Приложение А (справочное). Способы определения значений Ucispr, приведенных в таблице 1, основная информация и обоснование входных величин, общих для всех методов измерения

Приложение А
(справочное)

Способы определения значений U_cispr, приведенных в таблице 1, основная информация и обоснование входных величин, общих для всех методов измерения

А.1 Общие положения

В приложениях А-Е описаны способы определения значений U_cispr при использовании методов измерений, указанных в серии стандартов CISPR 16-2.

В каждом приложении сначала представлено уравнение модели для измеряемой величины - базовое уравнение, в которое сведены основные источники инструментальной неопределенности измерения (MIU) (т.е. входные величины), входящие в систему измерительных устройств, участвующих в измерениях. Уравнение модели получают из модели испытания, и оно обеспечивает математическое определение значения измеряемой величины.

Затем представлены одна или несколько таблиц, в которых приведено оценочное значение каждой входной величины, которая рассматривалась при оценке значений U_cispr в таблице 1 раздела 4. Отметим, что значения, указанные в таблицах приложений В-Е, приведены только в качестве примеров; они получены на основании требований, приведенных в серии стандартов CISPR 16-1, и сами к разряду требований не относятся.

Все допущения, сделанные для определения оценочных значений, должны быть отражены в отчете об испытаниях. Ссылка на допущения делается через сноску. Сноски с индексом "А" относятся к источникам MIU, которые являются общими не менее чем для двух методов. Допущения в отношении таких источников MIU приведены в А.2.

Сноски с индексами от "В" до "Е" относятся к источникам MIU для одного конкретного метода измерения. Допущения, на которых основаны оценки, приведены в разделе соответствующего приложения, которое идет за таблицами. В примечании, следующим за комментарием, приведена дополнительная информация для испытательных лабораторий, которые могут столкнуться с ситуациями, отличающимися от изложенных в настоящем стандарте.

Неопределенность, связанная со значением х_i каждой входной величины, указанной в таблицах приложений В-Е, вероятно, является самым большим рассматриваемым значением в частотной полосе, указанной в таблицах, при условии, что это значение неопределенности отвечает техническим требованиям к измерительной аппаратуре, сформулированным в серии стандартов CISPR 16-1.

Определения терминов, относящихся к неопределенности измерений, и информация об оценке и представлении неопределенности измерения приведены в [2]-[5] и в Руководстве ISO/IEC 98-3.

Стандартную неопределенность u(x_i) рассчитывают путем деления величины неопределенности, связанной с х_i, на коэффициент, который зависит от распределения вероятностей входной величины и от уровня доверительной вероятности, связанного с этой величиной. Для U-образного, прямоугольного или треугольного распределения вероятностей, когда считают, что X_i находится в пределах между (х_i - а^-) и (х_i + а⁺) с уровнем доверительной вероятности 100 %, u(x_i) выбирают как

,

соответственно, где а = (а⁺ + а^-)/2 - половина ширины функции распределения вероятностей.

Для нормального распределения вероятностей делитель равен 2, если величина неопределенности, связанной с х_i, имеет уровень доверительной вероятности 95 % (значение, равное удвоенному стандартному экспериментальному отклонению), или 1, если величина неопределенности, связанной с х_i, имеет уровень доверительной вероятности 68 % (значение, равное стандартному экспериментальному отклонению).

В случае несимметричного распределения, при необходимости, следует рассмотреть величину  = с_i (а⁺ - а^-)/2, которую используют для коррекции результата измерения.

Если это необязательно, можно использовать среднее значение двух норм.

Поправку вводят для компенсации систематической ошибки. Значение поправки обычно приведено в отчетах по калибровке или в документации испытательной лаборатории. Поправку, значение которой неизвестно, но которая с равной вероятностью может считаться либо положительной, либо отрицательной, принимают равной нулю.

Считается, что все известные поправки применялись в соответствии с моделью. Это отражено в уравнениях модели, которые приведены перед таблицами. Каждая поправка также служит входной величиной, имеющей связанную с ней неопределенность.

