EMC測(cè)試中消減輔助設(shè)備干擾的措施

/ .上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院；2.上海中智項(xiàng)目外包咨詢(xún)服務(wù)有限公司

0 引言

隨著機(jī)動(dòng)車(chē)智能化和網(wǎng)聯(lián)化的發(fā)展，遠(yuǎn)程信息處理器（TelematicsBOX，簡(jiǎn)稱(chēng)T-BOX）的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。車(chē)載T-BOX作為車(chē)輛與云端的信息交互點(diǎn)，可深度讀取機(jī)動(dòng)車(chē)控制器局域網(wǎng)絡(luò)（Controller AreaNetwork，簡(jiǎn)稱(chēng)CAN）總線數(shù)據(jù)和私有協(xié)議，承擔(dān)著機(jī)動(dòng)車(chē)聯(lián)網(wǎng)交互通信的關(guān)鍵角色。車(chē)載T-BOX作為機(jī)動(dòng)車(chē)零部件產(chǎn)品，需要根據(jù)CISPR25和ISO 11452系列標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行相關(guān)電磁兼容（EMC）測(cè)試，其中輻射發(fā)射（EMI）測(cè)試和輻射抗擾度（EMS）測(cè)試需要在電波屏蔽暗室（簡(jiǎn)稱(chēng)暗室）中進(jìn)行。在測(cè)試工況下，車(chē)載T-BOX通過(guò)GPS、GPRS、WiFi等無(wú)線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳感器、機(jī)動(dòng)車(chē)零部件與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行交互通信。但是，電波屏蔽暗室會(huì)屏蔽隔離內(nèi)部與外界環(huán)境的電磁波，也會(huì)阻斷GPS、GPRS、WiFi等車(chē)載T-BOX所需的通信信號(hào)。因此，在EMC測(cè)試中，會(huì)通過(guò)通信綜測(cè)儀等信號(hào)模擬設(shè)備產(chǎn)生無(wú)線電通信信號(hào)，并將該信號(hào)引入電波屏蔽暗室來(lái)模擬通信。在這個(gè)過(guò)程中，信號(hào)模擬設(shè)備會(huì)產(chǎn)生或引入被測(cè)設(shè)備（DeviceUnderTest，簡(jiǎn)稱(chēng) DUT）主動(dòng)發(fā)射頻率以外的干擾信號(hào)，從而影響測(cè)試，特別是在輻射發(fā)射測(cè)試中，過(guò)大的干擾信號(hào)發(fā)射會(huì)導(dǎo)致無(wú)法判定測(cè)試結(jié)果。本文通過(guò)以天線極化匹配為切入點(diǎn)，探究濾除外界干擾的方式。

1 車(chē)載T-BOX的輻射發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)

如圖1所示為車(chē)載T-BOX的輻射發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)框圖，依據(jù) CISPR25：2016/GB/T18655-2018 標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)被測(cè)T-BOX系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試布置。其中T-BOX作為被測(cè)設(shè)備（DUT），DUT及其線束被放置在非導(dǎo)電、低相對(duì)介電常數(shù)材料上，距參考接地平面上方50mm的位置；DUT的線束平行于參考接地平面邊緣部分的長(zhǎng)度為1500mm，其兩端彎曲角度為90°～135°；模擬負(fù)載直接放置在參考接地平面上；測(cè)量接收天線的相位中心在接地平面上方100mm處，水平距離被測(cè)系統(tǒng)1000mm的位置，并分別在垂直和水平兩個(gè)極化方向上進(jìn)行輻射發(fā)射場(chǎng)強(qiáng)測(cè)量。

圖1 車(chē)載T-BOX的輻射發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)

測(cè)量接收天線通過(guò)射頻同軸電纜穿過(guò)暗室的接口板，連接至EMI接收機(jī)。通信天線作為輔助設(shè)備，在不影響輻射發(fā)射測(cè)量的條件下放置于暗室內(nèi)的角落位置。通信模擬設(shè)備可以產(chǎn)生相應(yīng)的模擬通信信號(hào)，通過(guò)射頻同軸電纜穿過(guò)暗室的接口板連接到暗室內(nèi)的通信天線。T-BOX通過(guò)其內(nèi)置通信天線與暗室內(nèi)的輔助設(shè)備通信天線進(jìn)行無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)測(cè)試所需的工作模式。

2 天線的極化匹配

天線的極化匹配是指接收天線和發(fā)射天線獲得最大接收能力時(shí)的相對(duì)極化方向位置匹配。通常，當(dāng)天線極化匹配時(shí)，接收天線和發(fā)射天線的極化方向相一致。

天線的極化匹配因子定義為接收天線實(shí)際收到的功率與極化匹配時(shí)應(yīng)收到的功率之比，其計(jì)算表達(dá)式為

式中：et——發(fā)射天線電場(chǎng)單位矢量；

er——接收天線電場(chǎng)單位矢量；

*——共軛

其中0≤p≤1。當(dāng)p=0時(shí)，天線完全極化失配；當(dāng)p=1時(shí)，天線極化匹配，此時(shí)接收天線和發(fā)射天線共面，接收天線的接收能力為最大。

