半电波暗室中的EMI辐射骚扰试验测量不确定度分析与评定

李建明，王 巍，肖 鹏，马轲灜，钟国林

（中国测试技术研究院，四川 成都 610021）

0 引言

辐射骚扰主要是指骚扰能量以电磁波形式由骚扰源发射到空间或以电磁波形式在空间传播的现象。由于30～1000MHz高频电磁场的发射与接收完全是以空间直射波与地面反射波在接收点相互迭加的理论为基础的，开阔试验场是重要的电磁兼容测试场地。但开阔试验场造价高并远离市区（背景噪声电平大而影响EMC测试），使用不方便，而由电波暗室替代进行测试[1]。半电波暗室和微波电波暗室不同，半电波暗室五面贴吸波材料，主要模拟开阔试验场地，即电波传播时只有直射波和地面反射波。在电波暗室内进行辐射骚扰实验时，结果的不确定度是不可忽视的。

1 不确定度与误差以及不确定度基本概念

用传统方法对测量结果进行误差评定主要遇到两个问题，第一逻辑概念不清，真值无法得到，因此严格意义上的误差也无法得到，能得到的只是误差的估计值，误差的概念只能用于约定真值的情况。第二评定方法不一致，随机误差和系统误差是两个性质不同的量，前者用标准偏差表示，后者则用可能产生的最大误差表示。在不同领域中采用的方法也不完全相同。为了避免用“误差”的概念表述测量结果可能引起的问题，“不确定度”作为取代传统误差表示体系被提出来，它是表征合理地赋予被测量之值的分散性，与测量结果相联系的参数。测量不确定度由多个分量组成。其中一些分量可用测量列结果的统计分布估算，并用实验标准差表征。另一些分量则可用基于经验或其它信息的假定概率分布估算，也可用标准差表征。于是，测量结果理解为被测量之值的最佳估计，而所有的不确定度分量均贡献给了分散性，包括由系统效应引起的分量。测量不确定度是表征测量系统的重要特性指标，是测量结果质量的定量表征[2]。测量误差与不确定度的主要区别总结如表1所示。

要计算测量不确定度，首先必须识别测量中的不确定度来源。然后必须估计出每个来源的不确定度大小。最后把各个不确定度合成以给出总不确定度。有一些明确规则用于评定各项不确定度的贡献，以及如何将它们合成在一起。

表1 测量误差与不确定度的主要区别

2 电波暗室中电磁骚扰不确定度评析

2.1 辐射骚扰系统布局

本文对电波暗室内进行的辐射骚扰试验的不确定度分析是根据CNAS-GL07《电磁干扰测量中不确定度的评定指南》中的方法并结合自身试验室的实际情况，对主要被试设备（EUT）如信息技术设备和工科医类设备在0.03～1 GHz频段范围内的辐射骚扰电场进行讨论，并详细描述了其中普遍存在的几个B类不确定度分量情况。

对于信息技术设备，按照GB 9254-2008《信息技术设备的无线电骚扰限值和测量方法》的要求进行试验，使用复合天线测量被试设备（EUT）工作时向外辐射产生的电场强度，然后通过测量接收机进行分析和计算，最终得到准峰值的测量结果。试验测量系统布置如图1所示。

