怎樣完成汽車(chē)零部件的EMI抗擾性測試？（一）

    隨著(zhù)車(chē)輛中電子部件的增多，汽車(chē)廠(chǎng)商將部件外包的趨勢也日益明顯。承擔電子部件生產(chǎn)的部件廠(chǎng)商必須負責其產(chǎn)品的測試，而隨著(zhù)車(chē)內環(huán)境日益復雜，汽車(chē)廠(chǎng)商對部件測試的要求也越來(lái)越高。本文旨在通過(guò)介紹汽車(chē)電子部件EMI抗擾性測試的各種方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，幫助測試工程師正確選擇*佳的測試手段。

    多年以來(lái)，電磁干擾(EMI)效應一直是現代電子控制系統中備受關(guān)注的一個(gè)問(wèn)題。尤其在今天的汽車(chē)工業(yè)中，車(chē)輛采用了許多關(guān)鍵的和非關(guān)鍵(critical and non-critical)的車(chē)載電子模塊，例如引擎管理模塊、防抱死系統、電子動(dòng)力轉向功能模塊(electrical power steering functions)、車(chē)內娛樂(lè )系統和熱控制模塊。

    同時(shí)，車(chē)輛所處的電磁環(huán)境也更加復雜。車(chē)上的電子元件必須與射頻發(fā)射機共存，這些發(fā)射機有些安裝和設置得比較恰當(例如應急服務(wù)車(chē)輛中)，有些卻并非如此(例如一些出廠(chǎng)后安裝的CB發(fā)射器和車(chē)載移動(dòng)電話(huà))。此外，車(chē)輛還可能進(jìn)入一些外部發(fā)射機產(chǎn)生的強電磁場(chǎng)區域，強度可達幾十甚至幾百福特每米。汽車(chē)業(yè)在多年前就已意識到這些問(wèn)題，所有有名廠(chǎng)商都已采取一定措施，通過(guò)制定測試標準和立法要求，力圖借此減少電磁干擾的影響。因此，今天的車(chē)輛對這種干擾都具備了較強的抵抗能力。但EMI對車(chē)載模塊的性能影響非常大，因此必須繼續對其保持警惕。

    車(chē)輛及其部件的測試是一個(gè)高度專(zhuān)業(yè)的領(lǐng)域，一向由廠(chǎng)商自己完成。在有些國家，許多車(chē)輛廠(chǎng)商會(huì )共同資助那些專(zhuān)業(yè)的測試實(shí)驗室。隨著(zhù)車(chē)輛中使用的子部件日益增多，汽車(chē)廠(chǎng)商將部件外包的趨勢也日趨明顯，因此，EMC測試開(kāi)始逐漸變成部件廠(chǎng)商的責任。在諸如ISO 11452 (國際標準化組織) 和 SAE J1113 (汽車(chē)工程師協(xié)會(huì ))等汽車(chē)部件抗擾性測試國際標準的子章節中，都描述了頻率存在重疊的多種不同測試方法和測試級別。在沒(méi)有任何更高的立法要求時(shí)，車(chē)輛廠(chǎng)商們就可以在這些通用標準的基礎上制定其測試要求。即當某汽車(chē)廠(chǎng)商欲為其部件供應商制定部件級別的測試要求時(shí)，他可以從包含多種測試方法、測試頻率范圍和測試級別的清單上選擇合適的款項來(lái)構成他自己的測試標準。*終，一個(gè)為多家汽車(chē)廠(chǎng)商提供子部件的廠(chǎng)家就有可能必須根據不同的標準，采用不同的方法，在同一個(gè)頻率范圍內測試同樣的部件。

    為了滿(mǎn)足客戶(hù)的測試需求，部件廠(chǎng)商可以采用一系列針對ISO 11452 和SAE J1113中包含的RF測試規范而設計的汽車(chē)部件測試系統來(lái)幫助完成工作。這些測試系統通常都是自含(self-contained)系統，遵循所有標準中規定的***別測試規范。采用這樣的系統之后，部件廠(chǎng)商在對多個(gè)標準進(jìn)行測試時(shí)，用到的許多測試儀器都是相同的，因而能節省大量資金。以下我們將討論幾種RF測試方法和汽車(chē)廠(chǎng)商測試需求中所規定的一些測試參數，并探討部件廠(chǎng)商怎樣才能根據不同客戶(hù)的測試需求搭建相應的測試系統，達到只測試需要項目的目的。