同時(shí)，去除接收設(shè)備以及實(shí)驗(yàn)環(huán)境布置影響，接收天線和發(fā)射天線的極化匹配情況會(huì)直接影響到接收天線所接收的信號(hào)功率。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為研究方便，在車(chē)載T-BOX的輻射發(fā)射測(cè)試系統(tǒng)中，設(shè)置DUT的工作模式為GPRS通信連接狀態(tài)，工作頻率為上行 902.40MHz，下行 947.40MHz。通信模擬設(shè)備為CMU200綜合測(cè)試儀，由射頻同軸電纜通過(guò)暗室接口板連接至暗室內(nèi)輔助設(shè)備通信天線，以實(shí)現(xiàn)DUT與CMU200之間建立GPRS連接。接收天線位置依據(jù)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)定義確定，分別切換水平和垂直兩個(gè)極化方向來(lái)測(cè)量DUT及其線束的對(duì)外發(fā)射水平。試驗(yàn)中，EMI接收機(jī)測(cè)量關(guān)注的頻段為850～960MHz，分辨力帶寬為 120kHz。CISPR25：2016/GB/T18655-2018標(biāo)準(zhǔn)中等級(jí)4在該頻段的限值要求為峰值 50dBμV/m，平均值 30dBμV/m。在接收天線極化方向一定的情況下，通過(guò)改變輔助設(shè)備通信天線的極化方向來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

以接收天線在垂直極化方向的情況為例，當(dāng)輔助設(shè)備通信天線同樣處于垂直極化方向時(shí)，通過(guò)接收天線測(cè)量得到的頻譜如圖2所示。

由圖 2 可以看出，902.35MHz、941.35MHz和947.40MHz的發(fā)射測(cè)量值分別為 69.884dBμV/m、35.688dBμV/m 和 33.291dBμV/m，這三個(gè)頻點(diǎn)的發(fā)射值均不能滿足標(biāo)準(zhǔn)限值要求。其中，902.35MHz作為DUT的上行工作頻率附近頻點(diǎn)，可以進(jìn)行豁免而判定通過(guò)。而941.35MHz和947.40MHz作為下行頻率范圍內(nèi)的兩個(gè)頻點(diǎn)，并不是DUT應(yīng)該有的發(fā)射值，因此不能豁免。為了得到確定的測(cè)試結(jié)果，需要判斷941.35MHz和947.40MHz兩個(gè)頻點(diǎn)的來(lái)源。如果該兩個(gè)頻點(diǎn)來(lái)源于DUT，則判定DUT不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 極化匹配時(shí)，接收天線測(cè)量頻譜

可以初步判斷 941.35MHz和 947.40MHz兩個(gè)頻點(diǎn)是由CMU200引入的下行頻率干擾，故將輔助設(shè)備通信天線調(diào)整為水平極化方向，使其與接收天線完全極化失配，但是不影響其與DUT的GPRS通信連接，從而降低了由CMU200引入的干擾。如圖3所示為完全極化匹配時(shí)，接收天線測(cè)量頻譜圖。

由圖 3可見(jiàn)，902.35MHz的發(fā)射測(cè)量值為63.069dBμV/m，受到了一定的通信信號(hào)強(qiáng)度影響，但是不影響既定工作模式的狀態(tài)。而941.35MHz和947.40MHz兩個(gè)頻點(diǎn)的發(fā)射測(cè)量值已接近本地噪聲水平，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 完全極化匹配時(shí)，接收天線測(cè)量頻譜

同樣的方法，當(dāng)接收天線在水平極化方向時(shí)，將輔助設(shè)備通信天線設(shè)置為垂直極化方向，可以使941.40MHz和 947.40MHz兩個(gè)頻率附近的信號(hào)強(qiáng)度降低至接近本地噪聲水平，從而滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，DUT的布置和接收天線等測(cè)試系統(tǒng)設(shè)置均按照相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，通過(guò)以上實(shí)驗(yàn)步驟，確定了941.40MHz和947.40MHz兩個(gè)頻率附近的信號(hào)不是DUT產(chǎn)生的發(fā)射信號(hào)，最終判定DUT在850～960MHz頻率范圍內(nèi)符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

分析表明，接收天線與發(fā)射天線極化匹配時(shí)，接收功率最大；完全極化失配時(shí)，接收功率最小。在涉及車(chē)聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品等需要引入輔助設(shè)備通信天線的EMC測(cè)試中，應(yīng)調(diào)整輔助設(shè)備通信天線使其與EMC測(cè)試天線的極化方向相反，以盡可能達(dá)到兩者完全極化失配狀態(tài)，從而消減輔助設(shè)備通信天線對(duì)測(cè)試結(jié)果的干擾。此外，在確保DUT通信連接狀態(tài)正常的條件下，可以調(diào)整信號(hào)模擬設(shè)備，使其輸出最合適的信號(hào)強(qiáng)度，從而得到準(zhǔn)確可靠的測(cè)試結(jié)果。