GB/Z 6113.405-2010 无线电骚扰和抗扰度测量设备和测量方法规范 第4-5部分:不确定度、统计学和限值建模替换试验方法的使用条件

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  • 本章给出了基于确定的试验方法的限值推导替换试验方法限值的程序。图1汇总了相关性处理所 需的估计量。图2给出了使用这些量进行相关性处理的流程图。以下的步骤完成的转换可由数值仿 真、测量、或者仿真和测量的组合来实现。可计算的EUT或参考EUT对这种转换程序是非常有价值 的。在以下章条,作为转换过程的一部分,图1和图2中给出的量可合成为一些等式。表2汇集了这些 等式。表1给出了转换程序所需的步骤。

    图1转换程序中估计量的汇总

    图2估计量在限值转换程序中的应用

    表2转换过程中的量、量的定义及公式汇总

    第一步是选择参考量X。选择的基础是能对无线电业务引起干扰的量。参考量的选择同时也取决 于EUT的类型。 对于附录B所研究的EUT类型,作为例子,选择在包围EUT的具有一定半径的球面上的最大电 场强度作为30MHz~1GHz辐射发射测量的参考量。对于30MHz以下的频率范围,根据频段和耦 合模型发电厂标准规范范本,参考量可以为电场强度的垂直分量、磁场强度或不对称(共模)电压。一般来说,参考量和实际 被测量不必有相同的单位,

    6.3试验方法和被测量的描迷

    替换试验方法和确定的试验方法都应对被测量加以描述。此外,还应规定试验布置的几何尺寸、 EUT发射的测量方法和获得最终测量结果所用的数据处理方法。这种叙述对于理解有关试验方法的 工作原理和给出两种试验方法比较的基础是必不可少的。在大多数情况下,这种叙述在规定试验方法 的标准里是明确的或含的。

    6.4确定被测量与参考量的偏差

    每一种试验方法所得到的结果都会偏离参考量。此偏差取决于试验布置和EUT的特性。对某一 EUT:,可以确定替换试验方法和确定的试验方法与频率有关的偏差。 对于给定的EUT:,以对数表示的替换试验方法的偏差由式(1)给出:

    6.5确定偏差的平均值

    由式(1)和式(2)给出的偏差对于不同的EUT是不同的。为了获得更普遍的结果,应考虑EUT的

    不同特性。附录A给出了这样的例子。对于替换试验方法和确定的试验方法,N个EUT会得到N个 偏差D的集合。由D的集合很容易确定其平均值。关于EUT的考虑和不同特性的细节见附录A。 替换试验方法的偏差平均值的估计由式(3)给出

    DeTM = DETM

    由于不确定度与每一个测量结果有关,因此试验方法的比较程序必须考虑不确定度。由于确定的 试验方法得到的结果自身就有不确定度,必须注意的是这些不确定度作为转换程序的一部分不应传递 给替换试验方法得到的结果。否则,替换试验方法的使用会受到确定的试验方法不确定度的影响。 发射测量的不确定度由些分量组成。一方面是来自于GB/T6113.402给出的测量设备和设施 贡献的不确定度;另一方面是EUT的辐射特性和试验布置组合在一起引起的自有不确定度uinherent。 例如,在辐射发射测量中,对于一些类型的EUT辐射图,开阔试验场法(确定的试验方法)可能无法获 得辐射发射的波瓣峰值。由试验方法得到的结果与参考量的偏差取决于EUT的辐射特性,但是对一 任意EUT的辐射特性事先并不知道。仅当研究了具有不同特性的EUT的性能时才能估计所产生的 自有不确定度uinherent。与6.4相似,与N个样本构成的EUT集合的参考量之差可用来估计标准偏差 以作为自有不确定度的度量。 利用实验标准偏差的计算公式,替换试验方法的自有不确定度由式(5)给出:

    UATM,inherent" 一替换试验方法的自有不确定度: s(DATM)—集合DATM的实验标准偏差; ATM,DATM:—见式(3)。 类似地,确定的试验方法的自有不确定度由式(6)给出:

    UATM,inherent 替换试验方法的自有不确定度; S(DATM) 集合DATM的实验标准偏差; N,i,DATM,DATMi 一见式(3)。 类似地,确定的试验方法的自有不确定度由式(