Допущения, в результате которых получены значения, представленные в таблицах приложений В-Е, могут не подходить для конкретной испытательной лаборатории. Когда испытательная лаборатория оценивает расширенную инструментальную погрешность измерения U_lab, она должна учитывать имеющуюся информацию об используемой измерительной системе, включая характеристики оборудования, реальные данные по аттестации испытательных площадок, качество данных калибровки (в пределах указанного периода действия калибровки), известные или вероятные распределения вероятностей и процедуры измерения. Для испытательной лаборатории может быть полезным проведение оценки неопределенностей по участкам рассматриваемой полосы частот, в частности, если доминантная входная величина в полной полосе частот изменяется существенно.

Размер частотного шага измерительного приемника в качестве источника неопределенности не рассматривается, т.к. его можно минимизировать за счет уменьшения шага и в целом "обойти" за счет конечной настройки частоты. Рекомендации по выбору шага приведены в CISPR 16-2-1, CISPR 16-2-2 и CISPR 16-2-3.

Конечные настройки частоты обычно проводят на критичных частотах относительно нормы на помехи. Если уменьшение шага или конечную настройку не используют, то шаг частоты может рассматриваться как дополнительная входная величина. Это аналогично пошаговому сканированию высоты антенны и азимута ТС при измерениях излучаемых помех, когда желательно использовать конечную настройку высоты и азимута. Некоторые из этих воздействий представлены в CISPR 16-4-1.

Коэффициенты чувствительности - это частные производные уравнения модели для измеряемых величин (т.е. левые части уравнений модели) относительно меняющейся входной величины. Поскольку уравнения модели линейны при логарифмических единицах, то все коэффициенты чувствительности c_i становятся равными 1 (с_i = 1) и поэтому в таблицах не представлены.

Неопределенность, обусловленная рассогласованностью кабельных соединений, считается пренебрежимо малым источником неопределенности по сравнению с другими источниками. Поэтому ее не рассматривают в качестве соответствующей входной величины.

А.2 Обоснование значений входных величин, общих для всех измерений помех (комментарии "А")

К входным величинам, которые являются общими более чем для одного метода измерений и помечены сноской "A)" (например, ^А1)), применимы следующие комментарии:

^А1) Показания индикаторного прибора приемника могут зависеть от разных причин, среди которых: нестабильность измерительной системы и ошибки интерполяции шкалы индикаторного прибора.

Значение V_r является средним значением ряда показаний (объем выборки не менее десяти) устойчивого сигнала при стандартной неопределенности, заданной стандартным экспериментальным отклонением среднего значения (k = 1).

^А2) Значения затухания а_с соединения между измерительным приемником и эквивалентом сети питания (ЭСП), поглощающими клещами или антенной, а также расширенная неопределенность и коэффициент охвата, обычно приведены в отчете по калибровке.

Примечание 1 - Если значение затухания а_с для кабеля или аттенюатора взято из документации производителя, можно предположить, что распределение вероятностей будет прямоугольным и половина его ширины будет равна допуску на затухание, указанному производителем. Если соединение представляет собой кабель вместе с аттенюатором и имеются данные производителя по каждому из них, то а_с имеет две составляющие, каждая из которых имеет свое собственное прямоугольное распределение вероятностей.

Примечание 2 - Если поглощающие клещи откалиброваны вместе с кабелем, этот вклад в неопределенность не учитывают.

Примечание 3 - В таблицах В.1-В.6 значение расширенной неопределенности равно 0,1 дБ, в таблицах С.1 и D.1-D.6 оно составляет 0,2 дБ, в таблице Е.1 оно равно 0,3 дБ и в таблице Е.2 оно составляет 0,6 дБ при коэффициенте охвата 2. Более низкое значение для этого вклада в неопределенность можно получить при использовании для калибровки кабеля векторного схемного анализатора.

^А3) Влияние поправки на точность измерения приемником синусоидального напряжения, а также расширенная неопределенность и коэффициент охвата обычно приведены в отчете по калибровке.

