隨著車輛中電子部件的增多，汽車廠商將部件外包的趨勢(shì)也日益明顯。承擔(dān)電子部件生產(chǎn)的部件廠商必須負(fù)責(zé)其產(chǎn)品的測(cè)試，而隨著車內(nèi)環(huán)境日益復(fù)雜，汽車廠商對(duì)部件測(cè)試的要求也越來(lái)越高。本文旨在通過(guò)介紹汽車電子部件EMI抗擾性測(cè)試的各種方法及其優(yōu)缺點(diǎn)，幫助測(cè)試工程師正確選擇*佳的測(cè)試手段。

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

    同時(shí)，車輛所處的電磁環(huán)境也更加復(fù)雜。車上的電子元件必須與射頻發(fā)射機(jī)共存，這些發(fā)射機(jī)有些安裝和設(shè)置得比較恰當(dāng)(例如應(yīng)急服務(wù)車輛中)，有些卻并非如此(例如一些出廠后安裝的CB發(fā)射器和車載移動(dòng)電話)。此外，車輛還可能進(jìn)入一些外部發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場(chǎng)區(qū)域，強(qiáng)度可達(dá)幾十甚至幾百福特每米。汽車業(yè)在多年前就已意識(shí)到這些問(wèn)題，所有有名廠商都已采取一定措施，通過(guò)制定測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)和立法要求，力圖借此減少電磁干擾的影響。因此，今天的車輛對(duì)這種干擾都具備了較強(qiáng)的抵抗能力。但EMI對(duì)車載模塊的性能影響非常大，因此必須繼續(xù)對(duì)其保持警惕。

    車輛及其部件的測(cè)試是一個(gè)高度專業(yè)的領(lǐng)域，一向由廠商自己完成。在有些國(guó)家，許多車輛廠商會(huì)共同資助那些專業(yè)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)室。隨著車輛中使用的子部件日益增多，汽車廠商將部件外包的趨勢(shì)也日趨明顯，因此，EMC測(cè)試開(kāi)始逐漸變成部件廠商的責(zé)任。在諸如ISO 11452 (國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織) 和 SAE J1113 (汽車工程師協(xié)會(huì))等汽車部件抗擾性測(cè)試國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的子章節(jié)中，都描述了頻率存在重疊的多種不同測(cè)試方法和測(cè)試級(jí)別。在沒(méi)有任何更高的立法要求時(shí)，車輛廠商們就可以在這些通用標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定其測(cè)試要求。即當(dāng)某汽車廠商欲為其部件供應(yīng)商制定部件級(jí)別的測(cè)試要求時(shí)，他可以從包含多種測(cè)試方法、測(cè)試頻率范圍和測(cè)試級(jí)別的清單上選擇合適的款項(xiàng)來(lái)構(gòu)成他自己的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。*終，一個(gè)為多家汽車廠商提供子部件的廠家就有可能必須根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn)，采用不同的方法，在同一個(gè)頻率范圍內(nèi)測(cè)試同樣的部件。

    為了滿足客戶的測(cè)試需求，部件廠商可以采用一系列針對(duì)ISO 11452 和SAE J1113中包含的RF測(cè)試規(guī)范而設(shè)計(jì)的汽車部件測(cè)試系統(tǒng)來(lái)幫助完成工作。這些測(cè)試系統(tǒng)通常都是自含(self-contained)系統(tǒng)，遵循所有標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的***別測(cè)試規(guī)范。采用這樣的系統(tǒng)之后，部件廠商在對(duì)多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試時(shí)，用到的許多測(cè)試儀器都是相同的，因而能節(jié)省大量資金。以下我們將討論幾種RF測(cè)試方法和汽車廠商測(cè)試需求中所規(guī)定的一些測(cè)試參數(shù)，并探討部件廠商怎樣才能根據(jù)不同客戶的測(cè)試需求搭建相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)，達(dá)到只測(cè)試需要項(xiàng)目的目的。

幾種RF測(cè)試方法

    要想測(cè)試一個(gè)汽車部件的RF抗擾性，必須通過(guò)一種與車內(nèi)干擾出現(xiàn)方式相當(dāng)?shù)姆绞较蚱涫┘覴F干擾。這就引入了**個(gè)變量。汽車可能會(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(hào)的發(fā)射機(jī)和天線，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(dāng)該部件安裝在儀表盤上或附近的開(kāi)放式區(qū)域時(shí)，它所產(chǎn)生的干擾就比當(dāng)它被安裝在車輛底盤附近甚或是在引擎箱內(nèi)這樣的屏蔽區(qū)時(shí)造成的危害要大得多。另一方面，為了供電和信號(hào)連接的需要，所有電子模塊都連到車輛的配線系統(tǒng)。

   而配線裝置相當(dāng)于一個(gè)有效的天線，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(dǎo)到部件中。鑒于此，我們通常采用的測(cè)試方法有兩組：輻射干擾測(cè)試和傳導(dǎo)干擾測(cè)試。

輻射干擾測(cè)試

    所有的輻射測(cè)試法都不外向被測(cè)裝置施加一個(gè)強(qiáng)度得到校準(zhǔn)的RF場(chǎng)，這樣，就能將RF電流和電壓引入裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，然后這些RF電流和電壓又會(huì)出現(xiàn)在有源器件的敏感節(jié)點(diǎn)上，從而在電子線路中造成干擾。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測(cè)量法

