輻射騷擾測量不確定度評定及其驗證分析

【作 者】王偉明，蔣歲上海市醫(yī)療器械檢測所EMC室，上海，200070

0 引言

不確定度是電磁兼容試驗數(shù)據(jù)處理中不可忽視的部分。如何準(zhǔn)確評定電磁兼容試驗的不確定度對各個醫(yī)療器械檢測實驗室都十分重要，而以輻射騷擾測量在電磁兼容試驗中的不確定度分量為最多，本文將對如何進行輻射騷擾測量的不確定度評定，以及如何通過能力驗證對其進行評價作一個比較全面的介紹。

1 不確定度的基本概念

1.1 通用符號

不確定度通用符號及含義見表1。

表1 不確定度通用符號及含義Tab.1 Symbols and meanings of uncertainty

1.2 測量不確定度、標(biāo)準(zhǔn)不確定度與擴展不確定度之間的關(guān)系

表征合理的賦予被測量之值的分散性，與測量結(jié)果相聯(lián)系的參數(shù)，稱為測量不確定度。測量不確定度用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示時稱為標(biāo)準(zhǔn)不確定度，如用說明了置信水準(zhǔn)的區(qū)間的半寬度的表示方法則成為擴展不確定度。

1.3 不確定度的A類、B類評定及合成

1.3.1 不確定度的A類評定

用對觀測列進行統(tǒng)計分析的方法來評定標(biāo)準(zhǔn)不確定度，稱為不確定度A類評定。所得到的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度稱為A類不確定度分量，用實驗標(biāo)準(zhǔn)差來表征。

1.3.2 不確定度的B類評定

用不同于對觀測列進行統(tǒng)計分析的方法來評定標(biāo)準(zhǔn)不確定度，稱為不確定度B類評定，所得到的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度稱為B類不確定度分量。它是用實驗或其他信息來估計，含有主觀鑒別的成分。

1.3.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

對每個影響量的估計值應(yīng)評定其標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(xi)和靈敏系數(shù)ci。被測量的估計值y的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc(y)按下式計算：

1.4 擴展不確定度和包含因子

包含因子是為求得擴展不確定度，與合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度相乘的數(shù)字因子。包含因子的取值決定了擴展不確定度的置信水平。對檢測實驗室來說，包含因子取k=2，其置信水平近似為95%，擴展不確定度按下式計算：

2 輻射騷擾測量不確定度評定

2.1 三米法輻射騷擾測量方法

被測物放置在轉(zhuǎn)臺中心，測量距離3 m，測量天線通過屏蔽線纜與接收機連接。轉(zhuǎn)臺0o～360o旋轉(zhuǎn)，天線1 m～4 m升降，在30 MHz～1 GHz頻段內(nèi)，分別找出被測物在天線水平和垂直兩個極化方向的輻射騷擾最大值。測量示意圖見圖1。

圖1 輻射騷擾測量示意圖Fig.1 Figure of measurement of radiated disturbance

2.2 確定不確定度分量及數(shù)學(xué)模型

2.2.1 不確定度分量

根據(jù)測量方法確定影響整個測量系統(tǒng)的不確定度分量，見表2。

2.2.1 數(shù)學(xué)模型

被測量E按下式計算：

其中，輸入量Vr的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，采用A類評定。輸入量Lc，AF，dVsw，dVpa，dVpa，dVnf，dM，dAFf，dAFh，dAdir，dAph，dAcp，dAbal，dSA，dd，dh的標(biāo)準(zhǔn)不確定度采用B類評定。

2.3 不確定度分量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

2.3.1 Vr的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

接收機讀數(shù)變化的原因包括測量系統(tǒng)的不穩(wěn)定、接收機的噪聲和表的刻度內(nèi)插誤差。Vr的估計值是多次讀數(shù)的平均值，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度（k=1）為平均值的實驗標(biāo)準(zhǔn)差。

用測量接收機對一臺信號發(fā)生器進行重復(fù)測量。信號發(fā)生器的輸出頻率分別為30 MHz，300 MHz，輸出50dbμV，連續(xù)測量10次，得到測量列（每次測量均重新接線）如下。

30 MHz 時：50.3，50.2，50.4，50.2，50.3，50.1，50.2，50.3，50.1，50.1（dBμV）

300MHz時：50.2，50.3，50.2，50.2，50.3，50.3，50.3，50.4，50.2，50.1（dBμV）

2.3.2 Lc的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

該不確定度分量主要是由接收機和天線之間的連接衰減偏差所引起的。Lc評定采用校準(zhǔn)報告中所給出值，其衰減誤差限值e=±0.1dB，其半寬a=0.1dB，包含因子k =2，所以u(Lc)=0.1dB/2=0.05 dB。

2.3.3 AF的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

該不確定度分量主要是自由空間的天線系數(shù)AF所引起的。u(AF)評定采用校準(zhǔn)報告中所給出值，雙錐天線和對數(shù)周期天線的誤差限值e=±1.8dB，其半寬a=1.8dB，包含因子k=2，所以u(AF)=1.8dB/2=0.9dB。

