動(dòng)車(chē)組、電力機(jī)車(chē)及地鐵列車(chē)的電磁騷擾發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)不確定度研究*

蘇發(fā)明，余 俊，黃 金，陳煥玉，王延哲

（1 動(dòng)車(chē)組和機(jī)車(chē)牽引與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司， 北京 100094；3 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所， 北京 100081）

在電磁兼容檢測(cè)領(lǐng)域，不確定度用于表征測(cè)試結(jié)果的離散程度，是反映電磁檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試質(zhì)量的參數(shù)。文獻(xiàn)［1］以變流器技術(shù)國(guó)家工程研究中心電磁兼容實(shí)驗(yàn)室為例，介紹了輻射發(fā)射場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量不確定度的評(píng)定方法和計(jì)算。文獻(xiàn)［2］闡釋了3 米法半電波暗室內(nèi)30 MHz～1 GHz 輻射發(fā)射的不確定度評(píng)定方法和步驟。文獻(xiàn)［3］介紹了天線校準(zhǔn)測(cè)試地點(diǎn)和方法，分析了寬頻帶天線校準(zhǔn)系統(tǒng)的不確定度。文獻(xiàn)［4］開(kāi)展了動(dòng)車(chē)組、機(jī)車(chē)及地鐵整車(chē)對(duì)外電磁騷擾的特性研究，對(duì)比分析了各型車(chē)的射頻數(shù)據(jù)，但未提供不確定度的數(shù)值范圍。目前業(yè)界對(duì)于輻射發(fā)射系統(tǒng)的不確定度研究都集中在實(shí)驗(yàn)室，對(duì)于外場(chǎng)測(cè)試條件下的輻射發(fā)射系統(tǒng)不確定研究尚未顯現(xiàn)，故文中對(duì)這方面進(jìn)行了探索，對(duì)于動(dòng)車(chē)組電磁兼容測(cè)試的準(zhǔn)確性提升有重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 動(dòng)車(chē)組、電力機(jī)車(chē)及地鐵列車(chē)射頻發(fā)射測(cè)量

1.1 測(cè)試系統(tǒng)

試驗(yàn)時(shí)，天線架設(shè)于距離軌道中心10 m 處，如圖1 所示，30 MHz～1 GHz 的輻射發(fā)射測(cè)試，包括R&S 公司HK116 型雙錐天線以及HL223 型對(duì)數(shù)周期天線（天線離地面高度為2.5～3.5 m）。接收機(jī)采用R&S 公司的ESR7 型EMI 認(rèn)證級(jí)接收機(jī)。

圖1 動(dòng)車(chē)組輻射發(fā)射系統(tǒng)布局圖

1.2 測(cè)試方法

不同工況下的測(cè)試方法如下：

（1）靜態(tài)工況：動(dòng)車(chē)組上的輔助系統(tǒng)正常工作，輔助負(fù)載處于運(yùn)行模式，本工況以準(zhǔn)峰值模式檢波。

（2）動(dòng)態(tài)工況：動(dòng)車(chē)組以速度為40～60 km/h 運(yùn)行，當(dāng)列車(chē)經(jīng)過(guò)測(cè)試天線時(shí)，應(yīng)發(fā)揮約最大牽引或電制力的1/3［5］。本工況以峰值模式檢波，從動(dòng)車(chē)組車(chē)頭對(duì)準(zhǔn)天線至車(chē)尾通過(guò)天線為1 個(gè)頻段的測(cè)試范圍。

1.3 不確定度要求

在認(rèn)證過(guò)程中，輻射發(fā)射測(cè)試需要與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值進(jìn)行比對(duì)。各檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室應(yīng)根據(jù)設(shè)備特性、校準(zhǔn)證書(shū)、已知或估計(jì)的概率分布和測(cè)量步驟等實(shí)際情況來(lái)評(píng)定實(shí)驗(yàn)室的B 類(lèi)擴(kuò)展不確定度Ulab。判定被試設(shè)備是否符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的騷擾限值，與不確定度的大小直接相關(guān)。CISPR 16-4-2 推薦UCISPR值［6］，即假設(shè)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備都符合CISPR 16-1的要求而評(píng)定出的B 類(lèi)擴(kuò)展不確定度值。

