汽車電磁兼容檢測天線調(diào)整裝置原理方案設(shè)計(jì)

謝 曲

（1.柳州汽車檢測有限公司，廣西 柳州 545006；2.柳州市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)所，廣西 柳州 545000）

汽車是當(dāng)今社會(huì)不可或缺的交通和運(yùn)輸工具，隨著對(duì)汽車節(jié)能、環(huán)保、安全性和舒適性等要求的提高，汽車電子技術(shù)應(yīng)用日益增多。為了解決燃油汽車的能源消耗和環(huán)境污染問題，發(fā)展電動(dòng)汽車，包括純電動(dòng)汽車（EV）、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）和燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV），是世界汽車產(chǎn)業(yè)的方向。隨著汽車電子化和電動(dòng)汽車的推廣應(yīng)用，汽車的電磁抗干擾性能與汽車行駛過程產(chǎn)生的電磁騷擾，成為不容忽視的問題。汽車電子控制裝置的抗電磁干擾性能缺陷，導(dǎo)致汽車控制設(shè)備的性能降低甚至失效，對(duì)汽車的安全行駛造成嚴(yán)重影響。汽車行駛過程產(chǎn)生的電磁騷擾超標(biāo)，將造成環(huán)境電磁污染。因此，檢測汽車的電磁兼容（EMC）性能已經(jīng)成為世界各國的強(qiáng)制性法規(guī)要求。電波暗室內(nèi)檢測時(shí)，需要調(diào)整天線相對(duì)地面和被測車輛的位置，通常采用停機(jī)后操作人員進(jìn)入電波暗室內(nèi)調(diào)整的方式，存在效率低、操作人員容易受電磁輻射傷害等問題。因此，實(shí)現(xiàn)汽車EMC檢測天線位置自動(dòng)調(diào)整具有重要意義。本文運(yùn)用創(chuàng)新設(shè)計(jì)原理，在進(jìn)行汽車EMC檢測天線位置調(diào)整裝置功能分析的基礎(chǔ)上，對(duì)獲得專利授權(quán)的汽車EMC檢測天線位置調(diào)整裝置進(jìn)行原理方案設(shè)計(jì)。

1 汽車EMC檢測簡介

汽車EMC檢測包括電磁抗干擾性能與電磁騷擾限值檢測。

電磁抗干擾性能檢測包括傳導(dǎo)抗擾度和輻射抗擾度檢測。通過對(duì)汽車或者汽車零部件施加一定強(qiáng)度的試驗(yàn)信號(hào)，使其性能降低達(dá)到規(guī)定的值，或者試驗(yàn)信號(hào)達(dá)到規(guī)定的抗擾度電平，以判斷汽車或者汽車零部件的電磁抗干擾性能是否符合要求[1]。

電磁騷擾包括窄帶騷擾和寬帶騷擾（又分為寬帶連續(xù)騷擾或者寬帶不連續(xù)騷擾）。窄帶騷擾限值檢測采用帶平均值檢波器或者峰值檢波器的接送機(jī)進(jìn)行；寬帶騷擾限值檢測采用帶峰值檢波器的接送機(jī)進(jìn)行測量。電磁騷擾檢測的場地可以是戶外試驗(yàn)場地（OTS），也可以在裝有吸波材料的屏蔽室（ALSE，亦稱為電波暗室）中進(jìn)行。在電波暗室內(nèi)進(jìn)行電磁騷擾檢測具有環(huán)境可控、不受外界條件影響、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，盡管電波暗室造價(jià)昂貴，其仍然成為汽車行業(yè)的首選方式。在電波暗室內(nèi)進(jìn)行電磁騷擾檢測，需要在車輛的左右兩側(cè)進(jìn)行測量；優(yōu)先選用10米法（標(biāo)稱測量距離為10 m）；滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條件時(shí)，也可以選用3米法（標(biāo)稱測量距離為3 m）[2]。