幾種RF測試方法

    要想測試一個(gè)汽車(chē)部件的RF抗擾性，必須通過(guò)一種與車(chē)內干擾出現方式相當的方式向其施加RF干擾。這就引入了**個(gè)變量。汽車(chē)可能會(huì )暴露在一個(gè)外場(chǎng)中，也可能攜帶有會(huì )產(chǎn)生干擾信號的發(fā)射機和天線(xiàn)，但無(wú)論如何，干擾場(chǎng)都可以直接作用于部件所處的位置。例如，當該部件安裝在儀表盤(pán)上或附近的開(kāi)放式區域時(shí)，它所產(chǎn)生的干擾就比當它被安裝在車(chē)輛底盤(pán)附近甚或是在引擎箱內這樣的屏蔽區時(shí)造成的危害要大得多。另一方面，為了供電和信號連接的需要，所有電子模塊都連到車(chē)輛的配線(xiàn)系統。

   而配線(xiàn)裝置相當于一個(gè)有效的天線(xiàn)，能夠與RF干擾耦合，不論部件安裝在什么地方，RF電流都可能通過(guò)其接插件傳導到部件中。鑒于此，我們通常采用的測試方法有兩組：輻射干擾測試和傳導干擾測試。

輻射干擾測試

    所有的輻射測試法都不外向被測裝置施加一個(gè)強度得到校準的RF場(chǎng)，這樣，就能將RF電流和電壓引入裝置的內部結構，然后這些RF電流和電壓又會(huì )出現在有源器件的敏感節點(diǎn)上，從而在電子線(xiàn)路中造成干擾。不同方法在施加RF場(chǎng)的方式上有所不同，它們各有其優(yōu)、缺點(diǎn)和局限性。

微波暗室中的輻射天線(xiàn)測量法

    *簡(jiǎn)單明了的產(chǎn)生RF場(chǎng)的方法就是向一個(gè)天線(xiàn)灌入能量，并將其指向被測設備(EUT)。天線(xiàn)能夠將RF能量轉化為一個(gè)輻射場(chǎng)，并使其充滿(mǎn)測試區域。由于需要在很寬的頻譜范圍內產(chǎn)生高電平的RF信號，為了避免與附近的其他合法無(wú)線(xiàn)電用戶(hù)相互干擾，測試應該在一個(gè)屏蔽室中進(jìn)行。但這會(huì )引入墻壁的反射，從而改變室內的場(chǎng)分布。為解決這一問(wèn)題，需要對屏蔽室的表面進(jìn)行電波消聲處理，創(chuàng )造一個(gè)“吸波室(absorber lined chamber)”環(huán)境，而這又會(huì )極大增加測試設備的成本。測試時(shí)使用的天線(xiàn)在被測頻率范圍內應該具有較寬的頻率響應。車(chē)輛測試中的測試頻率可能從10kHz到18GHz，因此需要的天線(xiàn)也有許多種不同的類(lèi)型。此外，加之于EUT上的場(chǎng)也應該盡可能均勻并且受到良好控制。測試時(shí)的場(chǎng)可能會(huì )影響暗室的規格，因此天線(xiàn)不能離EUT過(guò)近，方向性也不能太強，否則產(chǎn)生的場(chǎng)會(huì )只集中于EUT的某一個(gè)區域。同時(shí)，天線(xiàn)和EUT距離過(guò)近還會(huì )導致二者互感增大，從而加大天線(xiàn)上所加信號的控制難度。被測對象的物理尺寸越大，這一距離要求就越難滿(mǎn)足。另外，根據公式P = (E · r)2/30 watts(當天線(xiàn)具備單元增益時(shí))，天線(xiàn)離EUT越遠，達到某個(gè)給定場(chǎng)強時(shí)需要的功率就越大。

    注意，該公式給出的是場(chǎng)強和距離的平方率關(guān)系，即當某個(gè)給定距離上的場(chǎng)強從10 V/m增大到20 V/m時(shí)，需要的功率是原來(lái)的4倍，或者說(shuō)當場(chǎng)強從10 V/m增大到20 V/m時(shí)，在給定功率下，距離只有原來(lái)的四分之一。EUT位置處的場(chǎng)強通過(guò)一個(gè)各向同性的寬帶場(chǎng)傳感器來(lái)測量，各向同性是為了保證傳感器對方向不敏感，而寬帶則是為了保證它在不同頻率下均能得到正確的測量值。

