城市轨道交通车辆辐射电磁骚扰试验不确定度研究

郝宏海、杨智勇、马振元、孙高阳、邓昊天

(辽宁省交通高等专科学校，辽宁沈阳 110122)

0 引言

随着我国轨道交通的不断发展，人们越来越重视城市轨道车辆的电磁兼容性问题，各主机厂也越来越注重车辆的电磁兼容性测试，尤其是射频电磁骚扰是否达到相关标准要求。射频电磁骚扰试验的目的是考核列车整车150kHz-1GHz 范围内辐射发射是否满足标准要求。在射频电磁骚扰试验中，试验场地、试验设备对试验结果的影响十分显著，因此对射频电磁骚扰试验的不确定评定就变得十分有意义。

1 测试原理方法

轨道交通车辆射频电磁骚扰试验，由于需要在现存铁路环境下进行，选择的测试现场地应尽可能满足“自由空间”的要求。测试点附近不应有树木、围墙、桥梁、隧道或汽车等，同时应避免在高架间断处、变电站、变压器、功率电缆、地下电缆、分段绝缘器等处。在同一区间或测量点附近不应有其他行驶铁路车辆。测试分为静态、慢行两种模式。静态试验过程中，动车辅助变流器工作，牵引变流器上电但不工作；拖车辅助变流器、电池充电器工作；开启车辆上所有能够产生辐射发射的电气系统，天线应对准每节车中心线或可能产生最大辐射发射的设备处。慢行试验过程中，牵引变流器及辅助变流器（辅助变流器全负荷）上电工作，开启车辆上所有能够产生辐射发射的电气系统，经过天线时列车以约1/3 最大牵引力加速或减速。运行速度范围为20±5km/h。由于《无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范》（GB/T 6113.402—2018）中并未对150～30MHz 的辐射发射不确定度进行要求，因此只考虑30～1GHz 辐射发射测试。接收天线正对待测车辆所在轨道，天线中心距离轨道平面高3m，天线面距离轨道中心10m，通过同轴电缆与接收机相连，试验布置试验现场环境、辐射发射试验配置，如图1、2所示。

图1 试验现场环境

图2 辐射发射试验配置

2 不确定度定义

不确定度是与测量结果有关的参数，用来表征合理地赋予被测量的值的分散性，它是由所有与测量设备和设施相联系的有关的影响量引起的[1]。根据评定方法不同，分为A 类评定和B 类评定。A 类评定用数学统计分析的方法，对在规定测量条件下测得的量值，进行测量不确定度分量的计算和评定；B 类不确定度是用试验或其他信息来估计，例如测量数据、校准证书、测试报告、生产厂的说明书等，含有主观鉴别的成分[2]。

不确定度的评定方法有很多种，使用最多的是测量不确定度指南中的方法，简称GUM 法。不确定度评定所采用就是GUM 法。用GUM 法评定测量不确定度的一般流程如图3[3]。

图3 用GUM 法评定测量不确定度的一般流程

3 测试模型建立

A 类标准不确定度计算方法为：

B 类标准不确定度计算方法为：

式（3）中：a为被测量可能值区间的半宽度，k为包含因子。

开阔场辐射电磁骚扰电场强度不确定度测量模型为：

式（4）中：E为骚扰电磁强度，Vr为接收机读数，ac为天线与接收机间的修正，Fa为天线系数，δVsw为接收机正弦波电压的修正，δVpa为接收机脉冲幅度响应的修正，δVpr为接收机脉冲重复频率响应的修正，δVnf为接收机本底噪声影响的修正，δM为天线与接收机间失配误差，δAFaf为天线系数频率内插的修正，δAFah为天线系数高度偏差的修正，δFadir为天线方向性的修正，δFaph为天线相位中心位置的修正，δFacp为天线交叉极化的修正，δFabal为天线不平衡的修正，δAN为场地不完善的修正，δd为测试距离的修正，δh为轨道高度的修正，Eamb为对OATS 处所环境噪声影响的修正。

4 不确定度评定

4.1 A 类不确定度评定

接收机的读数Vr的变化，主要由于重复性操作下测试系统的不稳定和人为因素引起的，应采用A 类测量不确定度的评定方法。被测物选择某城市地铁车辆，按照标准要求水平和垂直极化方向各进行5 次峰值测量，选择频率100MHz 和800MHz 进行评估，测量数据见表1 接收机读数。

