李華,李曉智,黃雪梅
(中國汽車工程研究院股份有限公司,重慶 401122)
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)JJF 1059.1-2012對(duì)測(cè)量不確定度的定義為:根據(jù)所用到的信息,表征賦予被測(cè)量值分散性的非負(fù)參數(shù)[1]。它反映的是測(cè)量結(jié)果可能偏離真實(shí)值的范圍大小,是測(cè)量結(jié)果可信度的指標(biāo)。根據(jù)GB/T 27025-2019的要求:開展檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)室應(yīng)評(píng)定測(cè)量不確定度[2]。由于汽車電子輻射發(fā)射測(cè)試過程的復(fù)雜性,因此本文僅以喇叭天線的測(cè)量不確定度評(píng)定為例,闡述汽車電子輻射發(fā)射測(cè)量不確定度評(píng)定的方法。
汽車電子輻射發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成,其中硬件部分主要由半電波暗室提供測(cè)量環(huán)境,測(cè)量接收機(jī)和接收天線構(gòu)成的測(cè)量系統(tǒng),由于考慮到環(huán)境底噪,在進(jìn)行1 GHz以上的頻段進(jìn)行測(cè)試時(shí),會(huì)用到40 dB預(yù)置放大器。由于汽車電子輻射發(fā)射測(cè)量不確定度評(píng)定的內(nèi)容過多,因此本文僅以1 GHz的頻段的測(cè)量工不確定度評(píng)定為例。因此本文的呈現(xiàn)的數(shù)學(xué)模型,測(cè)試布置圖、測(cè)試鏈路分析圖,均針對(duì)1 GHz以上頻率段的輻射發(fā)射測(cè)試。本文中用到的主要儀器設(shè)備見表1,系統(tǒng)布置圖見圖1,系統(tǒng)鏈路分析圖如圖2。
圖1 測(cè)試系統(tǒng)布置圖[3]
圖2 測(cè)試系統(tǒng)鏈路分析圖
表1 測(cè)試儀器設(shè)備表
根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)鏈路以及實(shí)際測(cè)試設(shè)備情況進(jìn)行分析,由于本實(shí)驗(yàn)室對(duì)于汽車電子專用的預(yù)置放大器的校準(zhǔn)是與連接線纜一起進(jìn)行得到的校準(zhǔn)結(jié)果參數(shù)。因此數(shù)學(xué)模型與CISPR25中的模型有差異,建立數(shù)學(xué)模型如下:
式中:
E—被測(cè)量電場(chǎng)強(qiáng)度。
根據(jù)測(cè)試鏈路,列出數(shù)學(xué)模型中的相關(guān)參量,以及參數(shù)說明如表2。
表2 參量說明表
被測(cè)量的估計(jì)值E的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的計(jì)算公式如下:
式中:
u(xi)—輸入量xi的標(biāo)準(zhǔn)不確定度;
r(xi,xj)—輸入量xi與xj之間的相關(guān)系數(shù);
r(xi,xj)u(xi)u(xj)=u(xi,xj);
u(xi,xj)—輸入量與之間的協(xié)方差。
由于該數(shù)學(xué)模型(式(1))中各參量彼此不相關(guān),被測(cè)的電場(chǎng)結(jié)果E的值為各參量線性相加,因此靈敏系數(shù):
標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定方法有以下兩類:標(biāo)準(zhǔn)不確定度A類評(píng)定方法和標(biāo)準(zhǔn)不確定度B類評(píng)定方法。
標(biāo)準(zhǔn)不確定度A類的評(píng)定方法是對(duì)被測(cè)量重復(fù)進(jìn)行n(n≥10)次測(cè)量,然后運(yùn)用統(tǒng)計(jì)分析的方法進(jìn)行數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析,然后通過試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差得到其標(biāo)準(zhǔn)不確定度的值。實(shí)際評(píng)定過程中時(shí)用穩(wěn)定的信號(hào)源通過優(yōu)質(zhì)同軸電纜發(fā)射一個(gè)穩(wěn)定的射頻信號(hào),然后利用接收機(jī)的重復(fù)讀取該信號(hào)的大小。然后利用貝塞爾公式,求取該試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)偏差。然后根據(jù)該試驗(yàn)偏差求取單次試驗(yàn)的偏差。
標(biāo)準(zhǔn)不確定度B類的評(píng)定方法是通過經(jīng)驗(yàn)估計(jì)、極值計(jì)算、校準(zhǔn)參數(shù)的溯源、設(shè)備的技術(shù)參數(shù)手冊(cè)、設(shè)備檢定要求等獲得其真值的可能的半寬度為a的區(qū)間。然后通過半寬度的a以及符合的概率分布函數(shù),計(jì)算得出其標(biāo)準(zhǔn)不確定度的值。