Примечание 4 - Если в отчете по калибровке только сказано, что точность измерения приемником синусоидального напряжения находится в пределах допуска ( 2 дБ), определенного в CISPR 16-1-1, то значение поправки должно быть взято равным нулю при прямоугольном распределении вероятности, имеющем половинную ширину 2 дБ.

Если в отчете по калибровке указано значение, которое менее допуска, определенного в CISPR 16-1-1 (например,  1 дБ), то это значение необходимо использовать при расчете неопределенности, а не принимать указанное значение неопределенности процесса калибровки.

Если в отчете по калибровке приведены подробные данные об отклонениях от эталонных (опорных) значений, то указанные отклонения и неопределенности калибровочной лаборатории можно использовать для определения неопределенностей измерительного приемника [12].

^А4) В общем случае неидеальные импульсные характеристики приемника корректировать непрактично.

Считается, что существует отчет о проверке, в котором указано, что амплитудная импульсная характеристика приемника соответствует допуску  1,5 дБ, указанному в CISPR 16-1-1, при детектировании пиковым, квазипиковым детектором, детектором средних значений или детектором среднеквадратичных-средних значений. Поправка оценивается как нулевая при прямоугольном распределении вероятности, имеющем половинную ширину 1,5 дБ.

Допуск, указанный в CISPR 16-1-1 для откликов приемника на частоту повторения импульсов, меняется с частотой повторения и зависит от типа детектора. Считается, что существует отчет о проверке, в котором сказано, что импульсные характеристики приемников (отклики) соответствуют допускам, указанным в CISPR 16-1-1.

Поправка оценивается как нулевая при прямоугольном распределении вероятностей, имеющем половинную ширину 1,5 дБ, и это значение считается репрезентативным значением для различных допусков, приведенных в CISPR 16-1-1.

Примечание 5 - Если установлено, что амплитудное соотношение или импульсная характеристика находятся в пределах дБ от технических требований CISPR (  1,5), то поправку такой характеристики можно оценить как нулевую с прямоугольным распределением вероятностей, имеющим половинную ширину дБ.

Примечание 6 - Если помеха создает на детекторе сигнал незатухающей волны, то рассматривать поправки к импульсной характеристике не требуется.

^А5) Минимальный уровень шума приемника CISPR обычно намного ниже значения нормы напряжения или мощности помех, т.е. его влияние на результаты измерений вблизи значений этих норм несущественно. Однако для излучаемых помех "близость" к минимальному уровню шума приемника может влиять на результаты измерений, близкие к норме излучаемых помех.

При измерении излучаемых помех на частотах ниже 1 ГГц отклонение оценивается как значение от нуля до 1,1 дБ. Поправку оценивают как нулевую, как если бы отклонение было симметричным относительно значения, измеряемого при равномерном распределении вероятностей, имеющем половинную ширину 1,1 дБ.

Любая поправка на воздействие минимального уровня шума приемника будет зависеть от типа сигнала (например, импульсный или немодулированный) и отношения сигнал/шум и будет изменять показание уровня шума. Значение 1,1 дБ взято из графика рисунка А.1 при отношении сигнал/шум, равном 14 дБ. Отношение сигнал/шум получено при коэффициенте шума 6 дБ по формуле:

,

,

(А.1)

где E_NQP - эквивалентная напряженность поля минимального уровня шума при квазипиковых измерениях, дБ (мкВ/м);

V_NQP - минимальный уровень шума приемника при квазипиковых измерениях, дБ (мкВ/м);

F_a - коэффициент калибровки антенны на частоте приемника, дБ (1/м);

а_с - затухание в соединительном кабеле антенны, дБ;

F_N - коэффициент шума измерительного приемника, т.е. безразмерное число;

10 lgF_N - коэффициент шума измерительного приемника, дБ;

B_N - ширина полосы шума измерительного приемника, Гц;

w_NQP - весовой коэффициент при квазипиковых измерениях шума, дБ;

-67 - 10 lg ( Гц/Р_{1 мкВ}), абсолютный уровень шума, дБ (мкВ/м), при ширине полосы 1 Гц, k - постоянная Больцмана, Т₀ = 293,15 К и Р_1 мкВ - мощность, генерируемая напряжением 1 мкВ на сопротивлении 50 Ом.

