1～6 GHz頻段輻射騷擾試驗(yàn)測量不確定度的評定

余洪文　熊洋洋

摘 要：一切測量結(jié)果均存在測量不確定度。尤其是電磁兼容輻射騷擾試驗(yàn)，其測量結(jié)果受測量場地、測試系統(tǒng)、測量人員的影響均很大。該文分析了電磁兼容輻射騷擾試驗(yàn)（1～6 GHz）測量結(jié)果的不確定度來源，并計(jì)算了測量結(jié)果不確定度值，為電磁兼容實(shí)驗(yàn)室的檢測結(jié)果提供了不確定度評定依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電磁兼容 輻射騷擾 測量不確定度 評定

中圖分類號：O441 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）03（b）-0052-03

一切測量結(jié)果均不可避免地存在測量不確定度。尤其是電磁兼容輻射騷擾試驗(yàn)，其測量結(jié)果與測量場地環(huán)境、測試布局、測試設(shè)備、人員技術(shù)水平等因素有很大關(guān)系。因此，評定電磁兼容試驗(yàn)測量不確定度對測量結(jié)果的評估具有重要意義。

該文以能力驗(yàn)證特制的梳狀信號發(fā)生器為樣品，分析輻射騷擾場強(qiáng)（1～6 GHz）測試項(xiàng)目的測量結(jié)果不確定度來源，明確不確定評定方法，為檢測結(jié)果提供不確定度依據(jù)。

1 測量系統(tǒng)的布置

此次測量樣品為能力驗(yàn)證特制的梳狀信號發(fā)生器，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 9254-2008 GB 9254-2008 《信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾 限值和測量方法》的要求測量樣品在垂直極化下不同頻率點(diǎn)（1.5 GHz、2 GHz、2.5 GHz、3 GHz、3.5 GHz、4 GHz、4.5 GHz、5 GHz、5.5 GHz、6 GHz）的場強(qiáng)值。

比對樣品中心置于轉(zhuǎn)臺中心上方，接收天線距離比對樣品中心3 m，分別使用峰值和平均值檢波器測量。測量系統(tǒng)布置如圖1。

其中，接收天線為RS公司的HF907，測量頻率范圍為1～18 GHz；前置放大器為RS公司的SCU18，測量頻率范圍為100 MHz～18 GHz；測量接收機(jī)為RS公司的ESU26，頻率范圍為20 Hz～26.5 GHz。

2 測量不確定度的評定

2.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)CISPR 16-4-2：2014 《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(jì)學(xué)和限值建模 測量設(shè)備和設(shè)施的不確定度》，輻射騷擾場強(qiáng)E的計(jì)算公式為：

式中，Vr為接收機(jī)讀數(shù)；ac為接收天線和接收機(jī)間連接網(wǎng)絡(luò)的衰減量；Gp為前置放大器的增益；Fa為接收天線的天線系數(shù)；δVsw為接收機(jī)正弦波電壓的修正值；δVnf為接收機(jī)噪聲本底修正值；δGp為前置放大器的不穩(wěn)定性修正值；δM為接收天線與接收機(jī)之間失配誤差的修正值；δFaf為天線因子AF頻率內(nèi)插修正值；δFadir天線的方向性差異；δFaph為天線在3 m位置的相位中心修正值；δFacp為天線交叉極化方向修正值；δSvswr為測試場地影響；δANT為測試用的桌子材料的影響；δd為測試距離為3 m時距離影響的修正值；δh為桌子高度的影響。

由圖1和式（1）可知，在該試驗(yàn)中，測量不確定度主要由測量接收機(jī)、連接電纜、前置放大器和接收天線決定，除測量接收機(jī)讀數(shù)外，其余的影響量均來自測量儀器本身。因此，測量接收機(jī)的讀數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為A類不確定度，其余均為B類不確定度。

2.2 A類不確定度

測量接收機(jī)讀數(shù)的變化由測量系統(tǒng)的不穩(wěn)定性、接收機(jī)的噪聲等因素引起。Vr是多組讀數(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（k=1）。在某個頻率點(diǎn)（4 GHz）固定天線高度和轉(zhuǎn)臺連續(xù)做10次獨(dú)立等精度測量。

測量結(jié)果算術(shù)平均值： （2）

單次測量的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差： （3）

測量結(jié)果平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差： （4）

則測量結(jié)果的A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度： （5）

由式（2）～式（5）得Vr測量標(biāo)準(zhǔn)不確定度結(jié)果分別見表1。

2.3 B類不確定度

（1）接收天線與接收機(jī)間連接的電纜網(wǎng)絡(luò)的衰減量的影響：由校準(zhǔn)證書得到其擴(kuò)展不確定為±0.3 dB，正態(tài)分布，k=2，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（ac）=0.3/2=0.15 dB。

（2）前置放大器增益的影響：由校準(zhǔn)證書得到其擴(kuò)展不確定度為0.6 dB，正態(tài)分布，k=2，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（Gp）=0.6/2=0.30 dB。

（3）天線系數(shù)的影響：由校準(zhǔn)證書得到其擴(kuò)展不確定度為0.7 dB，正態(tài)分布，k=2，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u（Fa）=0.7/2=0.35 dB。

（4）接收機(jī)正弦波電壓準(zhǔn)確度的影響：由出廠報告得到其擴(kuò)展不確定度為1.0 dB，正態(tài)分布，k=2，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（δVsw）=1.0/2=0.5 dB。

