解析汽車(chē)電子EMC大電流注入測(cè)試方法向線束激勵(lì)方法的轉(zhuǎn)變

林焯宏，吳 瓊，翦文斌

（威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣州 510663）

引言

汽車(chē)的電磁環(huán)境復(fù)雜，為了驗(yàn)證汽車(chē)電子產(chǎn)品實(shí)際工作性能的可靠，在零部件測(cè)試時(shí)需盡可能模擬驗(yàn)證產(chǎn)品在車(chē)載安裝下的電磁環(huán)境適應(yīng)性。隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，大電流注入（BCI）測(cè)試的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11452-4就汽車(chē)電子產(chǎn)品車(chē)載安裝條件的發(fā)展變化，對(duì)測(cè)試的要求包括線束長(zhǎng)度、強(qiáng)度等級(jí)均作了相應(yīng)調(diào)整。

近年來(lái)射頻技術(shù)、通訊技術(shù)的發(fā)展，使無(wú)線通訊的信號(hào)頻率越來(lái)越高，汽車(chē)電子產(chǎn)品的電磁兼容測(cè)試亦需覆蓋到更高的頻率范圍。就此，標(biāo)準(zhǔn)ISO 11452-4新增了管狀電磁波耦合器（TWC）方法，以驗(yàn)證汽車(chē)電子產(chǎn)品在高頻范圍的抗干擾能力，并與大電流注入（BCI）方法一起統(tǒng)稱(chēng)為線束激勵(lì)方法。測(cè)試頻率范圍從原來(lái)最高的400MHz擴(kuò)大至3GHz，全面考核和驗(yàn)證汽車(chē)電子產(chǎn)品的抗擾性能。

1 大電流注入（BCI）測(cè)試的變化

大電流注入（BCI）方法分為替代法和閉環(huán)法兩種。在新版ISO 11452-4:2011標(biāo)準(zhǔn)中BCI替代法的布置要求、線束長(zhǎng)度、嚴(yán)酷等級(jí)相對(duì)于前一版本有了明顯變化，且補(bǔ)充了關(guān)于多分支情況的測(cè)試規(guī)定；而B(niǎo)CI閉環(huán)法的布置要求基本不變，僅嚴(yán)酷等級(jí)要求做了相應(yīng)調(diào)整，并補(bǔ)充了關(guān)于多分支情況的測(cè)試規(guī)定。新舊版本標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于大電流注入（BCI）方法的差異細(xì)節(jié)如表1所示。

1.1 BCI替代法

大電流注入（BCI）方法的基本原理是：通過(guò)磁感應(yīng)耦合的方式，在被測(cè)線束中產(chǎn)生騷擾電流，從而驗(yàn)證待測(cè)產(chǎn)品（DUT）對(duì)感生電流的抗擾能力。

由于BCI替代法試驗(yàn)順序是：測(cè)試前在校準(zhǔn)夾具驗(yàn)證電流注入探頭所產(chǎn)生的騷擾電流達(dá)到要求后，再將電流探頭鉗于待測(cè)線束的指定位置，以校準(zhǔn)得到的前向功率為準(zhǔn)，對(duì)DUT施加干擾。測(cè)試過(guò)程中并不監(jiān)控注 入電流強(qiáng)度，亦不再調(diào)整前向功率。因此，線束的長(zhǎng)度、電流注入探頭與DUT的相對(duì)距離都會(huì)影響騷擾電磁場(chǎng)在被測(cè)線束上的耦合程度。

進(jìn)行BCI替代法測(cè)試應(yīng)盡可能采用產(chǎn)品實(shí)際安裝的線束及其長(zhǎng)度。為了更好地模擬DUT在實(shí)際車(chē)載安裝的情形，許多汽車(chē)生產(chǎn)廠的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，都根據(jù)其汽車(chē)自身情況修訂了BCI替代法測(cè)試時(shí)使用的線束長(zhǎng)度。就車(chē)載安裝的需要，對(duì)線束長(zhǎng)度的規(guī)定多數(shù)為1～2m之間，如通用汽車(chē)的GMW3097、福特汽車(chē)的EMC-CS-2009等標(biāo)準(zhǔn)。

