整車級便攜式發(fā)射機(jī)電磁騷擾測試研究

魏志紅，劉少春，劉祥武

(1．湖南中車時代電動汽車股份有限公司，湖南株洲 412001;2．上海大眾汽車長沙分公司，長沙 410100)

21世紀(jì)以來，隨著汽車上電子電器設(shè)備的日益增多以及各類日常電子產(chǎn)品的普及，汽車所面臨的電磁環(huán)境日益復(fù)雜，使得其電磁兼容問題凸顯。其中，便攜式發(fā)射機(jī)所產(chǎn)生的電磁輻射便是很重要的一類電磁騷擾。便攜式發(fā)射機(jī)(如手機(jī)、平板電腦、藍(lán)牙設(shè)備、無線路由等)由于其普遍性和移動性，經(jīng)常會在汽車內(nèi)使用或者汽車行駛經(jīng)過此類設(shè)備附近。這些便攜式發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的電磁輻射很可能造成車輛的關(guān)鍵電子模塊或電器設(shè)備失靈甚至誤操作?？梢姡_保便攜式發(fā)射機(jī)與汽車整車的電磁兼容至關(guān)重要［1－5］。

1 便攜式發(fā)射機(jī)的電磁輻射測試

目前，國內(nèi)外關(guān)于便攜式發(fā)射機(jī)對汽車整車電磁兼容影響的研究較少，研究工作主要集中在混響室下引線輻射抗擾度試驗、系統(tǒng)級無人機(jī)電磁兼容測試方法、零部件級大電流注入法、零部件級帶狀線法等。雖然存在相關(guān)整車級的便攜式發(fā)射機(jī)輻射抗擾度試驗企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以及零部件級輻射抗擾度測試標(biāo)準(zhǔn)［6］，但尚未存在便攜式發(fā)射機(jī)對汽車整車電磁兼容影響的法規(guī)或規(guī)范［7－9］。不同使用場合(鬧市、山區(qū)、車站、學(xué)校等)手機(jī)的發(fā)射功率不同［10］。但受試驗條件限制，手機(jī)對車輛的電磁騷擾測試一般只能在固定場合進(jìn)行［11－12］，為此，本文提出一種汽車整車級便攜式發(fā)射機(jī)電磁騷擾測試方法，該方法在相關(guān)常見便攜式發(fā)射機(jī)電磁輻射研究的基礎(chǔ)上搭建整車級測試系統(tǒng)。

1.1 測試方案

手機(jī)是汽車中最常見的便攜式發(fā)射機(jī)，本文以手機(jī)為例進(jìn)行研究。發(fā)射功率是手機(jī)輻射的主要來源，一般而言，手機(jī)發(fā)射功率越大，輻射也就越大。根據(jù)GSM協(xié)議規(guī)定，手機(jī)發(fā)射功率是受基站控制的，GSM頻段下最小發(fā)射功率為5 dBm(3.2 mW)，最大發(fā)射功率為 33 dBm(2 W)，兩者相差 624 倍［13］。

根據(jù)手機(jī)在車內(nèi)可能出現(xiàn)的位置選擇測點，包括中央儲物格、電動座椅、儀表盤、中控顯示儀、前后空調(diào)系統(tǒng)。為最大程度模擬真實情況，對信號源進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制方式為PM(Pulse Modulation，脈沖調(diào)制)，脈沖重復(fù)率選擇217 Hz，脈沖周期選擇0.57 ms。根據(jù)手機(jī)常用的使用頻段，選擇698～798 MHz，824～915 MHz，1 390～1 490 MHz，1 710～2 125 MHz作為測試頻段，測試等級選擇2 W。具體測試方案見表1。

表1 整車級便攜式發(fā)射機(jī)電磁輻射測試方案

1.2 測試系統(tǒng)

按照規(guī)定，整車級便攜式發(fā)射機(jī)電磁騷擾測試必須在整車半電波暗室內(nèi)進(jìn)行，圖1為測試系統(tǒng)示意圖。

圖1 整車級便攜式發(fā)射機(jī)電磁輻射測試系統(tǒng)

其中，輻射裝置由信號發(fā)生器、功率放大器、雙向耦合器、輻射天線組成。信號源采用具有內(nèi)部PM調(diào)制功能的 SMB100A信號發(fā)生器;輻射天線采用SBA9113+420NJ配套組成線性極化扁平天線，通過10～20 W功率放大器產(chǎn)生試驗所需的場強(qiáng)。利用EMC32專業(yè)電磁兼容測試軟件控制并監(jiān)控測試功率和駐波比(VSWR)。通過GPIB總線進(jìn)行通訊，由前向及反向功率探頭監(jiān)控功率放大器的前向和反向功率，從而控制信號發(fā)生器的輸出電平，保證功率放大器輸出至天線端口的凈功率滿足表1中測試等級要求。

1.3 測試流程

將測試系統(tǒng)和受測車輛同時置于整車電磁兼容暗室，對車輛進(jìn)行電磁輻射測試，測試步驟如下:

1)調(diào)整車輛，使其處于怠速狀態(tài)，并使車內(nèi)所有電子電器設(shè)備處于工作狀態(tài)(如空調(diào)開啟至最大負(fù)荷狀態(tài)、雨刮器開啟至最大擋、播放車載音響等)，以便測試所有可能受便攜式發(fā)射機(jī)輻射影響的器件功能。