TEM單元法

    根據ISO 11452-3和 SAE J1113/24中的規定，TEM單元只是一段簡(jiǎn)單的封閉傳輸線(xiàn)，在其一端饋入一定的RF功率，并在另一端接一個(gè)負載阻抗。隨著(zhù)傳輸線(xiàn)中電磁波的傳播，導體間就建立起一個(gè)電磁場(chǎng)。TEM(即橫電磁波)描述的是在這類(lèi)單元的作用區域內產(chǎn)生的占主導地位的電磁場(chǎng)。當傳輸線(xiàn)長(cháng)度給定時(shí)，在一定的截面積上，場(chǎng)強均勻，且易測量或計算。EUT就放置在TEM單元的作用區域內。TEM單元一般呈箱體形式，內帶一個(gè)隔離面，箱體的墻面作為傳輸線(xiàn)的一端，隔離面(或稱(chēng)隔膜，septum)作為另一端。TEM單元的幾何構造對傳輸線(xiàn)的特性阻抗有決定性的影響。箱體是封閉的，除了很小的泄漏以外，單元外沒(méi)有電磁場(chǎng)，因此這種單元可以不加外屏蔽地應用于任何環(huán)境。其主要缺點(diǎn)是其存在頻率上限，這一上限頻率與其物理尺寸稱(chēng)反比。當頻率高于此上限時(shí)，其內部電磁場(chǎng)的結構中開(kāi)始出現高次模，場(chǎng)的均勻性，尤其是在由TEM單元的確切尺寸決定的諧振頻率處的場(chǎng)均勻性，也開(kāi)始變差。TEM單元能夠測量的*大EUT尺寸受其內部可用的場(chǎng)強均勻區域體積的限制，因此*大EUT尺寸和該單元可測的*高頻率之間有著(zhù)直接關(guān)系。TEM單元的*低測量頻率可到DC，這也是它與輻射天線(xiàn)測量法的不同之處。

帶狀線(xiàn)法和三平面法

   這兩種方法與TEM單元法有本質(zhì)的區別。TEM單元法屬于封閉型測量方法，而帶狀線(xiàn)法和三平面法所采用的測試裝置則是開(kāi)放式傳輸線(xiàn)。也就是說(shuō)，在采用這兩種方法時(shí)，*大場(chǎng)雖然位于平面之間，但仍有能量輻射到測試裝置外部，因此測試必須在一間屏蔽室內進(jìn)行。ISO 11452-5 和 SAE J1113/23中均對帶狀線(xiàn)測試有所描述，而三平面測試只在 SAE J1113/25中提到。

    在帶狀線(xiàn)測試中，被測部件模塊只對連接它與相關(guān)設備的電纜裝置暴露，并不暴露在平面間的*大場(chǎng)強處。帶狀線(xiàn)平面作為傳輸線(xiàn)的源導體，其下放置1.5米的電纜裝置，測試的參考地平面則作為另一端導體。帶狀線(xiàn)產(chǎn)生的場(chǎng)會(huì )在電纜裝置中感應出經(jīng)向電流，然后耦合入EUT。因此，帶狀線(xiàn)測試幾乎算是輻射場(chǎng)測試和傳導測試這兩種方法的混合。

    三平面測試裝置中，一個(gè)有源內導體被兩個(gè)外平面夾在中間，產(chǎn)生的阻抗可通過(guò)計算得到。被測模塊放置于中心導體和一個(gè)外平面之間，中心導體的另一面置空。由于整個(gè)測試裝置的結構是對稱(chēng)的，因此可在置空的這一面與EUT呈鏡像位置的地方放置一個(gè)場(chǎng)強探頭。和TEM單元測試一樣，帶狀線(xiàn)測試和三平面測試裝置均有一個(gè)受其尺寸限制的頻率上限。在等于或高于由該理尺寸決定的諧振頻率時(shí)，就會(huì )產(chǎn)生不受控制的電磁場(chǎng)高次模。這三種方法相對于輻射天線(xiàn)法的優(yōu)勢就在于，采用這三種方法時(shí)，只需要不多的功率就能夠產(chǎn)生比輻射天線(xiàn)法大得多的場(chǎng)強，因為場(chǎng)強等于導體平面之間的電壓除以它們之間的距離。