城市軌道交通車輛輻射電磁騷擾試驗不確定度研究

郝宏海、楊智勇、馬振元、孫高陽、鄧昊天

(遼寧省交通高等?？茖W校，遼寧沈陽 110122)

0 引言

隨著我國軌道交通的不斷發(fā)展，人們越來越重視城市軌道車輛的電磁兼容性問題，各主機廠也越來越注重車輛的電磁兼容性測試，尤其是射頻電磁騷擾是否達到相關(guān)標準要求。射頻電磁騷擾試驗的目的是考核列車整車150kHz-1GHz 范圍內(nèi)輻射發(fā)射是否滿足標準要求。在射頻電磁騷擾試驗中，試驗場地、試驗設備對試驗結(jié)果的影響十分顯著，因此對射頻電磁騷擾試驗的不確定評定就變得十分有意義。

1 測試原理方法

軌道交通車輛射頻電磁騷擾試驗，由于需要在現(xiàn)存鐵路環(huán)境下進行，選擇的測試現(xiàn)場地應盡可能滿足“自由空間”的要求。測試點附近不應有樹木、圍墻、橋梁、隧道或汽車等，同時應避免在高架間斷處、變電站、變壓器、功率電纜、地下電纜、分段絕緣器等處。在同一區(qū)間或測量點附近不應有其他行駛鐵路車輛。測試分為靜態(tài)、慢行兩種模式。靜態(tài)試驗過程中，動車輔助變流器工作，牽引變流器上電但不工作；拖車輔助變流器、電池充電器工作；開啟車輛上所有能夠產(chǎn)生輻射發(fā)射的電氣系統(tǒng)，天線應對準每節(jié)車中心線或可能產(chǎn)生最大輻射發(fā)射的設備處。慢行試驗過程中，牽引變流器及輔助變流器（輔助變流器全負荷）上電工作，開啟車輛上所有能夠產(chǎn)生輻射發(fā)射的電氣系統(tǒng)，經(jīng)過天線時列車以約1/3 最大牽引力加速或減速。運行速度范圍為20±5km/h。由于《無線電騷擾和抗擾度測量設備和測量方法規(guī)范》（GB/T 6113.402—2018）中并未對150～30MHz 的輻射發(fā)射不確定度進行要求，因此只考慮30～1GHz 輻射發(fā)射測試。接收天線正對待測車輛所在軌道，天線中心距離軌道平面高3m，天線面距離軌道中心10m，通過同軸電纜與接收機相連，試驗布置試驗現(xiàn)場環(huán)境、輻射發(fā)射試驗配置，如圖1、2所示。

圖1 試驗現(xiàn)場環(huán)境

圖2 輻射發(fā)射試驗配置

2 不確定度定義

不確定度是與測量結(jié)果有關(guān)的參數(shù)，用來表征合理地賦予被測量的值的分散性，它是由所有與測量設備和設施相聯(lián)系的有關(guān)的影響量引起的[1]。根據(jù)評定方法不同，分為A 類評定和B 類評定。A 類評定用數(shù)學統(tǒng)計分析的方法，對在規(guī)定測量條件下測得的量值，進行測量不確定度分量的計算和評定；B 類不確定度是用試驗或其他信息來估計，例如測量數(shù)據(jù)、校準證書、測試報告、生產(chǎn)廠的說明書等，含有主觀鑒別的成分[2]。

不確定度的評定方法有很多種，使用最多的是測量不確定度指南中的方法，簡稱GUM 法。不確定度評定所采用就是GUM 法。用GUM 法評定測量不確定度的一般流程如圖3[3]。

圖3 用GUM 法評定測量不確定度的一般流程

3 測試模型建立

A 類標準不確定度計算方法為：

B 類標準不確定度計算方法為：

式（3）中：a為被測量可能值區(qū)間的半寬度，k為包含因子。

開闊場輻射電磁騷擾電場強度不確定度測量模型為：

式（4）中：E為騷擾電磁強度，Vr為接收機讀數(shù)，ac為天線與接收機間的修正，F(xiàn)a為天線系數(shù)，δVsw為接收機正弦波電壓的修正，δVpa為接收機脈沖幅度響應的修正，δVpr為接收機脈沖重復頻率響應的修正，δVnf為接收機本底噪聲影響的修正，δM為天線與接收機間失配誤差，δAFaf為天線系數(shù)頻率內(nèi)插的修正，δAFah為天線系數(shù)高度偏差的修正，δFadir為天線方向性的修正，δFaph為天線相位中心位置的修正，δFacp為天線交叉極化的修正，δFabal為天線不平衡的修正，δAN為場地不完善的修正，δd為測試距離的修正，δh為軌道高度的修正，Eamb為對OATS 處所環(huán)境噪聲影響的修正。

4 不確定度評定

4.1 A 類不確定度評定

接收機的讀數(shù)Vr的變化，主要由于重復性操作下測試系統(tǒng)的不穩(wěn)定和人為因素引起的，應采用A 類測量不確定度的評定方法。被測物選擇某城市地鐵車輛，按照標準要求水平和垂直極化方向各進行5 次峰值測量，選擇頻率100MHz 和800MHz 進行評估，測量數(shù)據(jù)見表1 接收機讀數(shù)。

