汽車電子輻射發(fā)射的測(cè)量不確定度評(píng)定

李華，李曉智，黃雪梅

（中國汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122）

引言

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JJF 1059.1-2012對(duì)測(cè)量不確定度的定義為：根據(jù)所用到的信息，表征賦予被測(cè)量值分散性的非負(fù)參數(shù)[1]。它反映的是測(cè)量結(jié)果可能偏離真實(shí)值的范圍大小，是測(cè)量結(jié)果可信度的指標(biāo)。根據(jù)GB/T 27025-2019的要求：開展檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)評(píng)定測(cè)量不確定度[2]。由于汽車電子輻射發(fā)射測(cè)試過程的復(fù)雜性，因此本文僅以喇叭天線的測(cè)量不確定度評(píng)定為例，闡述汽車電子輻射發(fā)射測(cè)量不確定度評(píng)定的方法。

1 汽車電子輻射發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)

汽車電子輻射發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，其中硬件部分主要由半電波暗室提供測(cè)量環(huán)境，測(cè)量接收機(jī)和接收天線構(gòu)成的測(cè)量系統(tǒng)，由于考慮到環(huán)境底噪，在進(jìn)行1 GHz以上的頻段進(jìn)行測(cè)試時(shí)，會(huì)用到40 dB預(yù)置放大器。由于汽車電子輻射發(fā)射測(cè)量不確定度評(píng)定的內(nèi)容過多，因此本文僅以1 GHz的頻段的測(cè)量工不確定度評(píng)定為例。因此本文的呈現(xiàn)的數(shù)學(xué)模型，測(cè)試布置圖、測(cè)試鏈路分析圖，均針對(duì)1 GHz以上頻率段的輻射發(fā)射測(cè)試。本文中用到的主要儀器設(shè)備見表1，系統(tǒng)布置圖見圖1，系統(tǒng)鏈路分析圖如圖2。

圖1 測(cè)試系統(tǒng)布置圖[3]

圖2 測(cè)試系統(tǒng)鏈路分析圖

表1 測(cè)試儀器設(shè)備表

2 測(cè)量不確定度的評(píng)定

2.1 建立數(shù)學(xué)模型并確定不確定度傳播率

根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)鏈路以及實(shí)際測(cè)試設(shè)備情況進(jìn)行分析，由于本實(shí)驗(yàn)室對(duì)于汽車電子專用的預(yù)置放大器的校準(zhǔn)是與連接線纜一起進(jìn)行得到的校準(zhǔn)結(jié)果參數(shù)。因此數(shù)學(xué)模型與CISPR25中的模型有差異，建立數(shù)學(xué)模型如下：

式中：

E—被測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度。

根據(jù)測(cè)試鏈路，列出數(shù)學(xué)模型中的相關(guān)參量，以及參數(shù)說明如表2。

表2 參量說明表

被測(cè)量的估計(jì)值E的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算公式如下：

式中：

u(xi)—輸入量xi的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

r(xi，xj)—輸入量xi與xj之間的相關(guān)系數(shù)；

r(xi，xj)u(xi)u(xj)=u(xi，xj)；

u(xi，xj)—輸入量與之間的協(xié)方差。

由于該數(shù)學(xué)模型（式（1））中各參量彼此不相關(guān)，被測(cè)的電場(chǎng)結(jié)果E的值為各參量線性相加，因此靈敏系數(shù)：

2.2 標(biāo)準(zhǔn)不確定度值的評(píng)定

標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定方法有以下兩類：標(biāo)準(zhǔn)不確定度A類評(píng)定方法和標(biāo)準(zhǔn)不確定度B類評(píng)定方法。

標(biāo)準(zhǔn)不確定度A類的評(píng)定方法是對(duì)被測(cè)量重復(fù)進(jìn)行n（n≥10）次測(cè)量，然后運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析的方法進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析,然后通過試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差得到其標(biāo)準(zhǔn)不確定度的值。實(shí)際評(píng)定過程中時(shí)用穩(wěn)定的信號(hào)源通過優(yōu)質(zhì)同軸電纜發(fā)射一個(gè)穩(wěn)定的射頻信號(hào)，然后利用接收機(jī)的重復(fù)讀取該信號(hào)的大小。然后利用貝塞爾公式，求取該試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。然后根據(jù)該試驗(yàn)偏差求取單次試驗(yàn)的偏差。

標(biāo)準(zhǔn)不確定度B類的評(píng)定方法是通過經(jīng)驗(yàn)估計(jì)、極值計(jì)算、校準(zhǔn)參數(shù)的溯源、設(shè)備的技術(shù)參數(shù)手冊(cè)、設(shè)備檢定要求等獲得其真值的可能的半寬度為a的區(qū)間。然后通過半寬度的a以及符合的概率分布函數(shù)，計(jì)算得出其標(biāo)準(zhǔn)不確定度的值。