假如Ulab≤UCISPR：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值不變。

假 如Ulab＞UCISPR：標(biāo) 準(zhǔn) 規(guī) 定 的 限 值 下 調(diào)（Ulab-UCISPR）。

由于輻射發(fā)射測(cè)試的頻率分布在一個(gè)或多個(gè)頻域區(qū)間，有時(shí)可能出現(xiàn)某一項(xiàng)占支配地位的不確定度分量在整個(gè)頻率范圍內(nèi)變化很大，有的頻段很高，有的頻段很低，這時(shí)可考慮分頻段評(píng)定各自的不確定度。

2 動(dòng)車(chē)組射頻發(fā)射系統(tǒng)測(cè)試不確定度評(píng)定

2.1 數(shù)學(xué)模型

輻射發(fā)射測(cè)量的影響因素包括接收機(jī)、天線、場(chǎng)地、線纜衰減、阻抗匹配、相對(duì)位置等，場(chǎng)強(qiáng)值E受到以下19 個(gè)量值的影響，見(jiàn)式（1）：

式中：Vr為接收機(jī)讀數(shù)；ac為天線至接收機(jī)衰減；Fa為雙錐天線因子（或?qū)?shù)周期天線因子）；δVSW為正弦波電壓；δVPa為脈沖幅度響應(yīng)；δVPr為脈沖重復(fù)率響應(yīng)；δVnf為噪聲本底接近度；δM為天線至接收機(jī)失配；δFaf為天線因子頻率內(nèi)插；δFah為天線因子高度偏差；δFadir為方向性差別；δFaph為相位中心位置；δFacp為交叉極化；δFabal為天線平衡；δAN為場(chǎng)地不完善；δANT為桌面材質(zhì)影響；δd為間距；δh為桌子高度；δEamb為環(huán)境噪聲對(duì)開(kāi)闊場(chǎng)的影響。

2.2 不確定度的確定

根據(jù)動(dòng)車(chē)組射頻發(fā)射外場(chǎng)測(cè)試的具體條件，對(duì)每一個(gè)影響因子的不確定度評(píng)定分析。

接收機(jī)讀數(shù)Vr：其不確定度由北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所提供，查校準(zhǔn)證書(shū)，概率分布函數(shù)k=1，擴(kuò)展不確定度為0.05 dB，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為±0.05 dB。

天線至接收機(jī)衰減ac：概率分布函數(shù)k=2，擴(kuò)展不確定度0.1 dB，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為±0.05 dB。

雙錐天線因子Fa（或?qū)?shù)周期天線因子）：其不確定度由北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所提供，查校準(zhǔn)證書(shū)，概率分布函數(shù)k=2，雙錐天線和對(duì)數(shù)周期天線擴(kuò)展不確定度都為1.7 dB，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為±0.85 dB。

正弦波電壓δVSW：查校準(zhǔn)證書(shū)，概率分布函數(shù)k=2，擴(kuò)展不確定度為0.6 dB，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為±0.3 dB。

脈沖幅度響應(yīng)δVPa：查校準(zhǔn)證書(shū)，概率分布函數(shù)為矩形分布，擴(kuò)展不確定度為0.5 dB，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為±0.29 dB。

脈沖重復(fù)率響應(yīng)δVPr：查校準(zhǔn)證書(shū)，概率分布函數(shù)為矩形分布，擴(kuò)展不確定度為0.1 dB，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為±0.06 dB。

噪聲本底接近度δVnf：1 臺(tái)CISPR 接收機(jī)的本底噪聲與接近限值的射頻騷擾幅值相比，量值差距極大，可簡(jiǎn)化忽略［6］。

天線至接收機(jī)失配δM：概率分布函數(shù)為U 型分布，擴(kuò)展不確定度為0.9 dB，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為±0.67 dB。

天線因子頻率內(nèi)插δFaf：查產(chǎn)品手冊(cè)，概率分布函數(shù)k=2，擴(kuò)展不確定度為0.5 dB，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為±0.25 dB。對(duì)于正好在校準(zhǔn)頻率點(diǎn)上的天線系數(shù)，不必考慮修正值。

