半電波暗室中的EMI輻射騷擾試驗(yàn)測(cè)量不確定度分析與評(píng)定

李建明，王 巍，肖 鵬，馬軻灜，鐘國(guó)林

（中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院，四川 成都 610021）

0 引言

輻射騷擾主要是指騷擾能量以電磁波形式由騷擾源發(fā)射到空間或以電磁波形式在空間傳播的現(xiàn)象。由于30～1000MHz高頻電磁場(chǎng)的發(fā)射與接收完全是以空間直射波與地面反射波在接收點(diǎn)相互迭加的理論為基礎(chǔ)的，開闊試驗(yàn)場(chǎng)是重要的電磁兼容測(cè)試場(chǎng)地。但開闊試驗(yàn)場(chǎng)造價(jià)高并遠(yuǎn)離市區(qū)（背景噪聲電平大而影響EMC測(cè)試），使用不方便，而由電波暗室替代進(jìn)行測(cè)試[1]。半電波暗室和微波電波暗室不同，半電波暗室五面貼吸波材料，主要模擬開闊試驗(yàn)場(chǎng)地，即電波傳播時(shí)只有直射波和地面反射波。在電波暗室內(nèi)進(jìn)行輻射騷擾實(shí)驗(yàn)時(shí)，結(jié)果的不確定度是不可忽視的。

1 不確定度與誤差以及不確定度基本概念

用傳統(tǒng)方法對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行誤差評(píng)定主要遇到兩個(gè)問題，第一邏輯概念不清，真值無法得到，因此嚴(yán)格意義上的誤差也無法得到，能得到的只是誤差的估計(jì)值，誤差的概念只能用于約定真值的情況。第二評(píng)定方法不一致，隨機(jī)誤差和系統(tǒng)誤差是兩個(gè)性質(zhì)不同的量，前者用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示，后者則用可能產(chǎn)生的最大誤差表示。在不同領(lǐng)域中采用的方法也不完全相同。為了避免用“誤差”的概念表述測(cè)量結(jié)果可能引起的問題，“不確定度”作為取代傳統(tǒng)誤差表示體系被提出來，它是表征合理地賦予被測(cè)量之值的分散性，與測(cè)量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)。測(cè)量不確定度由多個(gè)分量組成。其中一些分量可用測(cè)量列結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分布估算，并用實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差表征。另一些分量則可用基于經(jīng)驗(yàn)或其它信息的假定概率分布估算，也可用標(biāo)準(zhǔn)差表征。于是，測(cè)量結(jié)果理解為被測(cè)量之值的最佳估計(jì)，而所有的不確定度分量均貢獻(xiàn)給了分散性，包括由系統(tǒng)效應(yīng)引起的分量。測(cè)量不確定度是表征測(cè)量系統(tǒng)的重要特性指標(biāo)，是測(cè)量結(jié)果質(zhì)量的定量表征[2]。測(cè)量誤差與不確定度的主要區(qū)別總結(jié)如表1所示。

要計(jì)算測(cè)量不確定度，首先必須識(shí)別測(cè)量中的不確定度來源。然后必須估計(jì)出每個(gè)來源的不確定度大小。最后把各個(gè)不確定度合成以給出總不確定度。有一些明確規(guī)則用于評(píng)定各項(xiàng)不確定度的貢獻(xiàn)，以及如何將它們合成在一起。

表1 測(cè)量誤差與不確定度的主要區(qū)別

2 電波暗室中電磁騷擾不確定度評(píng)析

2.1 輻射騷擾系統(tǒng)布局

本文對(duì)電波暗室內(nèi)進(jìn)行的輻射騷擾試驗(yàn)的不確定度分析是根據(jù)CNAS-GL07《電磁干擾測(cè)量中不確定度的評(píng)定指南》中的方法并結(jié)合自身試驗(yàn)室的實(shí)際情況，對(duì)主要被試設(shè)備（EUT）如信息技術(shù)設(shè)備和工科醫(yī)類設(shè)備在0.03～1 GHz頻段范圍內(nèi)的輻射騷擾電場(chǎng)進(jìn)行討論，并詳細(xì)描述了其中普遍存在的幾個(gè)B類不確定度分量情況。