（5）接收機(jī)本底噪聲的影響：對于1～6 GHz，接收機(jī)的本底噪聲的擴(kuò)展不確定度為0.7 dB，服從矩形分布，則u（δVnf）=0.7/=0.40 dB。

（6）前置放大器增益的不穩(wěn)定性的影響：由前置放大器的出廠證書得到其最大允許誤差為±2 dB，則修正值應(yīng)為具有半寬度為2.0 dB的矩形概率分布，分布因子，標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u（δGp）=2.0/=1.15 dB。

（7）接收天線端口與接收機(jī)之間失配誤差的影響：由于在接收天線與接收機(jī)之間使用了外部前置放大器，因此失配誤差包含接收天線與前置放大器之間的失配和前置放大器與接收機(jī)之間的失配兩部分。對于1 GHz以上的輻射騷擾測量，所使用的雙脊波導(dǎo)喇叭天線的平均Swr≤2.0∶1，依據(jù)CISPR 16-4-2：2011附錄E可得前接收天線與前置放大器之間的失配誤差δM+=1.3 dB，δM-=-1.5 dB，δM的概率分布近似為U形分布，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（δM）=（δM+-δM-）/（2）=1.00 dB。前置放大器與接收機(jī)之間的失配誤差δM+=1.2 dB，δM-=-1.4 dB，δM的概率分布近似為U形分布，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度u（δM）=（δM+-δM-）/（2）=0.92 dB。

（8）天線因子AF頻率內(nèi)插的影響：天線因子內(nèi)插誤差的修正值δFaf估計(jì)值為零時，服從半寬度為0.3 dB的矩形概率分布，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u（δFaf）=0.3/=0.17 dB。

（9）天線方向性差異：方向性差異的修正表示對電場的衰減，其衰減為+3 dB，半寬度為1.5 dB，服從矩形概率分布，則u（δFadir）=1.5/=0.87 dB。

（10）天線在3 m距離相位中心位置的影響：對于雙脊波導(dǎo)喇叭天線，隨著頻率相位中心位置的變化，將會產(chǎn)生與規(guī)定距離的偏差，δFaph服從矩形概率分布，其半寬度通過考慮距離的±0.1 m的誤差的影響進(jìn)行評估。同時假設(shè)場強(qiáng)與距離成反比，經(jīng)計(jì)算得到擴(kuò)展不確定度為0.3 dB，則u（δFapf）=0.3/=0.17 dB。

（11）天線交叉極化的影響：由于此次測量使用的是雙脊波導(dǎo)喇叭天線，因此其交叉極化響應(yīng)被認(rèn)為是可以忽略的。

（12）場地不理想的影響：標(biāo)準(zhǔn)CISPR 16-4-2中提供了計(jì)算場地不理想的測量不確定度的兩種方法。測量用的10 m法半電波暗室的校準(zhǔn)證書中的Svswr最大值小于等于5 dB，由標(biāo)準(zhǔn)CISPR 16-4-2提供的方法2計(jì)算得到場地引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為u（δSvswr）=5.0/=1.02 dB。

（13）測試桌材料的影響：CISPR 16-1-4描述了1 GHz以上測試桌材料影響評估的一種方法，對于1～6 GHz頻段范圍，δANT的估計(jì)值為零時具有半寬度為1.5 dB的矩形分布。因此，u （δANT）=1.5/=0.87 dB。

（14）測試距離的影響：δd服從矩形概率分布，其半寬度由測量距離的最大誤差為±0.1 m進(jìn)行評估，并假設(shè)場強(qiáng)與距離成反比，經(jīng)計(jì)算得到擴(kuò)展不確定度為0.3 dB，服從矩形分布，則u （δd）=0.17 dB。

（15）測試桌高度的影響：在準(zhǔn)自由空間環(huán)境進(jìn)行1 GHz以上場強(qiáng)測量，由于沒有定義標(biāo)準(zhǔn)的桌子高度，因此，標(biāo)準(zhǔn)CISPR16-4-2未能給出針對桌子高度影響的不確定度。

2.4 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度及擴(kuò)展不確定度

由得出的各測量不確定度分量u（xi）和靈敏度系數(shù)ci，利用公式進(jìn)行計(jì)算，得到合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度。擴(kuò)展不確定度ULab=2 uc（y），不確定度評定結(jié)果見表2。

2.5 測量結(jié)果的正確表述和意義

由以上評定分析得知，輻射騷擾場強(qiáng)測量（1～6 GHz）的測量擴(kuò)展不確定度為5.08 dB（k=2）。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)CISPR 16-4-2的4.2節(jié)“符合性判據(jù)”，在1～6 GHz頻率范圍內(nèi)，Ucispr值為5.18 dB，以上測量結(jié)果的不確定度ULab

3 結(jié)語

測量不確定度是對測量結(jié)果質(zhì)量的定量表征，完成的測量結(jié)果含有兩個基本量，一是被測量的最佳估計(jì)值，一般由一組測量數(shù)據(jù)的平均值給出；另一個就是表征測量結(jié)果分散性的量，即測量不確定度。

參考文獻(xiàn)

[1] JJF1059.1-2012，測量不確定度的評定與表示[S].2012.

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[3] GB 9254-2008，信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測量方法[S].2008.