根據(jù)前面的闡述以及測(cè)試系統(tǒng)的鏈路分析，本數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)只有接收機(jī)的電壓讀數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)不確定度A類評(píng)定的方法，其余參數(shù)均適用于標(biāo)準(zhǔn)不確定度B類評(píng)定的方法。

汽車電子輻射發(fā)射測(cè)試中涉及天線眾多，并且天線的水平和垂直極化方向上的天線因子、天線方向性、天線交叉極化響應(yīng)、天線平衡性等均有差異，因此對(duì)于汽車電子輻射發(fā)射的測(cè)量不確定度評(píng)定，要分為水平、垂直兩個(gè)極化方向上進(jìn)行。

通過同軸電纜用信號(hào)源發(fā)送頻率為2 GHz強(qiáng)度為66 dB的射頻信號(hào)到測(cè)量接收機(jī)，重復(fù)10次讀取信號(hào)強(qiáng)度值，并分析計(jì)算。接收機(jī)的電壓讀數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)不確定如表3。

表3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度A類評(píng)定結(jié)果表

根據(jù)喇叭天線的特性，天線在其水平或垂直極化方向的交叉極化響應(yīng)、平衡性的對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響幾乎可以忽略不計(jì)，并且為定高度掃描，并且天線方向性影響在兩個(gè)極化方向上幾乎一致，根據(jù)實(shí)際分析，其在水平和垂直方向上的標(biāo)準(zhǔn)不確定分量均相等。因此得到如表4的標(biāo)準(zhǔn)不確定度B類評(píng)定結(jié)果表。

表4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度B類評(píng)定結(jié)果表

2.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度并計(jì)算擴(kuò)展不確定度

設(shè)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，取包含概率為95 %，此時(shí)包含因子k=2。計(jì)算擴(kuò)展不確定度U(E)=2uc(E)=4.45 dB。

3 評(píng)定的要點(diǎn)與注意事項(xiàng)

3.1 汽車電子輻射發(fā)射的評(píng)定要點(diǎn)

汽車電子輻射發(fā)射的評(píng)定要點(diǎn)，可以分為以下幾點(diǎn)；

1）因?yàn)闇y(cè)試過程中不同的頻段會(huì)涉及到不同的接收天線，而天線的特性又不同，因此在測(cè)量不確定度評(píng)定的過程中，要分為頻段、分天線、分極化方向進(jìn)行。

2）標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的評(píng)估方法不一樣，有的參數(shù)是通過查詢校準(zhǔn)證書相關(guān)參數(shù)、有的參數(shù)是根據(jù)極限值的計(jì)算得到的，有的參數(shù)是通過經(jīng)驗(yàn)估計(jì)得出的，有的參數(shù)又是通過畫圖分析得來的。因此在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度B類評(píng)定的過程中，要注意方法的適用性，概率分布函數(shù)的選擇的正確性。不確定時(shí)，可以參考標(biāo)準(zhǔn)CISPR16-4-2中的內(nèi)容。

3）在計(jì)算擴(kuò)展不確定度的過程中，測(cè)量擴(kuò)展不確定度數(shù)據(jù)需要與被測(cè)量的測(cè)量結(jié)果末位對(duì)齊，一般為兩位小數(shù)。并在數(shù)據(jù)處理過程中，采取“只入不舍”的方式進(jìn)行。

4 意見建議

檢測(cè)活動(dòng)中最為重要的便是保證試驗(yàn)的方法正確性、結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性，因此建議如下：

1）規(guī)范操作。在斷、接與接收機(jī)相通的鏈路時(shí)，需帶靜電防護(hù)手套，接同軸線纜的過程中注意接頭兩端的同心度，一定要保證接頭連接可靠性。

2）試驗(yàn)室在日常開展汽車電子電磁兼容測(cè)試活動(dòng)的過程中，應(yīng)定期測(cè)試環(huán)境的底噪，并者定期用性能穩(wěn)定梳狀信號(hào)源驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。每次設(shè)備校準(zhǔn)或期間核查活動(dòng)之后，實(shí)驗(yàn)室均需重新評(píng)估測(cè)量不確定度的值。

5 結(jié)語

測(cè)量不確定度值的大小反映的是測(cè)量結(jié)果可信度的重要參數(shù)。在汽車電子輻射發(fā)射測(cè)量過程中，對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響因素多，測(cè)量過程繁瑣、復(fù)雜，所以對(duì)其進(jìn)行測(cè)量不確定度評(píng)定的過程也較為復(fù)雜，因此電磁兼容實(shí)驗(yàn)室可參照本文的思路對(duì)實(shí)驗(yàn)室汽車電子輻射發(fā)射項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)量不確定度評(píng)定。