根據(jù)前面的闡述以及測(cè)試系統(tǒng)的鏈路分析,本數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)只有接收機(jī)的電壓讀數(shù)符合標(biāo)準(zhǔn)不確定度A類評(píng)定的方法,其余參數(shù)均適用于標(biāo)準(zhǔn)不確定度B類評(píng)定的方法。
汽車電子輻射發(fā)射測(cè)試中涉及天線眾多,并且天線的水平和垂直極化方向上的天線因子、天線方向性、天線交叉極化響應(yīng)、天線平衡性等均有差異,因此對(duì)于汽車電子輻射發(fā)射的測(cè)量不確定度評(píng)定,要分為水平、垂直兩個(gè)極化方向上進(jìn)行。
通過同軸電纜用信號(hào)源發(fā)送頻率為2 GHz強(qiáng)度為66 dB的射頻信號(hào)到測(cè)量接收機(jī),重復(fù)10次讀取信號(hào)強(qiáng)度值,并分析計(jì)算。接收機(jī)的電壓讀數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)不確定如表3。
表3 標(biāo)準(zhǔn)不確定度A類評(píng)定結(jié)果表
根據(jù)喇叭天線的特性,天線在其水平或垂直極化方向的交叉極化響應(yīng)、平衡性的對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響幾乎可以忽略不計(jì),并且為定高度掃描,并且天線方向性影響在兩個(gè)極化方向上幾乎一致,根據(jù)實(shí)際分析,其在水平和垂直方向上的標(biāo)準(zhǔn)不確定分量均相等。因此得到如表4的標(biāo)準(zhǔn)不確定度B類評(píng)定結(jié)果表。
表4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度B類評(píng)定結(jié)果表
設(shè)合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度服從標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布,取包含概率為95 %,此時(shí)包含因子k=2。計(jì)算擴(kuò)展不確定度U(E)=2uc(E)=4.45 dB。
汽車電子輻射發(fā)射的評(píng)定要點(diǎn),可以分為以下幾點(diǎn);
1)因?yàn)闇y(cè)試過程中不同的頻段會(huì)涉及到不同的接收天線,而天線的特性又不同,因此在測(cè)量不確定度評(píng)定的過程中,要分為頻段、分天線、分極化方向進(jìn)行。
2)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的評(píng)估方法不一樣,有的參數(shù)是通過查詢校準(zhǔn)證書相關(guān)參數(shù)、有的參數(shù)是根據(jù)極限值的計(jì)算得到的,有的參數(shù)是通過經(jīng)驗(yàn)估計(jì)得出的,有的參數(shù)又是通過畫圖分析得來的。因此在進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度B類評(píng)定的過程中,要注意方法的適用性,概率分布函數(shù)的選擇的正確性。不確定時(shí),可以參考標(biāo)準(zhǔn)CISPR16-4-2中的內(nèi)容。
3)在計(jì)算擴(kuò)展不確定度的過程中,測(cè)量擴(kuò)展不確定度數(shù)據(jù)需要與被測(cè)量的測(cè)量結(jié)果末位對(duì)齊,一般為兩位小數(shù)。并在數(shù)據(jù)處理過程中,采取“只入不舍”的方式進(jìn)行。
檢測(cè)活動(dòng)中最為重要的便是保證試驗(yàn)的方法正確性、結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性,因此建議如下:
1)規(guī)范操作。在斷、接與接收機(jī)相通的鏈路時(shí),需帶靜電防護(hù)手套,接同軸線纜的過程中注意接頭兩端的同心度,一定要保證接頭連接可靠性。
2)試驗(yàn)室在日常開展汽車電子電磁兼容測(cè)試活動(dòng)的過程中,應(yīng)定期測(cè)試環(huán)境的底噪,并者定期用性能穩(wěn)定梳狀信號(hào)源驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性。每次設(shè)備校準(zhǔn)或期間核查活動(dòng)之后,實(shí)驗(yàn)室均需重新評(píng)估測(cè)量不確定度的值。
測(cè)量不確定度值的大小反映的是測(cè)量結(jié)果可信度的重要參數(shù)。在汽車電子輻射發(fā)射測(cè)量過程中,對(duì)于測(cè)量結(jié)果的影響因素多,測(cè)量過程繁瑣、復(fù)雜,所以對(duì)其進(jìn)行測(cè)量不確定度評(píng)定的過程也較為復(fù)雜,因此電磁兼容實(shí)驗(yàn)室可參照本文的思路對(duì)實(shí)驗(yàn)室汽車電子輻射發(fā)射項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)量不確定度評(píng)定。