對(duì)于信息技術(shù)設(shè)備，按照GB 9254-2008《信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測(cè)量方法》的要求進(jìn)行試驗(yàn)，使用復(fù)合天線測(cè)量被試設(shè)備（EUT）工作時(shí)向外輻射產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度，然后通過測(cè)量接收機(jī)進(jìn)行分析和計(jì)算，最終得到準(zhǔn)峰值的測(cè)量結(jié)果。試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)布置如圖1所示。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在不同距離d1，d2進(jìn)行測(cè)量時(shí)，輻射騷擾限值可以根據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算。

圖1 電波暗室中輻射騷擾試驗(yàn)布置圖

式中：L1——距離d1處規(guī)定的限值，μV/m；

L2——距離d2處規(guī)定的限值，μV/m。

2.2 輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量的數(shù)學(xué)模型與分析

輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)E由接收機(jī)讀數(shù)Vr、連接網(wǎng)絡(luò)的衰減量Lc、天線系數(shù)AF及測(cè)量系統(tǒng)的其他影響量組成，計(jì)算公式為

式中：Vr——接收機(jī)讀數(shù)，dB（μV/m）；

Lc——復(fù)合天線和接收機(jī)間連接網(wǎng)絡(luò)的衰減量，dB；

AF——天線系數(shù)，dB（/m）；

δVsw——接收機(jī)正弦波電壓不準(zhǔn)確的修正值，dB；

δVpa——接收機(jī)脈沖幅度響應(yīng)修正值，dB（如果加到檢波器的干擾信號(hào)為連續(xù)波信號(hào)，則不必考慮脈沖響應(yīng)修正）；

δVpr——接收機(jī)脈沖重復(fù)頻率響應(yīng)修正值，dB；

δVnf——接收機(jī)本底噪聲修正值，dB；

δM——復(fù)合天線的接收機(jī)端口與接收機(jī)之間失配誤差的修正值，dB；

δAFf——天線系數(shù)內(nèi)插誤差的修正值，dB；

δAFh——天線系數(shù)隨高度變化與標(biāo)準(zhǔn)偶極子天線的天線系數(shù)隨高度變化之差別的修正值，dB；

δAdir——天線方向性的修正值，dB；

δAph——天線相位中心位置的修正值，dB；

δAcp——天線交叉極化響應(yīng)的修正值，dB；

δAbal——天線不平衡的修正值，dB；

δSA——不完善的場(chǎng)地衰減的修正值，dB；

δd——天線與被測(cè)件間距離測(cè)不準(zhǔn)的修正值，dB；

δh——桌面離地面高度不適當(dāng)?shù)男拚担琩B。

輸入量中接收機(jī)讀數(shù)不確定度評(píng)定采用A類評(píng)定方法，即Vr的估計(jì)值是很多讀數(shù)的平均值，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差。其余分量如輸入量的接收機(jī)正弦波電壓、脈沖幅度、脈沖重復(fù)頻率和本底噪聲影響等因素的不確定度均可以由校準(zhǔn)證書獲得，或基于經(jīng)驗(yàn)從統(tǒng)計(jì)分布估算，或從保守角度出發(fā)取文獻(xiàn)[3]中的參照值。本文著重闡述復(fù)合天線的接收機(jī)端口與接收機(jī)之間失配誤差的影響。

復(fù)合天線的接收機(jī)端口（由一根電纜、衰減器、衰減器和電纜的串聯(lián)組成）連接到一個(gè)兩端口網(wǎng)絡(luò)的一端口上，其反射系數(shù)為T1；測(cè)量接收機(jī)的一端連接到反射系數(shù)為T2的另一端口上，兩端口網(wǎng)絡(luò)用S參數(shù)表征[4]，如圖2所示。

圖2 兩端口網(wǎng)絡(luò)示意圖

失配誤差的修正值為

當(dāng)只知道這些參數(shù)的模值時(shí)，是無法計(jì)算δM值的，但可確定其不會(huì)超出極限值δM±：

輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量時(shí)，假設(shè)天線的技術(shù)指標(biāo)VSWR≤2.0，則 T1≤0.33，T2≤0.33。同時(shí)假設(shè)有一根匹配良好的電纜|S11|≤1，|S22|≤1，其中衰減可忽略，得|S21|≈1。則δM的概率分布近似為U形分布：