同樣，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)需結(jié)合汽車(chē)制造企業(yè)實(shí)際的生產(chǎn)情況，更新BCI替代法待測(cè)線束長(zhǎng)度的規(guī)定：標(biāo)準(zhǔn)ISO 11452-4:2011[3]將原來(lái)的1000±100mm，更改為1700（+300 / 0）mm，并規(guī)定待測(cè)線纜至少有1400mm是沿直線布置的。如此變化的目的是使測(cè)試布置更接近于實(shí)際安裝情況，并使騷擾信號(hào)得到最大程度的耦合，以有效地驗(yàn)證DUT的抗擾能力。如圖1～4所示。

標(biāo)準(zhǔn)增加了對(duì)DUT線束具有多分支情況的要求：若待測(cè)線束有多個(gè)分支線纜，電流注入探頭需分別鉗于各個(gè)分支的線纜單獨(dú)進(jìn)行測(cè)試，且要求電流注入探頭與被測(cè)線纜外的其他線束垂直距離至少100mm。驗(yàn)證DUT在各分支線纜受到電磁騷擾情形下的抗擾能力。

針對(duì)BCI方法，ISO 11452 - 4:2011修改了前一個(gè)版本的嚴(yán)酷等級(jí)要求，將測(cè)試的范圍劃分為1～3MHz、3～200MHz、200～400MHz三個(gè)頻段并做出相應(yīng)調(diào)整。根據(jù)對(duì)車(chē)載情況的實(shí)際測(cè)量，線纜上耦合的感應(yīng)電流在1～400MHz范圍內(nèi)呈現(xiàn)低頻段和高頻段較低、中間頻段較高的趨勢(shì)，因此嚴(yán)酷等級(jí)要求在1～3MHz頻段以對(duì)數(shù)形式上升，3～200MHz保持恒定不變，200～400MHz則以對(duì)數(shù)形式下降，如圖5所示。其嚴(yán)酷等級(jí)所列的注入電流值根據(jù)實(shí)際的測(cè)量計(jì)算和定義，共四個(gè)等級(jí)以供選擇，車(chē)廠和供應(yīng)商可根據(jù)實(shí)際情況決定使用的測(cè)試等級(jí)，以驗(yàn)證DUT對(duì)各類(lèi)車(chē)載環(huán)境的適應(yīng)性。

表1 大電流注入測(cè)試（BCI）差異內(nèi)容比照

圖1 測(cè)試線束長(zhǎng)度1000mm布置照

圖2 測(cè)試線束長(zhǎng)度1700mm布置照

圖3 ISO 11452-4:2011中BCI替代法測(cè)試布置俯視圖[3]

圖4 ISO 11452-4:2011中BCI替代法測(cè)試布置側(cè)視圖[3]

圖5 BCI替代法嚴(yán)酷等級(jí)[3]

標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于測(cè)試頻率點(diǎn)的偏差做了進(jìn)一步明確，其允許實(shí)際試驗(yàn)頻率點(diǎn)偏離或改動(dòng)，但與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最小步長(zhǎng)頻點(diǎn)的偏離不能超過(guò)0.5dB。

1.2 BCI閉環(huán)法

對(duì)BCI閉環(huán)法，國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)ISO 11452-4:2011并未對(duì)前一版本的規(guī)定有太大修改，原因是BCI閉環(huán)法要對(duì)測(cè)試中的注入電流值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。測(cè)試過(guò)程中可分為兩種情況：1)通過(guò)監(jiān)控的電流探頭，可確定線纜中注入的干擾電流值達(dá)到了嚴(yán)酷等級(jí)要求；2)BCI測(cè)試系統(tǒng)的輸出功率不斷增加，但通過(guò)監(jiān)控電流探頭可知，注入到被測(cè)線纜的干擾電流值仍達(dá)不到嚴(yán)酷等級(jí)要求，則當(dāng)系統(tǒng)輸出功率達(dá)到預(yù)先定義的最大值，即滿足等級(jí)要求并以此功率施加干擾。因此，待測(cè)線束長(zhǎng)度對(duì)注入電流的耦合程度的影響就相對(duì)較低了，測(cè)試布置的規(guī)定并未有太大改變。