2.3.4 dVsw的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

該不確定度分量主要是由測量接收機正弦波電壓測量不準(zhǔn)所引起的。u(dVsw)評定采用校準(zhǔn)報告中所給出值，其正弦電壓測量誤差限值e=±1.0dB，其半寬a=1.0dB，包含因子k=2，所以u(dVsw)=1.0dB/2=0.5dB。

表2 不確定度分量表Tab.2 Components of uncertainty

2.3.5 dVpa的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

該不確定分量主要是由測量接收機脈沖幅值響應(yīng)不準(zhǔn)所引起的。u(dVpa)評定采用CISPR16-4所規(guī)定的方法，接收機檢測報告表明接收機脈沖幅值響應(yīng)符合CISPR16-1中對峰值、準(zhǔn)峰值、平均值或均方根值檢波器的±1.5dB的允差，可以看作是服從以零為中心，半寬為1.5dB的矩形分布，所以u(dVpa)=1.5dB/=0.87dB。

2.3.6 dVpr的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

該不確定分量主要是由測量接收機脈沖重復(fù)率響應(yīng)不準(zhǔn)所引起的。u(dVpa)評定采用CISPR16-4所規(guī)定的方法，接收機檢測報告表明接收機脈沖幅值響應(yīng)符合CISPR16-1中對峰值、準(zhǔn)峰值、平均值或均方根值檢波器的±1.5dB的允差，可以看作是服從以零為中心半寬為1.5dB的矩形分布，所以u(dVpa)=1.5dB/√3 = 0.87dB。

2.3.7 dVnf的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

該不確定度分量主要是由測量接收機本底噪聲所引起的。由于測量接收機的本底噪聲一般遠低于輻射騷擾電場的限值，因此當(dāng)測量結(jié)果接近限值時，由此產(chǎn)生的影響可以忽略不計。所以u(dVnf)=0dB。

2.3.8 dM的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

該不確定度分項主要是由于接收機和天線之間的失配所引起的。

其中：Γe是從天線接收機端口看進去的反射系數(shù)；Γr是接收機端口的反射系數(shù)。

如果上述參數(shù)中僅知道參數(shù)值或極值的大小，而不知道其他信息，則無法算出dM，但dM±的極值范圍不會超過

dM的概率分布近似為U形分布，其寬度不大于（dM+-dM-）、標(biāo)準(zhǔn)差不大于半寬度除以。

對于輻射騷擾測量，Γe是EUT阻抗的函數(shù)。一般來說，EUT的阻抗是未知的和不受限制的。假設(shè)在最壞情況下的反射系數(shù)Γe的模等于1，同時假設(shè)接收機的連接電纜匹配良好(│S11│＜＜1，│S22│＜＜1)、其衰減可以忽略不計(│S11│≈1)；此外，接收機還具有10dB或更大的射頻衰減，即電壓駐波比(VSWR)≤2.0，可得(接收機端的)反射系數(shù)│Γe│≤0.33。則dM±=(+0.9/-1.0)dB，該不確定度分項的寬度為dM+(-dM )=(0.9+1.0)dB，并且服從U形分布，所以u(dM )=1.9dB/2√2=0.67dB

2.3.9 dAFf的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

該不確定度分量主要是由于天線內(nèi)插誤差所引起的對不確定度的影響。對天線系數(shù)的內(nèi)插誤差修正dAFf的估計值為0，并服從半寬度為0.3dB的矩形概率分布。

2.3.10 dAFh的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

修正dAFh的估計值為0。根據(jù)雙錐天線和對數(shù)周期天線隨高度變化的特性可以評估得出雙錐天線水平極化半寬度為0.5 dB，并服從矩形概率分布，所以u(dAFh)=0.5dB/√3=0.29dB；雙錐天線垂直極化半寬度為0.3 dB，并服從矩形概率分布，所以u(dAFh)=0.3dB/√3=0.17dB；對數(shù)周期天線水平極化半寬度為0.3 dB，并服從矩形概率分布，所以u(dAFh)=0.3dB/√3=0.17dB；對數(shù)周期天線垂直極化半寬度為0.1 dB，并服從矩形概率分布，所以u(dAFh)=0.1dB/√3=0.06dB。

2.3.11 dAdir的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

假設(shè)水平極化的雙錐天線在垂直平面具有均勻方向性圖，并假設(shè)垂直極化的雙錐天線和水平極化或垂直極化的對數(shù)周期天線在3 m距離上所需的修正dAdir=1dB，半寬度為0.5 dB，并服從適當(dāng)寬度的矩形概率分布，則雙錐天線水平極化u(dAFh)=0 dB；雙錐天線垂直極化或?qū)?shù)周期天線水平極化/垂直極化的u(dAFh)=0.5dB/√3=0.29dB。

2.3.12 dAph的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

雙錐天線對相位中心位置的修正dAph可忽略不計，所以u(dAph)=0 dB。

對數(shù)周期天線隨著頻率的變化，相位中心的位置也發(fā)生變化，進而導(dǎo)致與所要求的距離有偏差，修正dAph的估計值為0，且服從矩形概率分布，假設(shè)其e=±1.0dB，其半寬a=1dB，則雙錐天線水平極化u(dAph)=0.5dB0.58dB。