2 電波暗室內(nèi)汽車電磁兼容性檢測條件

2.1 對(duì)環(huán)境的要求

電波暗室的環(huán)境噪聲電平應(yīng)比標(biāo)準(zhǔn)要求的騷擾限值低 6 dB 以上[3，4]。

2.2 對(duì)天線的要求

（1）天線單元與天線支架、升降系統(tǒng)之間應(yīng)避免產(chǎn)生電耦合，天線單元與饋線之間應(yīng)不發(fā)生電耦合。

（2）采用10米法進(jìn)行電磁騷擾檢測時(shí)，天線參考點(diǎn)到車輛或裝置邊緣的金屬部分的水平距離為10.0 m±0.2 m，天線中心離地板的高度為3.00 m±0.05 m；采用3米法時(shí)，天線參考點(diǎn)到車輛或裝置邊緣的金屬部分的水平距離為3.0 m±0.05 m，天線中心離地板的高度為1.80 m±0.05 m.對(duì)于同時(shí)裝有獨(dú)立電機(jī)驅(qū)動(dòng)和內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)分別測試；裝有多個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)的車輛，應(yīng)將發(fā)動(dòng)機(jī)依次定位在天線正前方測試[3]。

（3）電動(dòng)車輛的電磁場發(fā)射強(qiáng)度檢測時(shí)，棒天線置于地面上，距車輛最近部分為3.0 m±0.1 m；環(huán)天線中心置于地面以上1 m±0.05 m，距車輛最近部分為3.0 m±0.2 m，環(huán)天線位于磁場的最大敏感度方向，電場方向平行于環(huán)平面。通過預(yù)掃描選取車輛的最大輻射方向，天線放置和定向?yàn)樽畲蠼邮招盘?hào)方向，測量車輛以規(guī)定的穩(wěn)定車速運(yùn)行時(shí)的最大發(fā)射[4]。

（4）進(jìn)行無線電騷擾抗擾度測量時(shí)，發(fā)射天線對(duì)接地平面和被測件的極化方向、位置、高度需要按照標(biāo)準(zhǔn)要求調(diào)整。為了獲得均勻的試驗(yàn)場，天線與被測件的間距應(yīng)滿足式（1）或式（2）的規(guī)定[1]：

式中：L為天線與被測件的間距；l為抗擾度信號(hào)波長；Lm為被測件最大尺寸（m）.

當(dāng)被測件尺寸小于抗擾度信號(hào)波長時(shí)，按照式（1）確定；當(dāng)被測件各方向尺寸大于抗擾度信號(hào)波長時(shí)，按照式（2）確定。波束窄的發(fā)射天線高度變化時(shí)應(yīng)始終指向被測件[1]。按照ISO11451的測試要求，汽車抗擾度試驗(yàn)的信號(hào)頻率為10 kHz~6 GHz，測試距離為2 m，場強(qiáng)達(dá)到典型值200 V/m[5].

3 電波暗室內(nèi)汽車EMC檢測

圖1 汽車EMC檢測天線位置示意

在電波暗室內(nèi)進(jìn)行汽車EMC檢測時(shí)，汽車在底盤測功機(jī)（安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上）的滾筒上按照規(guī)定工況運(yùn)行，底盤測功機(jī)的滾筒軸線在轉(zhuǎn)臺(tái)上的位置可以調(diào)整，以適應(yīng)不同型號(hào)規(guī)格的汽車檢測。對(duì)被測汽車另一面進(jìn)行EMC檢測時(shí)，轉(zhuǎn)臺(tái)載著被測汽車轉(zhuǎn)過180°.

檢測天線的位置按照標(biāo)準(zhǔn)的要求，根據(jù)被測汽車的尺寸及其在轉(zhuǎn)臺(tái)上的位置進(jìn)行調(diào)整（見圖1）。

4 汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置原理方案設(shè)計(jì)

4.1 汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置的功能分析

根據(jù)以上分析，汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置的功能是：

（1）天線座平面位置改變，包括天線座前后方向移動(dòng)、左右方向移動(dòng)、繞垂直軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)；

（2）天線垂直高度改變；

（3）天線法線方向改變，有繞水平軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)、繞垂直軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)（由天線座實(shí)現(xiàn)）。

約束條件：天線調(diào)整裝置需要滿足：1）位置調(diào)整精度的要求；2）電磁兼容要求。

4.2 汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置的功能元解的形態(tài)學(xué)矩陣

根據(jù)調(diào)整裝置的功能需求，改變天線座的平面位置可通過改變天線座兩端的平面坐標(biāo)實(shí)現(xiàn)，即采用各種平面機(jī)構(gòu)完成；改變天線的垂直高度，可通過垂直方向的直線運(yùn)動(dòng)裝置實(shí)現(xiàn)；改變天線的法線方向，繞垂直軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)由天線座兩端的平面坐標(biāo)改變實(shí)現(xiàn)，繞水平軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)?？傻闷嘐MC檢測天線調(diào)整裝置的功能元解的形態(tài)學(xué)矩陣（如表1所示）。

