动车组、电力机车及地铁列车的电磁骚扰发射测试系统不确定度研究*

苏发明，余 俊，黄 金，陈焕玉，王延哲

（1 动车组和机车牵引与控制国家重点实验室， 北京 100081；2 北京纵横机电科技有限公司， 北京 100094；3 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所， 北京 100081）

在电磁兼容检测领域，不确定度用于表征测试结果的离散程度，是反映电磁检测系统测试质量的参数。文献［1］以变流器技术国家工程研究中心电磁兼容实验室为例，介绍了辐射发射场强测量不确定度的评定方法和计算。文献［2］阐释了3 米法半电波暗室内30 MHz～1 GHz 辐射发射的不确定度评定方法和步骤。文献［3］介绍了天线校准测试地点和方法，分析了宽频带天线校准系统的不确定度。文献［4］开展了动车组、机车及地铁整车对外电磁骚扰的特性研究，对比分析了各型车的射频数据，但未提供不确定度的数值范围。目前业界对于辐射发射系统的不确定度研究都集中在实验室，对于外场测试条件下的辐射发射系统不确定研究尚未显现，故文中对这方面进行了探索，对于动车组电磁兼容测试的准确性提升有重要现实意义。

1 动车组、电力机车及地铁列车射频发射测量

1.1 测试系统

试验时，天线架设于距离轨道中心10 m 处，如图1 所示，30 MHz～1 GHz 的辐射发射测试，包括R&S 公司HK116 型双锥天线以及HL223 型对数周期天线（天线离地面高度为2.5～3.5 m）。接收机采用R&S 公司的ESR7 型EMI 认证级接收机。

图1 动车组辐射发射系统布局图

1.2 测试方法

不同工况下的测试方法如下：

（1）静态工况：动车组上的辅助系统正常工作，辅助负载处于运行模式，本工况以准峰值模式检波。

（2）动态工况：动车组以速度为40～60 km/h 运行，当列车经过测试天线时，应发挥约最大牵引或电制力的1/3［5］。本工况以峰值模式检波，从动车组车头对准天线至车尾通过天线为1 个频段的测试范围。

1.3 不确定度要求

在认证过程中，辐射发射测试需要与标准规定的限值进行比对。各检测实验室应根据设备特性、校准证书、已知或估计的概率分布和测量步骤等实际情况来评定实验室的B 类扩展不确定度Ulab。判定被试设备是否符合标准规定的骚扰限值，与不确定度的大小直接相关。CISPR 16-4-2 推荐UCISPR值［6］，即假设实验室设备都符合CISPR 16-1的要求而评定出的B 类扩展不确定度值。

假如Ulab≤UCISPR：标准规定的限值不变。

假 如Ulab＞UCISPR：标 准 规 定 的 限 值 下 调（Ulab-UCISPR）。

由于辐射发射测试的频率分布在一个或多个频域区间，有时可能出现某一项占支配地位的不确定度分量在整个频率范围内变化很大，有的频段很高，有的频段很低，这时可考虑分频段评定各自的不确定度。

2 动车组射频发射系统测试不确定度评定

2.1 数学模型

辐射发射测量的影响因素包括接收机、天线、场地、线缆衰减、阻抗匹配、相对位置等，场强值E受到以下19 个量值的影响，见式（1）：

式中：Vr为接收机读数；ac为天线至接收机衰减；Fa为双锥天线因子（或对数周期天线因子）；δVSW为正弦波电压；δVPa为脉冲幅度响应；δVPr为脉冲重复率响应；δVnf为噪声本底接近度；δM为天线至接收机失配；δFaf为天线因子频率内插；δFah为天线因子高度偏差；δFadir为方向性差别；δFaph为相位中心位置；δFacp为交叉极化；δFabal为天线平衡；δAN为场地不完善；δANT为桌面材质影响；δd为间距；δh为桌子高度；δEamb为环境噪声对开阔场的影响。

2.2 不确定度的确定

根据动车组射频发射外场测试的具体条件，对每一个影响因子的不确定度评定分析。

接收机读数Vr：其不确定度由北京无线电计量测试研究所提供，查校准证书，概率分布函数k=1，扩展不确定度为0.05 dB，则标准不确定度为±0.05 dB。

天线至接收机衰减ac：概率分布函数k=2，扩展不确定度0.1 dB，则标准不确定度为±0.05 dB。

双锥天线因子Fa（或对数周期天线因子）：其不确定度由北京无线电计量测试研究所提供，查校准证书，概率分布函数k=2，双锥天线和对数周期天线扩展不确定度都为1.7 dB，则标准不确定度为±0.85 dB。

正弦波电压δVSW：查校准证书，概率分布函数k=2，扩展不确定度为0.6 dB，则标准不确定度为±0.3 dB。

脉冲幅度响应δVPa：查校准证书，概率分布函数为矩形分布，扩展不确定度为0.5 dB，则标准不确定度为±0.29 dB。

脉冲重复率响应δVPr：查校准证书，概率分布函数为矩形分布，扩展不确定度为0.1 dB，则标准不确定度为±0.06 dB。

噪声本底接近度δVnf：1 台CISPR 接收机的本底噪声与接近限值的射频骚扰幅值相比，量值差距极大，可简化忽略［6］。

天线至接收机失配δM：概率分布函数为U 型分布，扩展不确定度为0.9 dB，则标准不确定度为±0.67 dB。

天线因子频率内插δFaf：查产品手册，概率分布函数k=2，扩展不确定度为0.5 dB，则标准不确定度为±0.25 dB。对于正好在校准频率点上的天线系数，不必考虑修正值。