Наихудший случай отношения сигнал/шум получается вблизи частоты 1000 МГц. При 10 lg F_N = 6, 10 lg B_N = 50,8 (для 120 кГц), весовом коэффициенте w_NQP, равном 7 дБ, коэффициенте калибровки логопериодической дипольной антенны (LPDA) F_a = 24 дБ (м^-1) на частоте 1000 МГц и затухании кабеля а_с = 2 дБ, показание шума при квазипиковом измерении в единицах напряженности поля будет: E_NQP = 23 дБ (мкВ/м). Это сравнимо с уровнем помех при норме на излучение 37 дБ (мкВ/м) на расстоянии 10 м для обеспечения отношения сигнал/шум 14 дБ. В полосе частот от 30 МГц до 200 МГц отношение сигнал/шум будет выше, поэтому считают, что отношение сигнал/шум > 20 дБ. При расстоянии 3 м норма напряженности электрического поля помех больше, что ведет к большему отношению сигнал/шум. При расстоянии 30 м предполагается, что нормы излучаемых помех относятся к классу А, что определяет такое же отношение сигнал/шум, как при расстоянии 10 м.

При измерениях излучаемых помех в полностью безэховой камере (FAR) считают, что норма на излучение составляет 42 дБ (мкВ/м), определяя отношение S/N = 19 дБ на частоте 1000 МГц. Затем производят оценку отклонения при значении от нуля до + 0,7 дБ.

При измерениях излучаемых помех от 1 до 18 ГГц частотный диапазон разделяют на полосы:

1-6 ГГц, где рассматривают нормы излучаемых помех, установленные в CISPR 22, т.е. от 1 до 3 ГГц применяют значение нормы 50 дБ (мкВ/м) - в средних значениях и 70 дБ (мкВ/м) - в пиковых значениях; от 3 до 6 ГГц применяют значение нормы 54 дБ (мкВ/м) - в средних значениях и 74 дБ (мкВ/м) - в пиковых значениях;

6-18 ГГц, где применяют значение нормы излучаемых помех 54 дБ (мкВ/м) - в средних значениях и 74 дБ (мкВ/м) - в пиковых значениях.

Считается, что коэффициент шума системы равен 10 lgF_N = 6 дБ вплоть до частоты 6 ГГц. Для полосы частот свыше 6 ГГц считается, что 10 lgF_N = 4 дБ, т.е. на антенный порт устанавливают предварительный усилитель. Из графиков, представленных на рисунке А.2, где на частоте ниже 6 ГГц минимальное значение отношения S/N = 22 дБ и на частоте свыше 6 ГГц составляет 19 дБ, получают отклонения на частотах ниже 6 ГГц до 0,5 дБ включительно и на частотах свыше 6 ГГц до 0,8 дБ включительно.

Рисунок А.1 - Отклонение показания уровня квазипикового детектора от уровня сигнала на входе приемника для двух случаев: синусоидальный сигнал и импульсный сигнал (частота следования 100 Гц)

Рисунок А.2 - Отклонение показания уровня пикового детектора от уровня сигнала на входе приемника для двух случаев: синусоидальный сигнал и импульсный сигнал (частота следования 100 Гц)

Примечание 7 - Коэффициент шума системы N_fsyst - это коэффициент шума системы, состоящей из измерительного приемника, предварительного усилителя и соединительных кабелей со стороны антенного порта. Она определяет минимальный уровень шума и отношение сигнал/шум для сигнала, имеющего предельный уровень по отношению к значению нормы. F₁ и F₂ - коэффициенты шума предварительного усилителя и измерительного приемника, а_с1 и а_с2 - затухания в двух соединительных кабелях, дБ. G₁ - 10 lg g₁ - усиление предварительного усилителя, дБ, минус затухание а_с2 (G₁ = G_p = а_с2). Коэффициент шума N_ftot - это коэффициент шума F_tot, отнесенный к входу предварительного усилителя, дБ.