    UETM,inherent 一确定的试验方法的自有不确定度; s(DeTM)集合DeTM的实验标准偏差; N,i,DeTM,DeTMi 一见式(4)。

    6.7估计试验方法的扩展不确定度

    扩展不确定度可由合成标准不确定度乘以包含因子得到。替换试验方法的合成 UATM可由式(7)计算:

    ATM /uATM.m + uATM.int ninc + uATM.inhere

    UATM uATM.m +uATM.int rintic +uATM.inhere

    UETM,m 由测量设备和设施贡献的确定的试验方法的合成标准不确定度; UETM,inberent 确定的试验方法的自有不确定度,见式(6); UETM,intrin 一确定的试验方法被测量的固有不确定度。 确定的试验方法的扩展不确定度由式(10)给出:

    JETM 一确定的试验方法的扩展不确定度 一包含因子:

    6.8计算平均转换因子

    lETM uErMm + uETM.int rinsic + uETM.inberer

    UETMk·UETM

    DeTM(f)一一由确定的试验方法得到的EUT:的测量结果与参考量的偏差(见式(2)) 平均转换因子可由替换试验方法和确定的试验方法的平均偏差计算得到,见式(12):

    DeTM(f)——确定的试验方法与参考量的平均偏差,单位为dB 式(3)和式(4)代人式(12)得出式(13):

    使用式(1)和式(2),平均转换因子可由EUT集合的测量结果来表示,见式(14)

    在很多情况下有必要通过数值仿真计算获得与参考量的差值及其平均值和标准偏差。强烈建议通 过测量来验证计算结果。

    如果要将确定的试验方法的限值转换为替换试验方法的限值,则首先需要得到式(8)、式(10)、式 12)或式((14)的计算结果。 使用平均转换因子,确定的试验方法的限值可转换为替换试验方法的导出限值,见式(15)

    K(f)一一与频率有关的平均转换因子,见式(12); LETM(f) 确定的试验方法与频率有关的限值; LATM(f)一一不考虑不确定度时,与确定的试验方法的限值等同的替换试验方法的限值。 为了完成转换过程,需要考虑替换试验方法和确定的试验方法的不确定度。定义替换试验方法的 不确定度UATM和确定的试验方法的不确定度UeTM之差为△,见式(16):

    代隐含着如何处理测量不确定度的规贝

    式中: 用于替换试验方法的限值,

    当么>0时 LATM,U LATM 当40时

    附录A (资料性附录) EUT建模的说明 在6.5和6.6中已讨论过,EUT的特性会直接影响到测量结果,进而会影响其与参考量的偏差, 考虑辐射发射测量的例子,当使用开阔试验场或全电波暗室的峰值搜索测量方法时,EUT的辐射特性 会影响获得最大发射的概率。为了得到更具普遍性的结果,需要考虑使用具有不同辐射特性的多个 EUT来确定转换参数。本附录叙述 EUT建模的一般性考虑,

    EUT的某些特性会显著影响其辐射性能。因此有必要把具有相同主要特性的EUT进行分类。 这样就可以对其分别进行考虑和研究。基于试验布置,通常将EUT分成以下三种类别: a)无连接电缆的台式设备; b)有连接电缆的台式设备; )落地式设备。

    A.1的每一种EUT类别都是由许多具有不同工作模式和性能特性的装置组成。为了尽可能地涵 盖变化多样的EUT特性,使用统计方法更有效。使用该方法可得到普遍适用的平均转换参数及其不 确定度。由EUT未知的辐射特性引入的不确定度uinherent只能通过考患不同EUT的类别并对测量数据 进行统计分析来确定。附录B给出了应用这种统计方法的例子

    1全电波暗室3m法测量与开阔试验场10

    B.1.1无连接电缆的小型设备

    所谓保护要求就是使EUT辐射的扰场强干扰无线电业务的风险最小化。一种度量EUT潜在 干扰的量为EUT发射的电场强度。一般来说,由于EUT最终使用时的布置是未知的或者是不固定 的,所以需要在EUT的所有方向和极化上寻找最大场强。因此选择自由空间条件下、与方向或极化无 关的EUT发射的远场电场强度的最大值作为参考量。考虑到频率范围和EUT的物理尺寸,可以假设 距离EUT10m(dref=10m)时远场条件成立。图B.1为定义参考量的示意图。应当指出在实际当中 进行这样的测量是十分困难的或者不切实际的,但这样的布置和参考量对于数值仿真计算是非常适合 的。定义参考量适用的频率范围为30MHz~1000MHz。