    *簡(jiǎn)單明了的產(chǎn)生RF場(chǎng)的方法就是向一個(gè)天線灌入能量，并將其指向被測(cè)設(shè)備(EUT)。天線能夠?qū)F能量轉(zhuǎn)化為一個(gè)輻射場(chǎng)，并使其充滿測(cè)試區(qū)域。由于需要在很寬的頻譜范圍內(nèi)產(chǎn)生高電平的RF信號(hào)，為了避免與附近的其他合法無(wú)線電用戶相互干擾，測(cè)試應(yīng)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(nèi)的場(chǎng)分布。為解決這一問(wèn)題，需要對(duì)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(cè)試設(shè)備的成本。測(cè)試時(shí)使用的天線在被測(cè)頻率范圍內(nèi)應(yīng)該具有較寬的頻率響應(yīng)。車輛測(cè)試中的測(cè)試頻率可能從10kHz到18GHz，因此需要的天線也有許多種不同的類型。此外，加之于EUT上的場(chǎng)也應(yīng)該盡可能均勻并且受到良好控制。測(cè)試時(shí)的場(chǎng)可能會(huì)影響暗室的規(guī)格，因此天線不能離EUT過(guò)近，方向性也不能太強(qiáng)，否則產(chǎn)生的場(chǎng)會(huì)只集中于EUT的某一個(gè)區(qū)域。同時(shí)，天線和EUT距離過(guò)近還會(huì)導(dǎo)致二者互感增大，從而加大天線上所加信號(hào)的控制難度。被測(cè)對(duì)象的物理尺寸越大，這一距離要求就越難滿足。另外，根據(jù)公式P = (E · r)2/30 watts(當(dāng)天線具備單元增益時(shí))，天線離EUT越遠(yuǎn)，達(dá)到某個(gè)給定場(chǎng)強(qiáng)時(shí)需要的功率就越大。

    注意，該公式給出的是場(chǎng)強(qiáng)和距離的平方率關(guān)系，即當(dāng)某個(gè)給定距離上的場(chǎng)強(qiáng)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(dāng)場(chǎng)強(qiáng)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(qiáng)通過(guò)一個(gè)各向同性的寬帶場(chǎng)傳感器來(lái)測(cè)量，各向同性是為了保證傳感器對(duì)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(cè)量值。

TEM單元法

    根據(jù)ISO 11452-3和 SAE J1113/24中的規(guī)定，TEM單元只是一段簡(jiǎn)單的封閉傳輸線，在其一端饋入一定的RF功率，并在另一端接一個(gè)負(fù)載阻抗。隨著傳輸線中電磁波的傳播，導(dǎo)體間就建立起一個(gè)電磁場(chǎng)。TEM(即橫電磁波)描述的是在這類單元的作用區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的占主導(dǎo)地位的電磁場(chǎng)。當(dāng)傳輸線長(zhǎng)度給定時(shí)，在一定的截面積上，場(chǎng)強(qiáng)均勻，且易測(cè)量或計(jì)算。EUT就放置在TEM單元的作用區(qū)域內(nèi)。TEM單元一般呈箱體形式，內(nèi)帶一個(gè)隔離面，箱體的墻面作為傳輸線的一端，隔離面(或稱隔膜，septum)作為另一端。TEM單元的幾何構(gòu)造對(duì)傳輸線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(yīng)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反比。當(dāng)頻率高于此上限時(shí)，其內(nèi)部電磁場(chǎng)的結(jié)構(gòu)中開(kāi)始出現(xiàn)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(cè)量的*大EUT尺寸受其內(nèi)部可用的場(chǎng)強(qiáng)均勻區(qū)域體積的限制，因此*大EUT尺寸和該單元可測(cè)的*高頻率之間有著直接關(guān)系。TEM單元的*低測(cè)量頻率可到DC，這也是它與輻射天線測(cè)量法的不同之處。

帶狀線法和三平面法

   這兩種方法與TEM單元法有本質(zhì)的區(qū)別。TEM單元法屬于封閉型測(cè)量方法，而帶狀線法和三平面法所采用的測(cè)試裝置則是開(kāi)放式傳輸線。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(cè)試裝置外部，因此測(cè)試必須在一間屏蔽室內(nèi)進(jìn)行。ISO 11452-5 和 SAE J1113/23中均對(duì)帶狀線測(cè)試有所描述，而三平面測(cè)試只在 SAE J1113/25中提到。

    在帶狀線測(cè)試中，被測(cè)部件模塊只對(duì)連接它與相關(guān)設(shè)備的電纜裝置暴露，并不暴露在平面間的*大場(chǎng)強(qiáng)處。帶狀線平面作為傳輸線的源導(dǎo)體，其下放置1.5米的電纜裝置，測(cè)試的參考地平面則作為另一端導(dǎo)體。帶狀線產(chǎn)生的場(chǎng)會(huì)在電纜裝置中感應(yīng)出經(jīng)向電流，然后耦合入EUT。因此，帶狀線測(cè)試幾乎算是輻射場(chǎng)測(cè)試和傳導(dǎo)測(cè)試這兩種方法的混合。

    三平面測(cè)試裝置中，一個(gè)有源內(nèi)導(dǎo)體被兩個(gè)外平面夾在中間，產(chǎn)生的阻抗可通過(guò)計(jì)算得到。被測(cè)模塊放置于中心導(dǎo)體和一個(gè)外平面之間，中心導(dǎo)體的另一面置空。由于整個(gè)測(cè)試裝置的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，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(qiáng)探頭。和TEM單元測(cè)試一樣，帶狀線測(cè)試和三平面測(cè)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(duì)于輻射天線法的優(yōu)勢(shì)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)生比輻射天線法大得多的場(chǎng)強(qiáng)，因?yàn)閳?chǎng)強(qiáng)等于導(dǎo)體平面之間的電壓除以它們之間的距離。