Для поддержания коэффициента шума системы на низком уровне необходимо обеспечить минимально возможное затухание соединения между портом антенны и предварительным усилителем A_с1. Коэффициент шума системы можно определить по формуле (А.2). На рисунке А.3 приведен пример влияния составляющих частей измерительной системы на коэффициент шума.

.

(А.2)

а_с1 и а_с2 - значения затухания в соединительных кабелях; F₁ и F₂ - коэффициент шума предварительного усилителя и измерительного приемника соответственно

Рисунок А.3 - Коэффициент шума системы

^А6) Когда рассчитывают коэффициент преобразования (коэффициент деления напряжения для ЭСП, асимметричного эквивалента сети, пробника напряжения и емкостного пробника напряжения, передаточную проводимость пробника тока, коэффициент калибровки поглощающих клещей и коэффициент калибровки антенны) путем интерполяции между частотами, на которых производилась калибровка, неопределенность, связанная с этим коэффициентом преобразования, зависит от интервала частот между точками калибровки и изменения коэффициента преобразования с изменением частоты. Построение графика калиброванного коэффициента преобразования в зависимости от частоты помогает визуализировать изменения коэффициента.

Значение поправки , , , , для коэффициента деления напряжения и погрешности интерполяции передаточной проводимости равно нулю при прямоугольном распределении вероятностей с половинной полосой 0,1 дБ.

Значение поправки для погрешности интерполяции коэффициента калибровки поглощающих клещей равно нулю при прямоугольном распределении вероятностей с половинной полосой 0,2 дБ.

Значение поправки для погрешности интерполяции коэффициента калибровки антенны равно нулю при прямоугольном распределении вероятностей с половинной полосой 0,3 дБ.

Примечание 8 - На любой частоте, для которой имеется калиброванный коэффициент преобразования, поправку рассматривать не требуется.

^А7) Неопределенность рассогласования

a) Общие положения

В общем случае порт измерительного приемника в ЭСП, поглощающих клещах, антенне или в другом вспомогательном оборудовании подсоединяется к порту 1 двухпортовой схемы, порт 2 которой нагружен на приемник с коэффициентом отражения .

Двухпортовая схема, которую может представлять собой кабель, аттенюатор, аттенюатор вместе с кабелем или другой комбинацией элементов, может быть представлена с помощью S-параметров.

Тогда поправка на рассогласование

,

(А.3)

где - коэффициент отражения со стороны порта приемника на ЭСП или поглощающих клещах с подключенным испытуемым оборудованием или со стороны выходного порта антенны при ее установке для измерения помех. Все параметры рассматривают относительно сопротивления 50 Ом. Более подробная информация приведена в [13].

Если известны только величины или крайние значения величин параметров, то невозможно рассчитать , но значения ее экстремумов будут не более чем:

.

(A.4)

Распределение вероятностей значений имеет приблизительно U-образную форму с шириной не более чем ( - ), а стандартное отклонение составляет не более половины ширины, деленной на .

b) Кондуктивные помехи и мощность помех

При измерениях напряжения и мощности помех значение ограничивается аттенюаторами, указанными в CISPR 16-1-2 (10 дБ) и CISPR 16-1-3 (6 дБ) соответственно.

Поэтому считают, что значение коэффициента отражения для наихудшего случая || = 0,1 при измерении напряжения помех и || = 0,25 при измерении мощности помех. Также считают, что подключение к приемнику осуществляется хорошо согласованным кабелем (|S₁₁| << 1, |S₂₂| << 1) с незначительным затуханием (|S₂₁|  1), и затухание приемника по ВЧ установлено на 10 дБ или более, при котором допуск коэффициента стоячей волны по напряжению s_wr  1,2:1 (CISPR 16-1-1), предполагает ||  0,09.