在試驗(yàn)的細(xì)節(jié)上標(biāo)準(zhǔn)作了進(jìn)一步調(diào)整，如試驗(yàn)線束長(zhǎng)度規(guī)定為1000（+200 / 0）mm，明確線束長(zhǎng)度不能少于1000mm。標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)調(diào)了BCI閉環(huán)方法需保證待測(cè)線纜沿直線布置。

電流注入探頭與電流測(cè)量探頭距離DUT接口分別是900±10mm和50±10mm不變。標(biāo)準(zhǔn)加入了對(duì)待測(cè)線束具有多分支情況的規(guī)定：必須將電流注入探頭和電流測(cè)量探頭分別鉗于各個(gè)分支線纜單獨(dú)進(jìn)行測(cè)試，且要求電流注入探頭與被測(cè)線纜外的其他線束垂直距離至少100mm。

嚴(yán)酷等級(jí)要求與BCI替代法相同，將測(cè)試范圍劃分為1～3MHz、3～2 00MHz、200～400MHz三個(gè)頻段做出相應(yīng)調(diào)整，以驗(yàn)證DUT對(duì)車(chē)載環(huán)境的適應(yīng)性。

2 TWC方法

2.1 基本概念

標(biāo)準(zhǔn)ISO 11452-4:2011中新增加TWC測(cè)試方法，并定義TWC為管狀電磁波耦合器。TWC方法是利用耦合器將電磁波直接耦合到被測(cè)線束的原理實(shí)現(xiàn)電磁騷擾環(huán)境的模擬，主要針對(duì)工作頻率較高的汽車(chē)電子產(chǎn)品的抗擾度測(cè)試。

2.2 適用范圍

TWC方法主要目的是驗(yàn)證待測(cè)樣品對(duì)400MHz以上頻率范圍的抗電磁騷擾能力，特別是頻率高達(dá)1GHz以上的范圍，如使用到GSM、UMTS、ISM等信號(hào)的產(chǎn)品。由于TWC方法應(yīng)用的頻率范圍會(huì)受耦合器本身的特性所限制， TWC方法的典型應(yīng)用范圍是：400MHz～3GHz。

由于頻率3GHz的波長(zhǎng)為10cm，在實(shí)際中，待測(cè)樣品DUT長(zhǎng)度若小于10cm，或者已有完整屏蔽外殼的，高頻的干擾信號(hào)主要是通過(guò)其線束耦合，TWC方法最適合用于這種DUT的測(cè)試。對(duì)于長(zhǎng)度大于0.1m且沒(méi)有完整屏蔽體的DUT，高頻干擾信號(hào)可直接耦合到PCB板的可能性大大增加，則需考慮TWC方法是否適合。

2.3 試驗(yàn)布置

線束長(zhǎng)度的要求類(lèi)似于BCI替代法，標(biāo)準(zhǔn)ISO 11452-4:2011規(guī)定：TWC方法與BCI替代法DUT的待測(cè)線束長(zhǎng)度都為1700（+300/-0）mm，且必須保證待測(cè)線纜至少有1400mm是沿直線布置。

如圖6和圖7，TWC放置在厚度為50±5mm的絕緣支撐墊物上，距離DUT接口為100±10mm，且TWC相連的50Ω電阻應(yīng)與待測(cè)線束保持垂直距離大于200mm。信號(hào)發(fā)生輸出連接到TWC靠近DUT的接口，另外的接口連接50Ω電阻。

TWC是兩端相通的管狀耦合器，通過(guò)轉(zhuǎn)化信號(hào)發(fā)生器輸出的信號(hào)，在其管道中心產(chǎn)生橫向電磁波TEM，被測(cè)線束需穿過(guò)此管狀耦合器布置。測(cè)試過(guò)程中，對(duì)DUT產(chǎn)生的電磁干擾主要有兩種：一是，直接通過(guò)TWC耦合到待測(cè)線纜的橫向電磁波TEM；二是，由DUT與耦合器之間的測(cè)試線纜向外輻射的離散場(chǎng)電磁騷擾。