2)打開圖1所示測試系統(tǒng)中所有儀器，按照表1中的測試頻率對第一個頻率點進(jìn)行測試。

3)測試人員坐在車內(nèi)，以水平極化的方式手持SBA9113(420NJ)發(fā)射天線，在距離第一個敏感位置5 cm處進(jìn)行測試，停留2 s。如果未出現(xiàn)異?，F(xiàn)象，則以垂直極化的方式重復(fù)測試一次;如果出現(xiàn)異?，F(xiàn)象(如中控顯示器亮度降低、車載音響聲音變小等)，則以0.5 W的步進(jìn)降低測試等級直至異?，F(xiàn)象消失為止，并將此值記錄為被測車輛在該測試頻率點的抗擾度閾值。

4)按照步驟2)、3)對其他敏感位置進(jìn)行測試。

5)按照步驟2)、3)、4)對其他頻率點進(jìn)行測試。

2 測試結(jié)果分析

2.1 駐波比測試

駐波比(VSWR)是指駐波波腹電壓與波谷電壓之比。天線駐波比對于電磁輻射測試的效果有重要影響，如果駐波比過大，則表明天線端的阻抗匹配性能變差，造成傳輸?shù)教炀€的凈功率減少，從而達(dá)不到測試所要求的等級，無法真實地對整車進(jìn)行等效模擬測試。天線駐波比計算公式如下:

式中:RL為天線的回波損耗;Г為反射系數(shù)，Pf、Pr分別為功率探頭檢測到的前向功率和反向功率;Vmax、Vmin分別為駐波波腹電壓與波谷電壓。

為保證測試可靠性，要求整車級便攜式發(fā)射機(jī)的VSWR≤3∶1，即在測試頻段內(nèi)SBA 9113(420NJ)線性極化天線的VSWR≤3∶1，否則測試將不具備真實性和可行性?；诖?，本文按照表1對應(yīng)的測試頻率點對SBA9113(420NJ)天線進(jìn)行駐波比測試，圖2為各個測試頻率點的實測駐波比與參考駐波比。由圖中曲線可直觀看出，在各個測試頻率點上，駐波比的實測值與參考值相差不大，說明SBA 9113(420NJ)線性極化天線的VSWR在整個頻段內(nèi)能夠滿足VSWR≤3∶1要求。

圖2 VSWR參考值與實測值對比

2.2 輻射場強(qiáng)測試

由前述可知，手機(jī)這類常見便攜式發(fā)射機(jī)在近場時的輻射場強(qiáng)最大可達(dá)幾百V/m，因而要求在距離敏感位置5 cm處測試時，選擇的發(fā)射天線在測試頻率點的輻射場強(qiáng)需滿足測試等級要求。本文對SBA9113(420NJ)發(fā)射天線凈輸入功率為1 W，距離天線5 cm處產(chǎn)生的輻射場強(qiáng)進(jìn)行仿真計算。仿真的頻率點分別為 400 MHz、900 MHz、1 800 MHz、2 000 MHz及 2 450 MHz，平均場強(qiáng)分別為 100 V/m、67 V/m、84 V/m、89 V/m、114 V/m，仿真結(jié)果如圖 3所示。從圖中可看出，在400 MHz頻率點，電場主要集中在兩天線葉片正下方區(qū)域;在1 800 MHz頻率點，電場則主要集中在天線中心以下區(qū)域。此外，仿真結(jié)果的最大場強(qiáng)與最小場強(qiáng)的差值可達(dá)6 dB，說明SBA9113(420NJ)天線產(chǎn)生的場強(qiáng)變化范圍較大，因此，在進(jìn)行測試時需移動天線，以正確模擬天線產(chǎn)生的電磁輻射對汽車電子電器的電磁干擾情況。

圖3 部分頻率點的電磁輻射場強(qiáng)分布

為測試真實輻射場強(qiáng)值，按照前述的測試方法搭建試驗臺架，測試SBA9113(420NJ)天線在表1中的各頻率點產(chǎn)生的場強(qiáng)值，射頻功率探頭采用NRP－Z81。距離功率探頭中心和頂部5 cm處，分別測試天線中心位置和天線葉片位置的場強(qiáng)，測試結(jié)果如圖4所示。從圖中可看出，在698～2 125 MHz范圍內(nèi)，當(dāng)輸入功率為2 W時，最大場強(qiáng)值達(dá)到132 V/m，最小場強(qiáng)值達(dá)到17 V/m。測試結(jié)果表明，天線產(chǎn)生的電磁輻射場強(qiáng)足以影響到車內(nèi)電子電器設(shè)備的正常工作，引發(fā)整車電磁兼容問題。

圖4 天線電磁輻射場強(qiáng)值

3 結(jié)束語

本文提出了整車級便攜式發(fā)射機(jī)電磁測試方法，并搭建了整車級便攜式發(fā)射機(jī)電磁輻射測試系統(tǒng)。研究結(jié)果表明，在測試頻段內(nèi)，測試系統(tǒng)的測試結(jié)果可靠，輻射場強(qiáng)分布范圍廣，可以很好地模擬手機(jī)這一類便攜式發(fā)射機(jī)在不同使用情況下對汽車整車的電磁輻射，可以用于手機(jī)這一類便攜式發(fā)射機(jī)對汽車整車的電磁騷擾測試。

修改稿日期:2018－04－18