2.3.13 dAcp的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

對于雙錐天線，交叉極化響應(yīng)被認為是可忽略的，所以u(dAph)=0dB。

對于對數(shù)周期天線，對交叉極化響應(yīng)的修正dAcp的估計值為0，且服從矩形概率分布，根據(jù)天線的性能評估其半寬度為0.9dB，uu(dAph)=0.9dB=0.52dB。

2.3.14 dAbal的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

當(dāng)輸入同軸電纜與天線陣子平行時，天線不平衡造成的影響是最大的。

對于雙錐天線，對天線不平衡的修正dAbal的估計值為0，且服從矩形概率分布，根據(jù)天線的性能評估。其半寬度為0.3dB，u(dAbal)=0.3dB/√3=0.17dB。

對于對數(shù)周期天線，平衡響應(yīng)被認為是可忽略的，所以u(dAbal)=0dB。

2.3.15 dSA的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

由于我們的3米法電波暗室的NSA實測值與NSA的理論值小于3.5dB，因此修正的估計值為0，且服從三角形的概率分布，半寬度為3.5dB，U(dSA)=3.5dB/=1.43dB 。

2.3.16 dd的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

測試距離的誤差來自于對EUT邊界的確定、測量距離和天線桿的傾斜程度。對距離誤差的修正dd的估計值為0，且服從矩形概率分布，半寬度為0.3dB，u(dd)=0.3dB/0.17dB 。

2.3.17 dh的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

受試設(shè)備未放置在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定高度所引起的誤差。修正dh的估計值為0，服從正態(tài)分布，置信概率為95%的擴展不確定度為0.1dB 。

2.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴展不確定度

2.4.1 標(biāo)準(zhǔn)不確定度

可得：

30 MHz～300 MHz雙錐天線水平極化為 uc1(E)= 2.3，垂直極化為 uc2(E)=2.3；300 MHz～1 GHz對數(shù)周期天線水平極化為 uc3(E)=2.4，垂直極化為uc4(E) =2.4。

2.4.2 擴展不確定度

取k值等于2，Ulab=2uc(E)，即：

30 MHz～300 MHz雙錐天線水平極化為 Ulab1= 4.6，垂直極化為 Ulab2= 4.6；300 MHz～1 GHz對數(shù)周期天線水平極化為 Ulab3= 4.8，垂直極化為 Ulab4= 4.8。

3 輻射騷擾測量不確定度的驗證分析

為了驗證我所3米法電波暗室內(nèi)輻射騷擾測量不確定度的有效性，于2011年4月進行了1次能力驗證。其滿意度判定依據(jù)公式：

當(dāng)│En│≤ 1為滿意。

式中：y —我所3米法電波暗室測量值；y0—某10米法暗室的參考值；U—我所評定的與值所對應(yīng)的測量不確定度（k =2）；U0—某10米法暗室評定的與值所對應(yīng)的測量不確定度（k =2）。

表3 水平極化Tab.3 Horizontal polarization

表3和表4中列舉了少量具有典型性的頻率點。從兩個表中我們可以看出，滿意度 │En│均小于1，從而印證了我所輻射騷擾測量不確定度的有效性。

不過，在表4中我們可以看到在230 MHz頻率點時，我所與10米法暗室測得的實際騷擾電平值差值達到了5.5 dB（雖然 │En│＜1）。這在一定程度上說明了3米法電波暗室和10米電波暗室在輻射騷擾的測量上存在一定的差異。

4 結(jié)束語

根據(jù)GB/T 6113.402-2006《 無線電騷擾和抗擾度測量設(shè)備和測量方法規(guī)范 第4—2部分：不確定度、統(tǒng)計學(xué)和限值建模 測量設(shè)備和設(shè)施的不確定度》，若Ulab≤UCISPR，則：

——如果測得的騷擾電平不超過所規(guī)定的騷擾限值，則判定為符合；

——如果測得的騷擾電平超過所規(guī)定的騷擾限值，則判定為不符合。

而輻射騷擾（在開闊試驗場或替換試驗場上測得的電場強度）在30 MHz～1000 MHz頻段的UCISPR為5.2dB。由于我所在30 MHz～300 MHz頻段及300 MHz～1000 MHz頻段Ulab的均小于5.2dB，因此，我所實際測得的輻射騷擾電平可以依據(jù)輻射騷擾限值直接進行符合性判斷。

[1] GB/T 6113.203-2008.無線電騷擾和抗擾度測量設(shè)備和測量方法規(guī)范 第2—3部分: 無線電騷擾和抗擾度測量方法 輻射騷擾測量[S]

[2] GB/T 6113.402-2006. 無線電騷擾和抗擾度測量設(shè)備和測量方法規(guī)范 第4—2部分: 不確定度, 統(tǒng)計學(xué)和限值建模 測量設(shè)備和設(shè)施的不確定度[S]

[3] CNAS-GL07. 電磁干擾測量中不確定度的評定指南[L]. 2006.