义）医疗电气设备其功能特殊性（如需引入和输出纯净水或特殊高压气体）也是其不能进入开阔场完成電磁辐射骚扰检测的重要原因之一。如果将轨道交通设备布置到位后的整个系统视作被测物，要具备如此大的实验室来进行标准电磁兼容实验，需要投入的成本将十分高昂。

仪器校准的目的本来是想透过调整来消除被校准的检测装置在准确度方面的任何偏差。被用于现场检测的仪器一般是被送至标准试验室环境中进行逐个校准，一般情况下各自误差都会在允许范围之内，但是在测试现场将其整合之后所搭建的测试系统的误差是否就是简单地一个“合”的概念呢？再加上，离开了标准试验环境后，外界带来的测量结果不确定度究竟怎么评？又是一个对测试结果质量有追求的检测机构最头疼的问题。

针对上述情况，本文论述了一种对辐射发射测试系统和现场测量环境进行实地校准的方法，采用了直接缩短溯源链和替代发射信号的方法，来达到减少不确定度评定过程中需要引入的量，并把由测试环境造成的电磁波干涉和衍射误差也一并修正的目的，最终将现场辐射发射测试结果的主要误差修正到只与标准信号发生器这一独立仪器相关。

1.对测试仪器开展现场校准的目标

如引言中提到的，现场测试结果总是有些不讨喜的地方，但是开展现场测试又不能避免。依照我国现有国情，大型工业设备（轨道交通设备）都会被部署在城市居民、商业和工业集中区域，而这些大型工业设备，特别是轨道交通设备还会密集穿行在城市的人员活动密集区域。该区域不用于城市郊区，所谓无线电干扰背景除了调频广播和移动电话通讯以外，还有来自短距离无线数据网络、安防对讲机、出租车通讯电台、中远距离无线遥控设备和无法避免的非法干扰源。

国际无线电干扰特别委员会虽然在CISPR 11对工业，科学和医疗（ISM）设备指出了如何在非标场地进行，其对应国标GB 4824中也同样给出了现场测试的方法和限值等信息，实际用于对轨道交通电气设备电磁兼容项目进行检测的标准恰逢新发布的GB/T 24338.1-2018《轨道交通 电磁兼容 第1部分：总则》、GB/T 24338.2-2018《轨道交通 电磁兼容 第2部分：整个轨道系统对外界的发射》、GB/T 24338.3-2018《轨道交通 电磁兼容 第3-1部分：机车车辆 列车和整车》和GB/T 24338.4-2018《轨道交通 电磁兼容 第3-2部分：机车车辆 设备》正式实施，所以对大型工业设备中最有代表性的轨道交通设备给出了从部件到整车、从单体到系统的全面测试方案。上述标准介直接引用GB 4824作为基础方法标准进行现场测试依据。但是在实际测试过程中，即便是有了标准依据，即便是忽略现场布置过程的繁杂和仪器搬运的消耗，我们的检测工程师们还是不喜欢所谓的“现场测试”，因为其结果相较于电波暗室来说会增加很多“可疑之处”。相较于电波暗室来说，测试现场有无法预见的背景干扰，不同于电波暗室有吸波材料来抑制无线电波反射的干涉和衍射，测试现场的无线电测试环境可以说是杂乱无章，正如图1中所表示的，测量结果的不确定度来源太多造成了想使用现场测量检品的真实辐射发射值难上加难。

轨道交通设备电磁兼容检测在我国设定标准已超过10年，但是真正全面铺开执行时间并不长，随着相关法规执行力度的加强和相关企业对自身产品质量要求的进一步提高，针对轨道交通产品的电磁兼容检测的严肃性和复杂性将驱使检测数据与系统误差和测量不确定度更紧密的结合。

我们了解误差来源之后，也就明白了为什么我们的测试设备或系统一定要在测试现场做一个系统性的校准。虽然EUT（被测物）自身的不确定性可以通过多次测量来找寻折中结果，但是现场测试过程中的布置是不可能完全按照标准来进行的，至于测量设备和设施和试验场地的性能是息息相关的，最后环境带来的影响，特别是现场电磁环境、温湿度和空气质量也是造成无线电信号测试结果不准确的干扰来源。要解决这些问题就要将我们的检测系统放置在测试现场，按照测试现场的布置、场地和环境来校准以消除引入误差。

2. 对测试仪器开展现场校准的技术方法

执行现场校准的必要性等到证明后，我们还需要一套简单、易行的方法，如果现场校准方法仅停留在理论层面，不具备可操作性和实用性，是不会对检测人员有帮助的。

造成无线电干扰试验结果在测试现场发生系统性误差的原因主要有以下几点：第一、在我们的测试频率段之内有较大干扰信号在持续发送，测试现场无线电环境背景不佳，造成测试结果真实性较低;第二、测试现场可以造成无线电发射的金属器件较多，且摆放无序，我们的测试结果被无线电及其反射波的干涉和衍射放大或减小了，造成测试结果误差较大;第三、测试现场空气质量、温湿度等自然环境波动范围较大，空气中的固体和水分子等颗粒加大了无线电波的衰减，造成测试结果偏小于真值等。

