引言

現(xiàn)代社會(huì)中，機(jī)動(dòng)車除了作為代步工具外，還集成了越來(lái)越多的電子部件，為駕乘人員帶來(lái)更舒適便捷的行車體驗(yàn)。但機(jī)動(dòng)車電子部件的可靠性，特別是如何保證整車所集成的各種功能能夠在惡劣的電磁干擾中維持正常工作，達(dá)到電磁兼容成為一個(gè)問(wèn)題。機(jī)動(dòng)車零部件電磁兼容試驗(yàn)的重要性就凸現(xiàn)出來(lái)了。

在對(duì)機(jī)動(dòng)車零部件進(jìn)行EMC抗干擾測(cè)試時(shí)，BCI（大電流注入）抗干擾測(cè)試作為一個(gè)比較經(jīng)典的測(cè)試方法，一直被各大汽車企業(yè)作為規(guī)范廣泛采用。其優(yōu)點(diǎn)在于良好的測(cè)試重復(fù)性，較嚴(yán)酷的測(cè)試強(qiáng)度和無(wú)需破壞線束結(jié)構(gòu)的便利。

但作為BCI測(cè)試的注入設(shè)備，電流注入鉗存在缺陷。由于其電器結(jié)構(gòu)呈感性，在高頻時(shí)呈現(xiàn)高阻抗，使注入效率大大降低，無(wú)法進(jìn)行較高頻率的測(cè)試。目前的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)中，BCI方法的使用頻率一般不超過(guò)400 MHz，而企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中，也僅有幾家日系廠商的規(guī)范，如本田標(biāo)準(zhǔn)使用到400 MHz以上，但也因?yàn)楦鞣N原因效果不盡理想。

在2011版的ISO 11452-4（E）中，提出了一個(gè)新的測(cè)試設(shè)備 — Tubular Wave Coupler(TWC)，即管狀波耦合器。由于TWC呈電容特性，使其在高頻部分擁有良好的響應(yīng)，TWC注入法是模擬較高頻率射頻信號(hào)耦合到試驗(yàn)樣品的線束上，可以視為BCI注入的高頻擴(kuò)展。而這一新的測(cè)試方法成功地將測(cè)試頻率的上限擴(kuò)展到3 GHz。

本文將詳細(xì)分析TWC的結(jié)構(gòu)、校驗(yàn)和使用，并比較該設(shè)備與BCI注入設(shè)備的耦合效率。

1、TWC的結(jié)構(gòu)

管狀波耦合器是一個(gè)有兩個(gè)輸入端子的同軸結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，中間是管狀的耦合裝置。它由內(nèi)外兩個(gè)同一軸心的管狀電極組成，可以將電磁干擾像電流環(huán)一樣耦合到被測(cè)樣品的線束，保留了無(wú)需破壞樣品線束結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)外電極之間用硬絕緣材料填充，兩個(gè)輸入端子一個(gè)連接功放作為信號(hào)輸入，另一個(gè)則接50 Ω終端阻抗。同軸輸入端子的內(nèi)芯和內(nèi)電極連接，外電極與屏蔽層連接，中間的旋鈕用于將耦合器鎖緊。

儀器生產(chǎn)廠家會(huì)根據(jù)內(nèi)外電極的直徑和長(zhǎng)度，將其分為不同型號(hào)，用來(lái)配合各種不同尺寸的線束。TWC的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1　TWC的結(jié)構(gòu)

2、TWC的工作原理

當(dāng)對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試時(shí)，管狀耦合器閉合，被測(cè)線束穿過(guò)TWC的內(nèi)導(dǎo)體，干擾信號(hào)注入同軸輸入端子，把產(chǎn)生的橫電磁波通過(guò)管狀的內(nèi)電極與線束之間的分布電容，耦合到線束上。

可見(jiàn)，相對(duì)于電流注入環(huán)的電感型耦合，TWC采取了高頻響應(yīng)更好的電容型耦合，其等效電路如圖2所示。

圖2　TWC的等效電路

3、TWC的校驗(yàn)和測(cè)試

3.1　TWC耦合系數(shù)的校驗(yàn)

     TWC耦合系數(shù)的校驗(yàn)和BCI電流注入環(huán)的校驗(yàn)方法相似（見(jiàn)圖3），區(qū)別在于其使用的阻抗類型為150 Ω，而非校驗(yàn)電流環(huán)時(shí)使用50 Ω。目前各個(gè)儀器生產(chǎn)廠商都會(huì)在校驗(yàn)夾具的兩個(gè)端子上配備50/150 Ω阻抗適配器，使測(cè)試人員能夠在50 Ω的信號(hào)發(fā)生器和終端阻抗對(duì)TWC進(jìn)行校驗(yàn)。