根据标准规定，在不同距离d1，d2进行测量时，辐射骚扰限值可以根据式（1）进行计算。

图1 电波暗室中辐射骚扰试验布置图

式中：L1——距离d1处规定的限值，μV/m；

L2——距离d2处规定的限值，μV/m。

2.2 辐射骚扰场强测量的数学模型与分析

辐射骚扰场强E由接收机读数Vr、连接网络的衰减量Lc、天线系数AF及测量系统的其他影响量组成，计算公式为

式中：Vr——接收机读数，dB（μV/m）；

Lc——复合天线和接收机间连接网络的衰减量，dB；

AF——天线系数，dB（/m）；

δVsw——接收机正弦波电压不准确的修正值，dB；

δVpa——接收机脉冲幅度响应修正值，dB（如果加到检波器的干扰信号为连续波信号，则不必考虑脉冲响应修正）；

δVpr——接收机脉冲重复频率响应修正值，dB；

δVnf——接收机本底噪声修正值，dB；

δM——复合天线的接收机端口与接收机之间失配误差的修正值，dB；

δAFf——天线系数内插误差的修正值，dB；

δAFh——天线系数随高度变化与标准偶极子天线的天线系数随高度变化之差别的修正值，dB；

δAdir——天线方向性的修正值，dB；

δAph——天线相位中心位置的修正值，dB；

δAcp——天线交叉极化响应的修正值，dB；

δAbal——天线不平衡的修正值，dB；

δSA——不完善的场地衰减的修正值，dB；

δd——天线与被测件间距离测不准的修正值，dB；

δh——桌面离地面高度不适当的修正值，dB。

输入量中接收机读数不确定度评定采用A类评定方法，即Vr的估计值是很多读数的平均值，其标准不确定度为平均值的实验标准偏差。其余分量如输入量的接收机正弦波电压、脉冲幅度、脉冲重复频率和本底噪声影响等因素的不确定度均可以由校准证书获得，或基于经验从统计分布估算，或从保守角度出发取文献[3]中的参照值。本文着重阐述复合天线的接收机端口与接收机之间失配误差的影响。

复合天线的接收机端口（由一根电缆、衰减器、衰减器和电缆的串联组成）连接到一个两端口网络的一端口上，其反射系数为T1；测量接收机的一端连接到反射系数为T2的另一端口上，两端口网络用S参数表征[4]，如图2所示。

图2 两端口网络示意图

失配误差的修正值为

当只知道这些参数的模值时，是无法计算δM值的，但可确定其不会超出极限值δM±：

辐射骚扰场强测量时，假设天线的技术指标VSWR≤2.0，则 T1≤0.33，T2≤0.33。同时假设有一根匹配良好的电缆|S11|≤1，|S22|≤1，其中衰减可忽略，得|S21|≈1。则δM的概率分布近似为U形分布：

由修正值δM和δM±的表达式表明，可以通过在接收机前面增接一个匹配良好、有衰减的两端口网络来减小失配误差，但是会降低测量的灵敏度。

对于复杂天线测试，必须注意确保从接收机向天线端看的阻抗满足VSWR≤2.0∶1的要求。如果对人工电源网络或吸收钳的电压驻波比测量是在与其固定连接的衰减器的输出端口上进行的，则被测设备的阻抗对失配误差的影响将随衰减的增大而减小[5-6]。

2.3 合成不确定度

经总结得到辐射骚扰测量的各不确定度分量的评定，详见表2。

表2 辐射骚扰的不确定度评定

2.4 测量结果的判定

是否符合骚扰的允许极限要求，应按下述方式判定[7]：

（1）假设ULAB小于或等于表3中列出的Ucispr，则：

如果测得的骚扰都不超过骚扰极限值，则可以判定为合格；

如果测得的骚扰超过骚扰极限值，则可以判定为不合格。

（2）假设 ULAB＞表 3 中列出的 Ucispr，则：

如果测得的骚扰加上（ULAB-Ucispr）后不超过骚扰极限值，则可以判定为合格；

如果测得的骚扰加上（ULAB-Ucispr）后超过骚扰极限值，则可以判定为不合格。

表3 判定所依据的Ucispr值

3 结束语

在EMC技术指标的测量过程中，引起测量不确定度的因素有很多，测量系统的概念不仅局限于测量仪器、测量设备的范畴，而是指对被测量值赋值的测量程序、测量人员、设备、环境及软件等要素的综合，是获得测量结果的整个过程，其不确定度的评定较为复杂。工作人员可以参考CNAS-GL07《电磁干扰测量中不确定度的评定指南》，结合实验室自身情况和仪器的校准证书，对辐射骚扰结果进行不确定度评定。还有重要的一点就是测量不确定度是不能拿来修正测量结果的，这是很多工作人员会犯的错误。

[1]钟国林，李建明，马轲瀛，等.利用吉赫兹横电磁波室实现电能表辐射骚扰测量[J].中国测试，2011，37（2）：9-12.

[2]周庆.无线电设备射频一致性自动测试系统的不确定度分析[D].北京：北京邮电大学，2008.

[3]CNAS-GL07电磁干扰测量中不确定度的评定指南[S].2006.

[4]杨旭富，刘宝华.电磁骚扰测量不确定度的评定[J].通信技术，2011（9）：126-128.

[5]林青园，张学宁.EMC辐射骚扰场强的测量不确定度分析与评定[J].通信与广播电视，2006（3）：52-56.

[6]叶雪兵，汤洪波.EMC测量系统测量不确定度的评定[J].计量与测试技术，2007，34（10）：17-18.

[7]刘轻松，丁良旭，许响林，等.30MHz～1GHz电场辐射骚扰测量不确定度的评定[J].电测与仪表，2008（3）：43-46.