由修正值δM和δM±的表達(dá)式表明，可以通過在接收機(jī)前面增接一個(gè)匹配良好、有衰減的兩端口網(wǎng)絡(luò)來減小失配誤差，但是會(huì)降低測(cè)量的靈敏度。

對(duì)于復(fù)雜天線測(cè)試，必須注意確保從接收機(jī)向天線端看的阻抗?jié)M足VSWR≤2.0∶1的要求。如果對(duì)人工電源網(wǎng)絡(luò)或吸收鉗的電壓駐波比測(cè)量是在與其固定連接的衰減器的輸出端口上進(jìn)行的，則被測(cè)設(shè)備的阻抗對(duì)失配誤差的影響將隨衰減的增大而減小[5-6]。

2.3 合成不確定度

經(jīng)總結(jié)得到輻射騷擾測(cè)量的各不確定度分量的評(píng)定，詳見表2。

表2 輻射騷擾的不確定度評(píng)定

2.4 測(cè)量結(jié)果的判定

是否符合騷擾的允許極限要求，應(yīng)按下述方式判定[7]：

（1）假設(shè)ULAB小于或等于表3中列出的Ucispr，則：

如果測(cè)得的騷擾都不超過騷擾極限值，則可以判定為合格；

如果測(cè)得的騷擾超過騷擾極限值，則可以判定為不合格。

（2）假設(shè) ULAB＞表 3 中列出的 Ucispr，則：

如果測(cè)得的騷擾加上（ULAB-Ucispr）后不超過騷擾極限值，則可以判定為合格；

如果測(cè)得的騷擾加上（ULAB-Ucispr）后超過騷擾極限值，則可以判定為不合格。

表3 判定所依據(jù)的Ucispr值

3 結(jié)束語

在EMC技術(shù)指標(biāo)的測(cè)量過程中，引起測(cè)量不確定度的因素有很多，測(cè)量系統(tǒng)的概念不僅局限于測(cè)量?jī)x器、測(cè)量設(shè)備的范疇，而是指對(duì)被測(cè)量值賦值的測(cè)量程序、測(cè)量人員、設(shè)備、環(huán)境及軟件等要素的綜合，是獲得測(cè)量結(jié)果的整個(gè)過程，其不確定度的評(píng)定較為復(fù)雜。工作人員可以參考CNAS-GL07《電磁干擾測(cè)量中不確定度的評(píng)定指南》，結(jié)合實(shí)驗(yàn)室自身情況和儀器的校準(zhǔn)證書，對(duì)輻射騷擾結(jié)果進(jìn)行不確定度評(píng)定。還有重要的一點(diǎn)就是測(cè)量不確定度是不能拿來修正測(cè)量結(jié)果的，這是很多工作人員會(huì)犯的錯(cuò)誤。

[1]鐘國(guó)林，李建明，馬軻瀛，等.利用吉赫茲?rùn)M電磁波室實(shí)現(xiàn)電能表輻射騷擾測(cè)量[J].中國(guó)測(cè)試，2011，37（2）：9-12.

[2]周慶.無線電設(shè)備射頻一致性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的不確定度分析[D].北京：北京郵電大學(xué)，2008.

[3]CNAS-GL07電磁干擾測(cè)量中不確定度的評(píng)定指南[S].2006.

[4]楊旭富，劉寶華.電磁騷擾測(cè)量不確定度的評(píng)定[J].通信技術(shù)，2011（9）：126-128.

[5]林青園，張學(xué)寧.EMC輻射騷擾場(chǎng)強(qiáng)的測(cè)量不確定度分析與評(píng)定[J].通信與廣播電視，2006（3）：52-56.

[6]葉雪兵，湯洪波.EMC測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量不確定度的評(píng)定[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2007，34（10）：17-18.

[7]劉輕松，丁良旭，許響林，等.30MHz～1GHz電場(chǎng)輻射騷擾測(cè)量不確定度的評(píng)定[J].電測(cè)與儀表，2008（3）：43-46.