表1 天線調(diào)整裝置的功能元解的形態(tài)學(xué)矩陣

由于氣體的可壓縮性，氣壓傳動(dòng)無法保證位置調(diào)整精度，根據(jù)約束條件（1），剔除氣壓驅(qū)動(dòng)方式（D3）；電動(dòng)機(jī)在電波暗室內(nèi)工作時(shí)，將產(chǎn)生額外的電磁騷擾，從而破壞電波暗室的電磁兼容性，因此根據(jù)約束條件（2），剔除電波暗室內(nèi)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式（D1），可采用電波暗室外電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式（D2）、液壓驅(qū)動(dòng)方式（D4）.根據(jù)天線調(diào)整裝置的功能元解的形態(tài)學(xué)矩陣，進(jìn)行功能元解組合求解，得到可行原理設(shè)計(jì)方案數(shù)N為：

N=A×B×C×D=5×3×2×2=60

共有60種可行方案。根據(jù)約束條件，剔除D1、D3后，A1、A2、A3，B1、B2，C1等功能元解將失去直接驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，因而不易實(shí)現(xiàn)，為非最佳解，由此可得最佳原理設(shè)計(jì)方案數(shù)NJ為：

NJ=AJ×BJ×CJ×DJ=2×1×1×2=4

4種最佳原理設(shè)計(jì)方案的功能元解組合為：（A4+B3+C2+D2）、（A4+B3+C2+D4）、（A5+B3+C2+D2）、（A5+B3+C2+D4）。根據(jù)最佳原理設(shè)計(jì)方案的功能元解組合，可進(jìn)一步進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其中，功能元解A4（變胞機(jī)構(gòu)）又可采取液壓馬達(dá)關(guān)節(jié)帶動(dòng)多桿機(jī)構(gòu)、帶輪關(guān)節(jié)（或繩輪關(guān)節(jié)）帶動(dòng)A桿機(jī)構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)約束條件（2），液壓站應(yīng)設(shè)置于電波暗室外，并且構(gòu)件材料選擇必須滿足電波暗室的電磁兼容性要求。

5 調(diào)整裝置原理設(shè)計(jì)案例

根據(jù)上述最佳原理設(shè)計(jì)方案的功能元解組合，可進(jìn)行調(diào)整裝置設(shè)計(jì)。按照A5+B3+C2+D4的功能元解組合進(jìn)行了一種調(diào)整裝置的原理設(shè)計(jì)，圖2給出了該案例的原理圖。

圖2 調(diào)整裝置設(shè)計(jì)案例原理圖

6 結(jié)束語

電波暗室內(nèi)進(jìn)行汽車EMC檢測過程，電波暗室內(nèi)存在很強(qiáng)的電磁輻射，為提高檢測效率、減少電磁輻射對(duì)操作人員的傷害，采用EMC檢測天線位置調(diào)整裝置。本文闡述獲得專利授權(quán)的汽車EMC檢測天線位置調(diào)整裝置，并按照功能分析法進(jìn)行原理方案功能元組合的求解方法，提出4種可行原理設(shè)計(jì)方案以及變胞機(jī)構(gòu)的多種結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)提出的原理方案功能元解組合，可進(jìn)一步進(jìn)行該裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

[1]GBT 6113.204-2008.無線電騷擾和抗擾度測量設(shè)備和測量方法規(guī)范第2-4部分：無線電騷擾和抗擾度測量方法抗擾度測量[S].

[2]GB/T 6113.202-2008.無線電騷擾和抗擾度測量設(shè)備和測量方法規(guī)范第2-2部分：無線電騷擾和抗擾度測量方法騷擾功率測量[S].

[3]GB 14023-2011.車輛、船和內(nèi)燃機(jī)無線電騷擾特性用于保護(hù)車外接收機(jī)的限值和測量方法[S].

[4]GB/T 18387-2008.電動(dòng)車輛的電磁場發(fā)射強(qiáng)度的限值和測量方法，寬帶，9kHz～30MHz[S].

[5]國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO.Road vehicle test methods for electrical disturbances from naaowband radiated electromagnetic energy-part3 On-board transmitter bimulation：ISO11451-3-2015[S/OL].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.http：//www.zbgb.org/index.htm