摘要：隨著車輛中電子組件的增多和車內(nèi)環(huán)境日益復(fù)雜,，汽車廠商對組件測試的要求也越來越高。本文旨在通過介紹汽車電子組件EMI抗擾性測試的各種方法,，并概括了各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，幫助測試工程師正確選擇最佳的測試方法,。 

引言 
        一直以來,，電磁干擾(EMI)效應(yīng)是現(xiàn)代電子控制系統(tǒng)中備受關(guān)注的一個問題。尤其在當(dāng)天的汽車產(chǎn)業(yè)中,，車輛采用了一系列的車載電子模塊,，例如引擎管理模塊、ABS系統(tǒng),、電子動力方向盤功能模塊,、車載娛樂系統(tǒng)和熱控制模塊。 

        同時,，車輛所處的電磁環(huán)境也更加復(fù)雜。車載電子組件必須與車載射頻發(fā)射機(jī)共存,，這些發(fā)射機(jī)部分安裝和設(shè)置得比較恰當(dāng),，比如在救護(hù)車中，有些卻并非如此,，例如一些出廠后安裝的CB發(fā)射器和車載行動電話,。此外，車輛還可能進(jìn)入一些由于外部發(fā)射機(jī)產(chǎn)生的強(qiáng)電磁場區(qū)域,，強(qiáng)度每米可達(dá)幾十甚至幾百伏特,。在多年前汽車業(yè)就已意識到這些問題，所有著名廠商也都已采取一定措施,，透過制定汽車測試標(biāo)準(zhǔn)和立法要求,，力圖減少電磁干擾的影響。因此,，今天的車輛對這種干擾都具備了較強(qiáng)的抵抗能力,。但由于EMI對車載模塊的性能影響非常大，繼續(xù)對其保持警惕是有必要的,。 

        車輛及其組件的測試是個高度專業(yè)的領(lǐng)域,，一直以來是由廠商自己完成。在有些國家,，許多車輛廠商會共同資助那些專業(yè)的測試實(shí)驗(yàn)室,。隨著車輛中使用的電子組件日益增多，汽車廠商將組件外包的趨勢也日趨明顯,，因此,，EMC測試開始逐漸變成組件廠商的責(zé)任。 

        在諸如ISO 11452(國際標(biāo)準(zhǔn)組織)和SAE J1113(汽車工程師協(xié)會)等汽車組件抗擾性測試國際標(biāo)準(zhǔn)的子章節(jié)中,，都描述了頻率存在重疊的多種不同測試方法和測試等級,。汽車組件測試在沒有任何更高的立法要求時,，車輛廠商們就可以獨(dú)自在這些通用標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定其測試要求。 

        即當(dāng)某汽車廠商想為其組件供貨商制定組件等級的測試要求時,，他可以從包含測試方法,、測試頻率范圍和測試等級的清單上選擇合適的款項(xiàng)來構(gòu)成他自己的測試標(biāo)準(zhǔn)。這樣,，一個為多家汽車廠商提供子組件的廠家就有可能必須根據(jù)不同的標(biāo)準(zhǔn),，采用不同的方法，在同一個頻率范圍內(nèi)測試同樣的組件,。 

        組件廠商可以采用一系列針對ISO 11452和SAE J1113中包含的RF測試規(guī)格而設(shè)計(jì)汽車組件測試系統(tǒng)來幫助完成工作,，以滿足客戶的測試需求。這些測試系統(tǒng)主要有自含(self-contained)系統(tǒng),，遵循所有標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的最高等級測試規(guī)格,。采用這樣的系統(tǒng)之后，組件廠商在對多個標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測試時,，用到的許多測試儀器都是相同的,，因而能節(jié)省大量資金。以下我們將討論幾種RF測試方法和汽車廠商測試需求中所規(guī)定的一些測試參數(shù),，并探討組件廠商如何才能根據(jù)不同客戶的測試需求搭建一個測試系統(tǒng),，達(dá)到只測試客戶需要的目的。 

1. RF測試方法 
        要想測試一個汽車組件的RF抗擾性,，必須透過一種與車內(nèi)干擾出現(xiàn)方式相當(dāng)?shù)姆绞较蚱涫┘覴F干擾,。這就導(dǎo)入了第一個變量。汽車可能會暴露在一個外場中,，或可能攜帶具有會產(chǎn)生干擾信號的發(fā)射機(jī)和天線,，無論如何，干擾場都可以直接作用于組件所處的位置,。例如,，當(dāng)該組件安裝在開放式區(qū)域，比如,，儀表盤上或附近,，它所產(chǎn)生的干擾就比當(dāng)它被安裝在車輛底盤附近或是在引擎箱內(nèi)這樣的屏蔽區(qū)時造成的危害要大得多。 