圖3　TWC耦合系數(shù)的校驗(yàn)示意圖

     校驗(yàn)時(shí)，終端阻抗和功率探頭應(yīng)能在所使用的頻率范圍內(nèi)有足夠高的額定功率，如有必要的話，可在功率探頭前加衰減器以保護(hù)探頭。首先，無(wú)論是BCI法還是TWC法的試驗(yàn)，都是用替代法實(shí)現(xiàn)的，也就是說(shuō)用前向功率作為參量進(jìn)行校驗(yàn)和測(cè)試。ISO11452-4:2011（E）中，TWC的測(cè)試等級(jí)是以功率dBm為單位，實(shí)際測(cè)試的目標(biāo)值為注入到夾具中的功率值，該功率值與TWC和夾具的關(guān)系如下：如果把夾具的耦合系數(shù)記為F，校驗(yàn)得到數(shù)據(jù)的絕對(duì)值記為|S21|，那TWC的實(shí)際插入損耗IL則為：

IL|dB = | S21| - F|dB

在對(duì)DUT進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，所需要的實(shí)際前向功率Pforward為：

Pforward|dBm = Ptest|dBm + IL|dB

其中Ptest|dBm為目標(biāo)測(cè)試等級(jí)。

3.2　TWC的測(cè)試

被測(cè)樣品應(yīng)使用1 700 mm(0 ~ 300)長(zhǎng)的線束。并和樣品一起布置在50 mm高的非導(dǎo)電介質(zhì)上。參考測(cè)試計(jì)劃和樣品的實(shí)際安裝環(huán)境需考慮外殼和輔助設(shè)備是否接地。對(duì)于多捆線束或多個(gè)接口的樣件，沒(méi)有放入TWC的線束應(yīng)和被測(cè)線束保持至少100 mm的距離。區(qū)別于BCI的三個(gè)測(cè)試位置，TWC只需放置在距離被測(cè)件（100±10） mm的位置，并與接地平面保持隔離。射頻輸入端連接到接近被測(cè)樣品的那個(gè)端子，另一端連接50 Ω終端負(fù)載，終端負(fù)載要與受試線束至少有200 mm的距離，并且也與接地平面隔離。試驗(yàn)布置可以參考ISO 11452-4:2011（E），如圖4所示。

圖4　TWC試驗(yàn)布置

     測(cè)試布置完成后根據(jù)ISO 11452-4：2011（E）的要求，選擇需要的目標(biāo)等級(jí)功率，將之前校驗(yàn)得到的TWC耦合系數(shù)補(bǔ)償在測(cè)試軟件中，就可以進(jìn)行正常的替代法測(cè)試。

4、TWC與BCI干擾效果的比較

為直觀表述BCI和TWC法各自的頻率響應(yīng)，以及在對(duì)同時(shí)覆蓋的頻率進(jìn)行測(cè)試時(shí)，使用何種耦合方法的選擇性提供幫助，可以在同一個(gè)夾具上，分別用BCI注入環(huán)和TWC做對(duì)比。

在100 MHz~2 GHz的頻率范圍內(nèi)調(diào)整功放的輸出功率為5 W恒定值，然后在夾具上測(cè)量實(shí)際的有效耦合功率，然后比較兩種方法的耦合效果。比對(duì)結(jié)果如圖5所示。

圖5　TWC與BCI的對(duì)比

可以看到在低頻范圍內(nèi)，BCI注入環(huán)的實(shí)際干擾效果要優(yōu)于TWC。但在400 MHz以上，尤其是900 MHz以上的時(shí)候，TWC的功率耦合效率相對(duì)穩(wěn)定，并且要明顯優(yōu)于BCI。

當(dāng)然，實(shí)際使用時(shí)，由于不同型號(hào)的注入設(shè)備之間的差異，以及被測(cè)樣品的傳輸阻抗等因素，其注入效果可能是非線性的。但總體而言，對(duì)于TWC在較高頻率的良好響應(yīng)，使測(cè)試人員在EMC試驗(yàn)的選擇性上將會(huì)有較大的拓展。

5、結(jié)語(yǔ)

本文介紹的TWC校準(zhǔn)方法中，也可以用網(wǎng)絡(luò)分析儀來(lái)代替發(fā)生器和功率計(jì)。校驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意兩點(diǎn)：一是必須考慮TWC校準(zhǔn)夾具的50/150 Ω的轉(zhuǎn)換系數(shù)。二是試驗(yàn)所使用的終端負(fù)載和衰減器必須滿足使用的頻率范圍，并且要有足夠的額定功率。

由于在高頻時(shí)，波長(zhǎng)很短，注入的干擾能量很容易通過(guò)被測(cè)線束和受試設(shè)備對(duì)外界形成射頻回路，從而影響實(shí)際的干擾效果，所以該方法能否替代自由場(chǎng)仍有待研究。但TWC優(yōu)秀的高頻耦合效率，讓1 GHz以上的機(jī)動(dòng)車零部件EMC測(cè)試不再僅僅只依靠電波暗室法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

最早在DaimlerChrysler的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)DC-11225以及大眾汽車的TL82166中提出TWC測(cè)試方法，但因?yàn)樵摲椒ú](méi)有被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)所涵蓋，幾乎沒(méi)有被各個(gè)實(shí)驗(yàn)室所使用。如今ISO 11452 - 4：2011（E）已將其納入，很有可能在不久之后，TWC將和BCI一樣成為機(jī)動(dòng)車零部件EMC測(cè)試的主流試驗(yàn)方法之一。

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