天線因子高度偏差δFah：概率分布函數(shù)為矩形分布，擴(kuò)展不確定度為0.1 dB，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為±0.06 dB。

方向性差別δFadir：在3 m 和10 m 間距的情況，認(rèn)為垂直極化雙錐天線和水平極化或垂直極化的對(duì)數(shù)周期天線都需要高達(dá)+1 dB 的修正值δFadir，不確定度按0 dB 考慮。

相位中心位置δFaph：對(duì)數(shù)周期天線的相位中心與測(cè)試頻率相關(guān)，對(duì)數(shù)周期天線δFaph擴(kuò)展不確定度為0.3 dB，服從矩形分布，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為±0.17 dB。

交叉極化δFacp：雙錐天線的交叉極化響應(yīng)是可以忽略的。對(duì)于對(duì)數(shù)周期天線δFacp擴(kuò)展不確定度為0.9 dB，服從矩形分布，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為±0.52 dB。

天線平衡δFabal：不確定度按0 dB 考慮。

場(chǎng)地不完善δAN：CISPR 16-1 標(biāo)準(zhǔn)給出的場(chǎng)地不理想允許誤差限為±4 dB，如果其小于4 dB，修正值δSA的估計(jì)值可以取0。但是，實(shí)際測(cè)試場(chǎng)地（北京環(huán)行鐵道試驗(yàn)基地）一般都存在場(chǎng)地尺寸不足及反射物的影響。文獻(xiàn)［7］建立了高速鐵路環(huán)境電磁兼容測(cè)試場(chǎng)地衰減的理論模型，并對(duì)實(shí)際場(chǎng)地的衰減進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果比對(duì)表明，場(chǎng)地衰減最大差值為0.74 dB，對(duì)于場(chǎng)地不完善，擴(kuò)展不確定度為4.74 dB，服從三角分布，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為±1.92 dB。

間距δd：天線與動(dòng)車(chē)組測(cè)試距離為10 m。如測(cè)試誤差為0.1 m，則引起接收機(jī)信號(hào)強(qiáng)度誤差為±20 lg（10.1/10）= ±0.09 dB，服從矩形分布，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.06 dB。

桌子高度δh：桌子高度不為0.8 m 時(shí)也會(huì)影響不確定度。概率分布函數(shù)為矩形分布，擴(kuò)展不確定度為0.1 dB，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為±0.05 dB。

2.3 外場(chǎng)試驗(yàn)環(huán)境噪聲影響分析

環(huán)境噪聲對(duì)實(shí)際測(cè)試場(chǎng)地的影響為δEamb，在實(shí)際動(dòng)車(chē)組射頻輻射發(fā)射測(cè)試中，如果某一頻率或某一頻段的環(huán)境噪聲低于限值6 dB 以上時(shí)，則這些頻率的測(cè)試結(jié)果可以不考慮背景噪聲的影響，并在測(cè)試報(bào)告中注明這些頻率點(diǎn)［5］。那么，考慮在評(píng)定過(guò)程中最?lèi)毫拥沫h(huán)境噪聲情況，即環(huán)境噪聲電平恰好比限值小6 dB，假設(shè)天線處接受到的信號(hào)總功率為P，該功率值由2 部分組成，一部分來(lái)自于被試動(dòng)車(chē)組的射頻騷擾Ps；另外一部分就來(lái)自動(dòng)車(chē)組運(yùn)行環(huán)境的電磁噪聲Pa，也就是說(shuō)，測(cè)試時(shí)觀察到的動(dòng)車(chē)組實(shí)際射頻騷擾是二者之疊加，其關(guān)系為式（2）：

由于EMI 接收機(jī)的輸入阻抗為50 Ω，則接收天線處總壓電場(chǎng)強(qiáng)度為式（3）：

式中：E為接收天線處總的電場(chǎng)強(qiáng)度；Es為動(dòng)車(chē)組射頻騷擾電場(chǎng)強(qiáng)度；Ea為動(dòng)車(chē)組運(yùn)行環(huán)境電磁噪聲的電場(chǎng)強(qiáng)度。

當(dāng)環(huán)境電磁噪聲比限值小6 dB 時(shí)，且對(duì)于幅值剛好處在限值水平上的動(dòng)車(chē)組電磁騷擾，即有式（4）：