2.4 測(cè)試方法

TWC測(cè)試使用替代法進(jìn)行，以前向功率為參考進(jìn)行校準(zhǔn)和測(cè)試。

如圖8所示，在測(cè)試之前需對(duì)TWC的參數(shù)較準(zhǔn)：測(cè)量TWC放入校準(zhǔn)夾具中的插入損耗，其中校準(zhǔn)夾具阻抗特性為150Ω，測(cè)量步長(zhǎng)不能超過(guò)ISO 11452-1中所定義的最大步長(zhǎng)。校準(zhǔn)夾具與校準(zhǔn)分析儀間以寬頻帶的50Ω阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)連接，并對(duì)S參數(shù)的21S進(jìn)行測(cè)量，計(jì)算插入損耗原理公式如下：

其中：

IL為T(mén)WC的插入損耗，單位dB；

F為校準(zhǔn)夾具的修正參數(shù)，單位dB；

其中S21是校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的傳輸系數(shù)，計(jì)算原理如圖9所示：

定義b1=S11a1+S12a2以及b2=S21a1+S22a2，當(dāng)a2為校準(zhǔn)夾具測(cè)量端時(shí)，則a2=0，得到：b1=S11a1和b2=S21a1，其中S11為反射系數(shù)，S21即是校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)的傳輸參數(shù)。

校準(zhǔn)確認(rèn)后，根據(jù)校準(zhǔn)的插入損耗和等級(jí)要求，計(jì)算測(cè)試所需要的前向功率：

其中：

圖6 ISO 11452-4:2011中TWC方法測(cè)試布置俯視圖[3]

圖7 ISO 11452-4:2011中TWC方法測(cè)試布置側(cè)視圖[3]

圖8 TWC方法校準(zhǔn)布置圖[3]

圖9 校準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)傳輸參數(shù)定義[1]

Ptest為測(cè)試計(jì)劃要求的測(cè)試功率，單位dBm；

Pforward為前向功率，單位dBm；

IL為T(mén)WC的插入損耗，單位dB；

以前向功率為準(zhǔn)，對(duì)DUT施加電磁干擾，進(jìn)行抗擾度測(cè)試。

2.5 等級(jí)要求

TWC方法的嚴(yán)酷等級(jí)將整體頻率范圍分成3段，并分別在400～1000MHz和1000～2000MHz頻段對(duì)數(shù)下降，2000～3000MHz頻段為恒定值。

TWC方法的信號(hào)調(diào)制方式依照ISO 11452-1規(guī)定，其試驗(yàn)頻段較寬，從400～3000MHz，因此在800MHz以下頻段應(yīng)使用CW和AM調(diào)制方式，800MHz以上頻段則使用CW和PM調(diào)制方式進(jìn)行試驗(yàn)。

DUT的功能等級(jí)判定依據(jù)ISO 11452-1的FPSC規(guī)定，將DUT功能狀態(tài)分為A、B、C、D、E五個(gè)等級(jí)，具體的DUT功能要求需要汽車(chē)生產(chǎn)廠與零部件供應(yīng)商共同協(xié)商決定。

3 總結(jié)

通過(guò)ISO 11452-4:2011的研究發(fā)現(xiàn)，其最大變化在汽車(chē)電子產(chǎn)品的抗擾度測(cè)試實(shí)現(xiàn)了從大電流注入（BCI）方法向線束激勵(lì)方法的轉(zhuǎn)變。新標(biāo)準(zhǔn)更能切合汽車(chē)生產(chǎn)的實(shí)際情況，更具有真實(shí)性和歸一性。BCI替代法的待測(cè)線纜長(zhǎng)度更符合實(shí)際情況，且增加了多分支DUT線纜情況的測(cè)試要求，針對(duì)各個(gè)測(cè)試頻段修改了相應(yīng)的試驗(yàn)嚴(yán)酷等級(jí)，模擬車(chē)載環(huán)境中較真實(shí)、最嚴(yán)酷的條件。標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展了高頻部分測(cè)試要求，提出了TWC測(cè)試方法，并給出TWC方法的具體細(xì)節(jié)和規(guī)定，有效保證了汽車(chē)電子產(chǎn)業(yè)在高頻電磁性能的要求。

[1] ISO 11452-1:2005, Rod vehicles-component test methods for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy-Part 1: General principles and terminology[S].

[2] ISO 11452-4:2005, Road vehicles-component test methods for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy-Part 4: Bulk current injection (BCI)[S].

[3] ISO 11452-4:2011, Road vehicles-component test methods for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy-Part 4: Bulk current injection (BCI)[S].