    B.1.1.2描述试验方法和被测量(见6.3)

    图B.1定义参考量的示意图

    替换试验方法:全电波暗室(FAR)3m法。图B.2给出了在全电波暗室中进行30MHz~ 1000MHz频率范围辐射发射测量时EUT和天线布置的示意图。接收天线与EUT之间的距离dta为 3m。天线位于EUT垂直高度中心的固定位置上。为了得到最大场强,EUT应在水平面进行旋转,辐 射场的水平极化和垂直极化都应测量。FAR为在墙面、天花板和地面加装了吸波材料的屏蔽室。因 此,理想情况下天线只能接收到EUT辐射的直射波。

    图B.2全电波暗室辐射发射测量时EUT和天线布置的示意图

    确定的试验方法:开阔试验场(OATS)10m法。图B.3给出了在开阔试验场进行的30MHz~ 1000MHz辐射发射测量时EUT和天线布置的示意图。接收天线与EUT之间的距离为10m(即 doATs=10m)。为了得到最大场强,应旋转EUT,天线应在1m~4m的高度范围内移动。试验布置置 于导电接地平面上。OATS和试验布置的周围环境中应无任何反射物体。因此理想情况下,天线只能 接收到直射波和地面反射波

    CISPR归一化场地衰减(NSA)场地有效性判据的半电波暗室可用于符合性测量。因此,也 波暗室作为确定的试验方法。由于自有不确定度的估计是在假设试验场地为理想的前提条 所以从以下给出的例子得到的结果同样适用于这种情况。理想情况下,半电波暗室和开阔 提供(除了地面以外的)无反射波的条件。

    .1.1.3确定测量量与参考量的偏差(见6.4

    图B.3开阔试验场测量时EUT和天线布置

    测量结果很天程度上取决于EUT的辐射特性。因此对不同测量布置的辐射特性的研究必须包括 各式各样的不同辐射方式的EUT。下面使用无外接电缆的台式EUT的统计模型。 一般来说,任一EUT的辐射图可通过辐射元(例如,电短偶极子)辐射场的叠加来近似。因此,大 量具有不同特性的(轴的方向、幅度、相移和位置)电短偶极子可以随机产生不同的辐射图。图B.4示 出了辐射元的辐射特性和EUT的仿真模型。尤其要说明的是,这里使用的EUT模型基于以下概念: 一定数量的偶极子位于一定的体积内,它们的位置、方向和激励应以统计规律变化以产生具有一定统计 分布的辐射特性。这种EUT的统计模型对于台式EUT而言,是一种切合实际且合理的仿真方法。 通过对四个不同体积[(30cm)",(60cm)",(90cm)3,(120cm)"]的EUT模型的仿真来研究不同 EUT模型对辐射发射的影响。选取的这4种体积能够代表典型的台式设备的最大体积。由于用于代 表实际EUT特性的辐射元的数量是不能确定的,位于所选体积内的辐射元的理想数量也是未知的,因 此还研究了辐射元数量变化对发射的影响。所预期的辐射元的数量的影响如下: 一对于一个辐射元,建立偶极子辐射模型; 一辐射元数量的增加会产生更加复杂的辐射特性; 一无穷多辐射元的辐射性能等同于偶极子。 分别对1个、2个、5个、10个、30个和50个辐射元进行的仿真结果主要表明: 一1个或2个辐射元的仿真结果仅在一些频率上产生最坏情形; 一10个,30个或50个辐射元的仿真结果几乎在整个频率范围产生最坏情形; 与10个和2个辐射元的仿真结果之间的差异相比,10个、30个和50个辐射元的仿真结果之 间的差异是非常小的。