式中：Us、Ua單位為dB。

實(shí)際射頻電平信號(hào)U（μV）與電平U（dB）的關(guān)系為對(duì)數(shù)，分別為式（5）、式（6）：

剛達(dá)限值的總輻射值為環(huán)境噪聲的2 倍。

因?yàn)橛惺剑?）、式（8）：

測(cè)量誤差為式（9）：

取k=1，在環(huán)境噪聲最?lèi)毫訒r(shí)，環(huán)境噪聲對(duì)北京環(huán)行鐵道試驗(yàn)基地測(cè)試的影響δEamb的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為0.97 dB。

2.4 合成不確定度的確定

根據(jù)數(shù)學(xué)模型和各參數(shù)的分析結(jié)果，30 MHz～200 MHz 水平極化輻射騷擾測(cè)量的不確定度見(jiàn)表1，20 MHz～1 GHz 水平極化輻射騷擾測(cè)量的不確定度見(jiàn)表2。

表1 雙錐天線在10 m 距離上，30 MHz～200 MHz 水平極化輻射騷擾測(cè)量的不確定度(靈敏系數(shù)Ci=1)

表2 對(duì)數(shù)周期天線在10 m 距離上，200 MHz～1 GHz 水平極化輻射騷擾測(cè)量的不確定度(靈敏系數(shù)Ci=1)

當(dāng)全部輸入量Xi相互獨(dú)立時(shí)，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度Uc（y）可表示為式（10）：

文獻(xiàn)［8］對(duì)于開(kāi)闊場(chǎng)或替代場(chǎng)地，不要求考慮環(huán)境噪聲的影響，經(jīng)計(jì)算雙錐天線與接收機(jī)組成的測(cè)試系統(tǒng)Uc（y）1=2.16 dB。

不考慮環(huán)境噪聲的影響，經(jīng)計(jì)算對(duì)數(shù)周期天線與接收機(jī)組成的測(cè)試系統(tǒng)Uc（y）2=2.17 dB。

文獻(xiàn)［6］要求考慮環(huán)境噪聲的影響，加入環(huán)境噪聲影響因子δ Eamb的不確定度計(jì)算值，經(jīng)計(jì)算雙錐天線與接收機(jī)組成的測(cè)試系統(tǒng)Uc（y）3=2.37 dB。

經(jīng)計(jì)算對(duì)數(shù)周期天線與接收機(jī)組成的測(cè)試系統(tǒng)Uc（y）4=2.37 dB。

2.5 擴(kuò)展不確定度的確定

計(jì)算合成不確定度Uc（y）之后，得到擴(kuò)展不確定度Ulab為式（11）：

式中：k為包含因子。

一般實(shí)驗(yàn)室都取k=2，置信概率95%，則不考慮環(huán)境噪聲影響的情況下Ulab=4.32 dB（雙錐天線），Ulab=4.34 dB（對(duì)數(shù)周期天線天線）。取2 位有效數(shù)字，對(duì)數(shù)周期天線和雙錐天線與接收機(jī)組成的動(dòng)車(chē)組輻射發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)的Ulab=4.3 dB。

考慮環(huán)境噪聲的影響，系統(tǒng)Ulab=4.74 dB；取2位有效數(shù)字，對(duì)數(shù)周期天線和雙錐天線與接收機(jī)組成的動(dòng)車(chē)組輻射發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)的Ulab=4.7 dB。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)動(dòng)車(chē)組輻射發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)場(chǎng)強(qiáng)值影響因子的分析評(píng)估，充分考慮到測(cè)試時(shí)最?lèi)毫忧闆r下背景噪聲的影響，利用輻射發(fā)射不確定度數(shù)學(xué)計(jì)算模型，計(jì)算出動(dòng)車(chē)組輻射發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)的擴(kuò)展不確定度Ulab=4.7 dB，小于CISPR 16-4-2 規(guī)定的開(kāi)闊場(chǎng)或替代場(chǎng)地UCISPR不超過(guò)5.1 dB 的要求，計(jì)算結(jié)果表明，本測(cè)試系統(tǒng)無(wú)需修正即可給出動(dòng)車(chē)組對(duì)外射頻騷擾試驗(yàn)的符合性結(jié)論。