天线因子高度偏差δFah：概率分布函数为矩形分布，扩展不确定度为0.1 dB，则标准不确定度为±0.06 dB。

方向性差别δFadir：在3 m 和10 m 间距的情况，认为垂直极化双锥天线和水平极化或垂直极化的对数周期天线都需要高达+1 dB 的修正值δFadir，不确定度按0 dB 考虑。

相位中心位置δFaph：对数周期天线的相位中心与测试频率相关，对数周期天线δFaph扩展不确定度为0.3 dB，服从矩形分布，则标准不确定度为±0.17 dB。

交叉极化δFacp：双锥天线的交叉极化响应是可以忽略的。对于对数周期天线δFacp扩展不确定度为0.9 dB，服从矩形分布，则标准不确定度为±0.52 dB。

天线平衡δFabal：不确定度按0 dB 考虑。

场地不完善δAN：CISPR 16-1 标准给出的场地不理想允许误差限为±4 dB，如果其小于4 dB，修正值δSA的估计值可以取0。但是，实际测试场地（北京环行铁道试验基地）一般都存在场地尺寸不足及反射物的影响。文献［7］建立了高速铁路环境电磁兼容测试场地衰减的理论模型，并对实际场地的衰减进行了测试，试验结果和仿真结果比对表明，场地衰减最大差值为0.74 dB，对于场地不完善，扩展不确定度为4.74 dB，服从三角分布，则标准不确定度为±1.92 dB。

间距δd：天线与动车组测试距离为10 m。如测试误差为0.1 m，则引起接收机信号强度误差为±20 lg（10.1/10）= ±0.09 dB，服从矩形分布，则标准不确定度为0.06 dB。

桌子高度δh：桌子高度不为0.8 m 时也会影响不确定度。概率分布函数为矩形分布，扩展不确定度为0.1 dB，则标准不确定度为±0.05 dB。

2.3 外场试验环境噪声影响分析

环境噪声对实际测试场地的影响为δEamb，在实际动车组射频辐射发射测试中，如果某一频率或某一频段的环境噪声低于限值6 dB 以上时，则这些频率的测试结果可以不考虑背景噪声的影响，并在测试报告中注明这些频率点［5］。那么，考虑在评定过程中最恶劣的环境噪声情况，即环境噪声电平恰好比限值小6 dB，假设天线处接受到的信号总功率为P，该功率值由2 部分组成，一部分来自于被试动车组的射频骚扰Ps；另外一部分就来自动车组运行环境的电磁噪声Pa，也就是说，测试时观察到的动车组实际射频骚扰是二者之叠加，其关系为式（2）：

由于EMI 接收机的输入阻抗为50 Ω，则接收天线处总压电场强度为式（3）：

式中：E为接收天线处总的电场强度；Es为动车组射频骚扰电场强度；Ea为动车组运行环境电磁噪声的电场强度。

当环境电磁噪声比限值小6 dB 时，且对于幅值刚好处在限值水平上的动车组电磁骚扰，即有式（4）：

式中：Us、Ua单位为dB。

实际射频电平信号U（μV）与电平U（dB）的关系为对数，分别为式（5）、式（6）：

刚达限值的总辐射值为环境噪声的2 倍。

因为有式（7）、式（8）：

测量误差为式（9）：

取k=1，在环境噪声最恶劣时，环境噪声对北京环行铁道试验基地测试的影响δEamb的标准不确定度为0.97 dB。

2.4 合成不确定度的确定

根据数学模型和各参数的分析结果，30 MHz～200 MHz 水平极化辐射骚扰测量的不确定度见表1，20 MHz～1 GHz 水平极化辐射骚扰测量的不确定度见表2。

表1 双锥天线在10 m 距离上，30 MHz～200 MHz 水平极化辐射骚扰测量的不确定度(灵敏系数Ci=1)

表2 对数周期天线在10 m 距离上，200 MHz～1 GHz 水平极化辐射骚扰测量的不确定度(灵敏系数Ci=1)

当全部输入量Xi相互独立时，合成标准不确定度Uc（y）可表示为式（10）：

文献［8］对于开阔场或替代场地，不要求考虑环境噪声的影响，经计算双锥天线与接收机组成的测试系统Uc（y）1=2.16 dB。

不考虑环境噪声的影响，经计算对数周期天线与接收机组成的测试系统Uc（y）2=2.17 dB。

文献［6］要求考虑环境噪声的影响，加入环境噪声影响因子δ Eamb的不确定度计算值，经计算双锥天线与接收机组成的测试系统Uc（y）3=2.37 dB。

经计算对数周期天线与接收机组成的测试系统Uc（y）4=2.37 dB。

2.5 扩展不确定度的确定

计算合成不确定度Uc（y）之后，得到扩展不确定度Ulab为式（11）：

式中：k为包含因子。

一般实验室都取k=2，置信概率95%，则不考虑环境噪声影响的情况下Ulab=4.32 dB（双锥天线），Ulab=4.34 dB（对数周期天线天线）。取2 位有效数字，对数周期天线和双锥天线与接收机组成的动车组辐射发射测试系统的Ulab=4.3 dB。

考虑环境噪声的影响，系统Ulab=4.74 dB；取2位有效数字，对数周期天线和双锥天线与接收机组成的动车组辐射发射测试系统的Ulab=4.7 dB。

3 结 语

通过对动车组辐射发射测试系统场强值影响因子的分析评估，充分考虑到测试时最恶劣情况下背景噪声的影响，利用辐射发射不确定度数学计算模型，计算出动车组辐射发射测试系统的扩展不确定度Ulab=4.7 dB，小于CISPR 16-4-2 规定的开阔场或替代场地UCISPR不超过5.1 dB 的要求，计算结果表明，本测试系统无需修正即可给出动车组对外射频骚扰试验的符合性结论。