表1 接收机读数

根据公式（1）（2）计算得出接收机的读数不确定度，如表2所示。

表2 接收机读数不确定度

4.2 B 类不确定度评定

4.2.1 接收机和天线间路径衰减量不确定度

接收机与天线之间由一根同轴电缆相连，因此该部分不确定度仅由接收机与天线间线缆损耗决定。使用矢量网络分析仪测量此部分同轴电缆损耗ac，稳定性非常好，多次测量结果均相同，但受测量设备精度限制，同轴电缆损耗精确到0.01dB，且ac服从均匀分布，因此电缆损耗的标准不确定度为u(ac)=0.003dB。

4.2.2 天线系数引入的不确定度

天线系数的不确定度由校准证书中获得，双锥天线系数半宽度a=1.9，对数周期天线系数半宽度a=1.9，且k=2，因此双锥天线系数标准不确定度u(Fa1)=0.95，对数周期天线系数标准不确定度u(Fa2)=0.95。

4.2.3 接收机的修正引入的不确定度

接收机在处理数据的过程中，由于自身原因会引入一定的不确定度，主要包括：正弦波电压修正δVsw，脉冲幅度响应修正δVpa，脉冲重复频率响应修正δVpr，噪声本底接近度修正δVnf，上述所有不确定度可从接收机校准证书中得到。

正弦波电压修正的扩展不确定度为0.6dB，包含因子k=2，则u(δVsw)=0.3dB。

脉冲幅度响应修正的扩展不确定度为0.3dB，包含因子k=2，则u(δVpa)=0.3dB。

脉冲重复频率响应修正的扩展不确定度为0.6dB，包含因子k=2，则u(δVpr)=0.3dB。

噪声本底接近度修正的扩展不确定度为0.1，包含因子k=2，则u(δVnf)=0.05。

4.2.4 天线与接收机失配引入的不确定度

接收机、同轴电缆、天线路径阻抗不能完全匹配，需要对测试结果进行修正，不确定度可以由电缆两端的反射系数通过式(5)计算得出，

式（5）中：Γe为天线的反射系数，Γr为接收机的反射系数，其不确定度符合U 形分布，天线与接收机失配引入的扩展不确定度为u(δM)=0.67dB。

4.2.5 天线修正引入的不确定度

天线系数频率内插误差修正δAFaf，天线系数高度偏差的修正δAFah，天线方向性差异的修正δFadir，天线相位中心位置的修正δFaph，天线交叉极化的修正δFacp，天线不平衡的修正δFabal等天线修正引入的不确定度，从保守的角度考虑，可以从《无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范》中选取参照值，天线修正引入的不确定度如表3所示。

表3 天线修正引入的不确定度（单位：dB）

4.2.6 场地修正引入的不确定度

对于场地修正引入的不确定度，主要考虑不理想归一化场地衰减的修正δAN，天线与列车间测量距离不准确的修正δd，轨道高度测量不准确的修正δh。

场地不理想引入的不确定度，取不确定度±4dB，服从三角分布，则u(δAN)=1.63dB。

由测试距离测量不确定度，取不确定度±0.1dB，服从矩形分布，则u(δd)=0.06dB。

由轨道高度测量不确定度，取不确定度±0.1dB，包含因子k=2，则u(δh)=0.05dB。

4.2.7 OATS 环境噪声引入的不确定度

对OATS 处环境噪声影响的修正不确定度，取不确定度±4dB，包含因子k=2，则u(δEamb)=2dB。

4.3 合成不确定度与扩展不确定度

合成标准不确定度可由式（6）计算得出。

由于选定的A 类不确定度和B 类不确定度相互独立，因此计算得合成标准不确定度，如表4 不确定度计算所示。

根据合成标准不确定度和包含因子k，通过式（7）可以计算出扩展不确定度

取k=2(对应95% 的置信水平)，则计算出的扩展不确定度，如表4 不确定度计算所示。

表4 不确定度计算（单位：dB）

根据《无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范》中的要求，辐射骚扰(在OATS 或SAC 测量的电场强度)30～1000MHz 的不确定度为UCISPR=6.3dB，因此此次城市轨道交通车辆辐射电磁骚扰试验不确定度判定为合格。

5 结语

对城市轨道交通车辆辐射电磁骚扰试验的不确定度进行了研究，并以某地铁车辆为被测对象，进行了合成标准不确定度以及扩展不确定度的评定。影响150kHz-1GHz 辐射电磁骚扰试验结果的因素非常多，对不确定度评定也相对复杂，该次研究对表明城市轨道交通车辆辐射电磁骚扰试验的结果质量、试验比对等有着较大的意义。