        另一方面,，為了供電和信號連接的需要,，所有電子模塊都連到車輛的配線系統(tǒng)。而配線裝置相當(dāng)于一個有效的天線,，能夠與RF干擾耦合,，因此，不論組件安裝在什么地方,，RF電流都可能透過其接插件傳導(dǎo)到組件中,。我們通常采用的測試方法有兩組：輻射干擾測試和傳導(dǎo)干擾測試,。 

        1.1 輻射干擾測試 
        所有的輻射測試法都向被測裝置施加一個強(qiáng)度得到校準(zhǔn)的RF場，這樣,，就能將RF電流和電壓導(dǎo)入裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu),，然后這些RF電流和電壓又會出現(xiàn)在主動組件的感應(yīng)節(jié)點(diǎn)上，因而在電子線路中造成干擾,。不同方法在施加RF場的方式上有所不同,。 

        1.1.1暗室中的輻射天線測量法 
        最簡單明了的產(chǎn)生RF場的方法就是向一個天線灌入能量，并將其指向被測設(shè)備(EUT),。天線能夠?qū)F能量轉(zhuǎn)化為一個輻射場,，并使其充滿測試區(qū)域。由于需要在很寬的頻譜范圍內(nèi)產(chǎn)生高電平的RF信號,，測試應(yīng)該在一個屏蔽室中進(jìn)行,，避免與附近的其它合法無線電用戶相互干擾。但這會出現(xiàn)墻壁的反射,，從而改變室內(nèi)的場分布,。為解決這一問題，需要對屏蔽室的表面進(jìn)行處理,，創(chuàng)造一個‘吸波室(absorber lined chamber)’環(huán)境，這又會大大增加測試設(shè)備的成本,。測試使用的天線在被測頻率范圍內(nèi)應(yīng)該具有較寬的頻率響應(yīng),。車輛測試中的測試頻率可能從10kHz到18GHz，因此需要許多種不同的類型的天線,。圖1是一種典型輻射裝置,。

圖1 輻射干擾測試裝置

        加在EUT上的場分布也要盡可能均勻，并且具有良好控制,。測試時的場可能會影響屏蔽室的規(guī)格,，因此天線不能離EUT太近，方向性也不能太強(qiáng),，避免產(chǎn)生的場只集中于EUT的某一個區(qū)域,。天線和EUT距離過近還會導(dǎo)致二者互感增大，進(jìn)而影響了天線上所加信號的控制難度,。被測對象的尺寸越大,，這一要求就越難滿足。另外,，根據(jù)公式P=(E*r)2/30W(當(dāng)天線具備單元增益時),，天線離EUT越遠(yuǎn)，達(dá)到某個場強(qiáng)時需要的功率就越大,。 

        注意,，該公式給出的是場強(qiáng)和距離的平方率關(guān)系,，即當(dāng)某個特定距離上的場強(qiáng)從10V/m增大到20V/m時，需要的功率是原來的4倍,，或者說當(dāng)場強(qiáng)從10V/m增大到20V/m時,，在特定功率下，距離只有原來的四分之一,。EUT位置處的場強(qiáng)透過一個各向同性的寬頻場感應(yīng)器來測量,，各向同性是為了保證感應(yīng)器對方向不感應(yīng)，而寬頻則是確保它在不同頻率下均能得到正確的測量值,。 

        1.1.2 TEM單元法 
        根據(jù)ISO 11452-3和SAE J1113/24中的規(guī)定,，橫電磁波（TEM）單元只是一段傳輸線，在其一端饋入一定的RF功率,，并在另一端接一個負(fù)載阻抗,。隨著電磁波在傳輸線中的傳播，導(dǎo)體間就建立起一個電磁場,。TEM描述的是在這類單元的作用區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的占主導(dǎo)地位的電磁場,。當(dāng)傳輸線長度給定時，在一定的區(qū)域內(nèi),，場強(qiáng)均勻,，且易測量或運(yùn)算。EUT就放置在作用區(qū)域內(nèi),。 

        TEM單元一般以箱體形式存在,，里面有一個隔離面，所以箱體的墻面作為傳輸線的一端,，隔離面(或稱隔膜,，septum)作為另一端。TEM單元的幾何構(gòu)造對傳輸線的特性阻抗有決定性的影響,。因?yàn)橄潴w是封閉的（除了很小的泄漏以外）,，單元外沒有電磁場，因此這種單元可以不加外屏蔽應(yīng)用于任何環(huán)境,。 