现场校准目的就是要提出会引起测量误差的干扰。我们采取的方法其实很直观，就是在测试现场利用一个只和最高基准溯源的信号发生器，它的信号发射值一定要在最高计量单位进行校准，将其紧贴被测物外立面（被测物暂不通电工作），并在测试频率段内不间断的发送稳定的信号，假定这个信号发生器的发射值可以参考为基准值，此时在测试距离上已完成布置的测试系统（图2）所接收到的值和信号发生器的发射值之差就是在测试现场需要修正的误差值。下面我们可以分别通过数学和计算机程序两种方法来直观呈现：

2.1数学模式

——公式1

公式1中Fstar和Fend分别是测试的开始与终止频率点，n+1为全部测试的频率点数（此处按照1%步进计算频率点，且不存在第零点，取样点不能少于测试频率点），f（n）是信号发生器与国家基准溯源后的发射值，ff（n）是信号发生器在现场被测量得到的发射值，F为测试现场各对应频率点的校准结果。实际情况中需要注意的是，在测试现场测量系统与被测物直接的距离一定要与信号发生器溯源时保持一致，也就是说信号发生器如果在国家计量院溯源时的测试距离是3m、10m甚至30m，那么在进行现场测试的过程中，我們的天线尖端也要和被测物的外扩保持对应距离。F是一个数学集合，其元素个数与试验频率点个数保持一致，可被视作天线系数或线缆系数添加在测量接收机中。

2.2计算机程序模式

F_star=30;

F_end=1000;

n=ceil（log（F_end/F_star）/log（1.01））+1;

i=0;

Frequency_list=F_star;

for i=1：n

Frequency_list（i）=F_star*（1+0.01）^（i-1）;

end

Original_Signal=xlsread（'Signal_Generator.xls'）;

Receiver_data=xlsread（'data.xls'）;

cali_data=Original_Signal-Receiver_data;

xlswrite（'C：＼Rohde & Schwarz＼EMC32＼Correction.xls'，data，'cali_data'）;

程序编写的依据是数学关系，因为常用接收机操作软件能导入的参数类型一般都是excel的xls或xlsx格式，所以当工程师依照个人习惯利用不同语言编写程序时，请一定要将运算后的数据保存成excel可识别格式。

3. 总结

理论上来说现场校准会增加检测人员在现场停留的时间，会增加现场测试的时间成本，但是其测试结果对检品来说会相对公平一些。检品的辐射发射值，特别是在进行100MHz以上频率段测试的过程中，该频率范围内波长较短，就算可以人为消除周边FM调频广播、WIFI数据通讯、对讲机通讯和移动电话通讯等干扰频率，100MHz以上无线电波波长均在3m以内，在10m甚至30m的测试距离内，因为没有了电波暗室的吸波功能，如果遭遇环境引起的无线电波干涉或衍射，其波峰或者波谷的叠加和抵消很有可能会出现很多次，那么只会造成测试结果的倍增和倍减。如果遇到倍增，那么检品辐射发射值超过限值被判定不合格，对企业来说是不公平的。如果遇到无线电波干涉造成了测试值偏低，那么对周边其他设备或人员活动来说这个电磁环境就不够公平了，因为大家很有可能被这个“合格品”干扰了，不能正常工作。

从现场测试的常见问题来分析，其实现场校准的性价比是很高的，其关键在于作为模拟基准的信号发生器一定要送至最高计量机构进行校准，一般来说可以将中国计量科学研究院的开阔场认定为辐射发射测试的基准，如果有这样的校准结果，测试结果的质量和可行度都会比较高，也更方便检测人员对于检品的无线电辐射在各频率点的发射值进行合格判定。

参考文献

[1]GB/T 6113.203-2016，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/Z 6113.401-2018，无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范 第4-1部分：不确定度、统计学和限值建模标准化的EMC试验不确定度[S].

[3]GB 4824-2019，工业、科学和医疗（ISM）射频设备骚扰特性 限值和测量方法[S].

[4] GB/T 24338.1-2018《轨道交通 电磁兼容 第1部分：总则》[S].

[5] GB/T 24338.2-2018《轨道交通 电磁兼容 第2部分：整个轨道系统对外界的发射》[S].

[6] GB/T 24338.3-2018《轨道交通 电磁兼容 第3-1部分：机车车辆 列车和整车》[S].

[7] GB/T 24338.4-2018《轨道交通 电磁兼容 第3-2部分：机车车辆 设备》[S].

[8]李高升，林成龙，迟名远，刘培国.基于现场测试数据的电磁兼容模型综合方法[J].微波学报，2016，32（2）：77-83.

基金项目：2018KJJH03