表1 接收機讀數(shù)

根據(jù)公式（1）（2）計算得出接收機的讀數(shù)不確定度，如表2所示。

表2 接收機讀數(shù)不確定度

4.2 B 類不確定度評定

4.2.1 接收機和天線間路徑衰減量不確定度

接收機與天線之間由一根同軸電纜相連，因此該部分不確定度僅由接收機與天線間線纜損耗決定。使用矢量網(wǎng)絡分析儀測量此部分同軸電纜損耗ac，穩(wěn)定性非常好，多次測量結(jié)果均相同，但受測量設備精度限制，同軸電纜損耗精確到0.01dB，且ac服從均勻分布，因此電纜損耗的標準不確定度為u(ac)=0.003dB。

4.2.2 天線系數(shù)引入的不確定度

天線系數(shù)的不確定度由校準證書中獲得，雙錐天線系數(shù)半寬度a=1.9，對數(shù)周期天線系數(shù)半寬度a=1.9，且k=2，因此雙錐天線系數(shù)標準不確定度u(Fa1)=0.95，對數(shù)周期天線系數(shù)標準不確定度u(Fa2)=0.95。

4.2.3 接收機的修正引入的不確定度

接收機在處理數(shù)據(jù)的過程中，由于自身原因會引入一定的不確定度，主要包括：正弦波電壓修正δVsw，脈沖幅度響應修正δVpa，脈沖重復頻率響應修正δVpr，噪聲本底接近度修正δVnf，上述所有不確定度可從接收機校準證書中得到。

正弦波電壓修正的擴展不確定度為0.6dB，包含因子k=2，則u(δVsw)=0.3dB。

脈沖幅度響應修正的擴展不確定度為0.3dB，包含因子k=2，則u(δVpa)=0.3dB。

脈沖重復頻率響應修正的擴展不確定度為0.6dB，包含因子k=2，則u(δVpr)=0.3dB。

噪聲本底接近度修正的擴展不確定度為0.1，包含因子k=2，則u(δVnf)=0.05。

4.2.4 天線與接收機失配引入的不確定度

接收機、同軸電纜、天線路徑阻抗不能完全匹配，需要對測試結(jié)果進行修正，不確定度可以由電纜兩端的反射系數(shù)通過式(5)計算得出，

式（5）中：Γe為天線的反射系數(shù)，Γr為接收機的反射系數(shù)，其不確定度符合U 形分布，天線與接收機失配引入的擴展不確定度為u(δM)=0.67dB。

4.2.5 天線修正引入的不確定度

天線系數(shù)頻率內(nèi)插誤差修正δAFaf，天線系數(shù)高度偏差的修正δAFah，天線方向性差異的修正δFadir，天線相位中心位置的修正δFaph，天線交叉極化的修正δFacp，天線不平衡的修正δFabal等天線修正引入的不確定度，從保守的角度考慮，可以從《無線電騷擾和抗擾度測量設備和測量方法規(guī)范》中選取參照值，天線修正引入的不確定度如表3所示。

表3 天線修正引入的不確定度（單位：dB）

4.2.6 場地修正引入的不確定度

對于場地修正引入的不確定度，主要考慮不理想歸一化場地衰減的修正δAN，天線與列車間測量距離不準確的修正δd，軌道高度測量不準確的修正δh。

場地不理想引入的不確定度，取不確定度±4dB，服從三角分布，則u(δAN)=1.63dB。

由測試距離測量不確定度，取不確定度±0.1dB，服從矩形分布，則u(δd)=0.06dB。

由軌道高度測量不確定度，取不確定度±0.1dB，包含因子k=2，則u(δh)=0.05dB。

4.2.7 OATS 環(huán)境噪聲引入的不確定度

對OATS 處環(huán)境噪聲影響的修正不確定度，取不確定度±4dB，包含因子k=2，則u(δEamb)=2dB。

4.3 合成不確定度與擴展不確定度

合成標準不確定度可由式（6）計算得出。

由于選定的A 類不確定度和B 類不確定度相互獨立，因此計算得合成標準不確定度，如表4 不確定度計算所示。

根據(jù)合成標準不確定度和包含因子k，通過式（7）可以計算出擴展不確定度

取k=2(對應95% 的置信水平)，則計算出的擴展不確定度，如表4 不確定度計算所示。

表4 不確定度計算（單位：dB）

根據(jù)《無線電騷擾和抗擾度測量設備和測量方法規(guī)范》中的要求，輻射騷擾(在OATS 或SAC 測量的電場強度)30～1000MHz 的不確定度為UCISPR=6.3dB，因此此次城市軌道交通車輛輻射電磁騷擾試驗不確定度判定為合格。

5 結(jié)語

對城市軌道交通車輛輻射電磁騷擾試驗的不確定度進行了研究，并以某地鐵車輛為被測對象，進行了合成標準不確定度以及擴展不確定度的評定。影響150kHz-1GHz 輻射電磁騷擾試驗結(jié)果的因素非常多，對不確定度評定也相對復雜，該次研究對表明城市軌道交通車輛輻射電磁騷擾試驗的結(jié)果質(zhì)量、試驗比對等有著較大的意義。