При измерениях напряжения помех пробником напряжения следует считать, что коэффициент отражения самого пробника || = 1 (из-за высокого полного сопротивления источника). Поэтому минимальное затухание приемника по ВЧ должно быть 10 дБ, что предполагает ||  0,09.

При измерениях тока помех пробником тока следует считать, что коэффициент отражения самого пробника || = 1 (из-за низкого полного сопротивления источника). Поэтому минимальное затухание приемника по ВЧ должно быть 10 дБ, предполагает ||  0,09.

с) Излучаемые помехи

При измерениях излучаемых помех на частоте ниже 1 ГГц считается, что в технических требованиях к антенне s_wr 2,0:1, т.е. ||  0,33. Также считается, что подключение к приемнику осуществляется хорошо согласованным кабелем (|S₁₁| << 1, |S₂₂| << 1) с незначительным затуханием (|S₂₁|  1), и что затухание приемника по ВЧ равно 0 дБ, при котором допуск s_wr  2,0:1, указанный в CISPR 16-1-1, предполагает |]  0,33.

При измерениях излучаемых помех на частоте свыше 1 ГГц считается, что в технических требованиях к антенне s_wr  2,0:1, т.е. ||  0,33. Также считается, что подключение к приемнику осуществляется хорошо согласованным кабелем (|S₁₁| << 1, |S₂₂| << 1) с незначительным затуханием 1 дБ на частоте 1 ГГц (|S₂₁|  1), и что затухание приемника по ВЧ равно 0 дБ, при котором допуск s_wr  3,0:1, указанный в CISPR 16-1-1, предполагает ||  0,50.

При использовании внешнего по отношению к приемнику предварительного усилителя необходимо рассматривать две неопределенности рассогласования - между портом антенны и входным портом предварительного усилителя и между выходным портом предварительного усилителя и входным портом приемника. Считается, что для предварительного усилителя коэффициент стоячей волны по напряжению на входе и выходе s_wr  2,0:1.

Вопрос использования внешнего предварительного усилителя рассмотрен в приложении Е для полосы частот свыше 1 ГГц. Обычно на частоте ниже 1 ГГц внешние предварительные усилители не используют, но если все же используют, то в качестве модели расчета неопределенности можно применить рекомендации, изложенные в приложении Е.

Значение поправки равно нулю с U-образным распределением вероятностей, имеющим ширину, равную разности ( - ) [10], [11].

Примечание 9 - Выражения для и показывают, что ошибку рассогласования можно уменьшить за счет увеличения затухания хорошо согласованной двухпортовой схемы, установленной до измерительного приемника. Однако при этом чувствительность измерений падает.

Примечание 10 - Для некоторых антенн на некоторых частотах s_wr может быть намного больше, чем 2,0:1, например 20:1 при биконических антеннах на частоте 30 МГц. Если это так, то для ограничения неопределенности рассогласования рекомендуется использовать аттенюатор 6 дБ и учитывать более низкое значение отношения сигнал/шум [см. комментарий ^А5)].

Примечание 11 - При использовании сложной антенны может потребоваться принятие специальных мер для гарантии того, что входное полное сопротивление со стороны приемника соответствует техническим требованиям s_wr  2,0:1, изложенным в CISPR 16-1-4.

Примечание 12 - Если ЭСП или поглощающие клещи калибруют с аттенюатором, постоянно подключенным к их выходному порту, влияние полного сопротивления ТС на ошибку рассогласования уменьшится, так как затухание увеличится, т.е. ||  || + , где || и а - коэффициент отражения и затухание аттенюатора соответственно, дБ.

Примечание 13 - Дополнительные соображения относительно уравнения (А.3):

a) при отсутствии корреляции или при весьма слабой корреляции слагаемых (слагаемых или членов суммы) линейное сложение можно заменить квадратичным суммированием;

b) благодаря обычно низким значениям слагаемых, можно применить дальнейшую аппроксимацию (когда составляет половину ширины U-образного распределения) (см. также [5], [8]), получая в итоге:

.