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引言

現(xiàn)代社會(huì)中，機(jī)動(dòng)車(chē)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(chē)體驗(yàn)。但機(jī)動(dòng)車(chē)電子部件的可靠性，特別是如何保證整車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)束，保留了無(wú)需破壞樣品線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)束之間的分布電容，耦合到線(xiàn)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(lèi)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(huà)，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(xiàn)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(xiàn)束或多個(gè)接口的樣件，沒(méi)有放入TWC的線(xiàn)束應(yīng)和被測(cè)線(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(mǎn)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(xiàn)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(chē)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(chē)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(chē)零部件EMC測(cè)試的主流試驗(yàn)方法之一。

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