    辐射元的辐射特性(左)和EUT的仿真模型(

    由以上的研究可以得出:多于50个辐射元的仿真可能会得到相同的结果。因此,仿真的结果可用 来获得最坏情形的正确近似。 对每一组的体积和辐射元的数量,构成一个N=1000的EUT集合。 注1:一般来说,EUT的数量应尽可能的多,但仿真的时间又必须是有限的。因此选取1000个EUT是一种合理 的折衷:基于非参数统计理论,样本数量为1000时,以99.9%的置信度获得仿真值的95%的置信区间边界 的估计。这些边界值对于标准偏差和由此引起的自有不确定度的估计是重要的。详见[2]或[1]的第3章。 对于这种集合里的每一个EUT:,例如,具有5个辐射元、体积为(30cm)3的集合,可以计算参考量 X:、FAR中的辐射场强EFAR(3m);和开阔试验场中的辐射场强EoATS(10m)i,其应与测得的场强值相等。 注2:由于EUT的统计模型会使单个EUT具有较大的水平或垂直场分量,因此,计算的场强要以与实测相同的方 式来确定:不考虑极化方式,取场强的最大值。因此,场强的极化方式按统计规律变化,导出的结果同时包含 水平极化和垂直极化分量。 由这些结果,根据6.4中的式(1)可计算得到替换试验方法的偏差,见式(B.1)。

    EPAR(3m)i 由FAR3m法得到的EUT:的场强; X;,DATMi,i—见6.4中的式(1); DFAR(3m)i 由FAR3m法得到的EUT:的结果与参考量X的偏差。 与此同时,根据6.4中的式(2)可计算得到确定的试验方法的偏差,见式(B.2)。

    EOATS(1Cm)i 由OATS10m法得到的EUT:的场强; X,DeTMi,i 见6.4中的式(2); DoATS(10m)i 由OATS10m法得到的EUT:的结果与参考量X的偏差,

    对于替换试验方法和确定的试验方法,可根据6.5中的式(3)和式(4)分别计算得到平均偏差,见式 B.3)、式(B.4)。对于每一个由1000个EUT构成的集合都应照此进行计算

    1000 ,DFAR(3 (B.3) CDoATS(10m)i 1000 (B. 4)

    Dmax vol,FAR(3 m) = Dset.FAR(3 m) ; max 品射元的款量

    式中: 见式(B.3); D st: ATS(10 m) 见式(B.4); 对于一个给定体积的EUT,FAR3m法的最大平均偏差; 对于个给定体积的EUT,OATS10m法的最大平均偏差。 图B.5示出了最大偏差的例子。

    式中: 见式(B.3); D st: ATS(10 m) 见式(B.4); 对于一个给定体积的EUT,FAR3m法的最大平均偏差; 对于个给定体积的EUT,OATS10m法的最大平均偏差 图B.5示出了最大偏差的例子。

    图B.5FAR3m法(上)和OATS10m法(下)的最大平均偏差

    测量设备和设施的不确定度:对于替换试验方法(FAR3m法),目前的CISPR标准仍没有给出测 量设备和设施的不确定度。对于由天线和试验场地贡献的不确定度,可以使用欧盟FAR项目的最终 技术报告给出的数值[4]。可以预期,对于其他贡献的不确定度,OATS和FAR是相同的医院建设标准,可以直接引 用GB/T6113.402一2006的数值。表B.1给出了测量设备和设施的不确定度。对于确定的的试验方 法,测量设备和设施的不确定度见基础标准GB/T6113.402一2006。 固有不确定度:固有不确定度的数值在GB/T6113.401一2007中仍在考虑当中。因此在本例中并 未包括固有不确定度的贡献,

    由EUT特性未知引入的不确定度:由6.6中的式(5)和式(6)可分别计算得到替换试验方法和确定 的试验方法的标准自有不确定度uinherent。由于偏差的累积分布函数有着强的不对称性,直接应用等式 会得出太小的不确定度的估计。图B.6的样本累积分布函数(CDF)例证了这种偏小的估计。如果 CDF是对称的,区间[DeTM;kETM·s(DeTM)将包含95%区间的上半部分。 但由图可以看出,这种估计是不正确的。实际上keTM·s(DeTM)95%区间的上边界的估计值偏小。 为了避免这种低估,引入标准偏差S+,S+仅使用大于标准偏差平均值的数值来计算。

    图B.6样本累积分布

    这些值的数量用N+表示,近似的标准偏差用S+表示。给定EUT,=1N的序号变为新的序号 i=1N+。可由式(B.6)计算每一个EUT集合的标准偏差

    表B.1全电波暗室3m法的测量设备和设施的不确定度

    图B.7FAR3m法(上)和OATS10m法(下)由EUT特性未知引入的不确定度

    表B.2对于FAR3m法由EUT特性未知引入的不确定度(单位:dB)

    石油标准TS10m法由EUT特性末知引入的不确定度

    法的95%的充差区间。由其区间宽度和标准偏 差,可以近似得到包含因子。 对 包含因子见式(B.10)

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