        TEM單元的主要缺點(diǎn)是其存在頻率上限,，這一上限頻率與其實(shí)體尺寸成反比(見表1)。當(dāng)頻率高于此上限時,，其內(nèi)部電磁場的結(jié)構(gòu)中開始出現(xiàn)高次模,，場的均勻性，尤其是確切尺寸決定的諧振頻率處的場均勻性,，也開始變差,。TEM單元能夠測量的最大EUT尺寸受其內(nèi)部可用的場強(qiáng)均勻區(qū)域體積的限制，因此最大EUT尺寸和該單元可測的最高頻率之間有著直接關(guān)系,。TEM單元的最低測量頻率可到DC,，這也是它與輻射天線測量法的不同之處,。

表1 TEM單元法的頻率上限

        1.1.3 帶狀線法和三平面法 
        這兩種方法與TEM單元法有本質(zhì)的區(qū)別。TEM單元法是一個封閉型測量方法,，而帶狀線法和三平面法所采用的測試裝置則是開放式傳輸線,。也就是說，在采用這兩種方法時,，最大場雖然位于平面之間,，但仍有能量輻射到外部，因此必須在一間屏蔽室內(nèi)進(jìn)行測試,。ISO 11452-5和SAE J1113/23中都對帶狀線測試有所描述,，而三平面測試只在SAE J1113/25中提到。 

        在帶狀線測試中,，被測組件模塊只暴露連接它與相關(guān)設(shè)備的電纜裝置,，并不暴露在平面間的最大場強(qiáng)。帶狀線平面作為傳輸線的源導(dǎo)體,，其下放置1.5m長的電纜裝置,，測試的參考地平面則作為另一端導(dǎo)體。帶狀線產(chǎn)生的場會在電纜裝置中感應(yīng)出縱向電流,，然后進(jìn)入EUT耦合,。因此，帶狀線測試幾乎算是輻射場測試和傳導(dǎo)測試這兩種方法的混合,。 

        三平面測試裝置中,，一個主動內(nèi)導(dǎo)體夾在兩個外平面中間，產(chǎn)生可通過運(yùn)算得到的阻抗,。被測模塊放置于一個外平面和中心導(dǎo)體之間，中心導(dǎo)體的另一面是置空,。由于整個測試的結(jié)構(gòu)是對稱的,，因此可在這一面與EUT呈鏡像位置的地方放置一個場強(qiáng)探針。 

        和TEM單元測試一樣,，帶狀線測試和三平面測試裝置均有一個受其尺寸限制的頻率上限,。在等于或高于由該尺寸決定的諧振頻率時，就會產(chǎn)生不受控制的電磁場高次模,。這三種方法相對于輻射天線法的優(yōu)勢就在于,，采用這三種方法時，只需要適當(dāng)?shù)墓β示湍軌虍a(chǎn)生比輻射天線法大得多的場強(qiáng),，因?yàn)閳鰪?qiáng)等于導(dǎo)體平面之間的電壓除以它們之間的距離,。 

        1.2 傳導(dǎo)干擾測試 
        第二類測試方法叫做傳導(dǎo)干擾測試，是直接將RF干擾施加在電纜裝置中,，取代了在被測模塊放置之處施加電磁場,。隨著RF電流在電路結(jié)構(gòu)(例如一塊印刷電路板PCB)中傳輸,，組件模塊與外部裝置的連接處就會產(chǎn)生一個電流，在電子線路中造成干擾,。盡管這種方法與輻射場測試法得出的結(jié)果類似,，但二者之間沒有任何等同之處，因此這兩種方法常用于進(jìn)行完整測試,，有時兩種測試的頻率范圍還有重疊,。 

        傳導(dǎo)干擾測試最常采用的兩種耦合方法，一是需要注入一個可控制其大小的干擾電流的電流注入法(bulk current injection,，BCI),，二是注入一個可控制其大小的功率的直接注入法。 

        1.2.1 電流注入法(BCI) 
        采用BCI法時,，將一個電流注入探針放在連接被測件的電纜裝置之上,，然后向該探針加入RF干擾。此時,，探針作為第一電流變換器,，而電纜裝置作為第二電流變換器，因此,，RF電流先在電纜裝置中以共模方式流過,，即電流在裝置的所有導(dǎo)體上以同樣的方式流通，然后再進(jìn)入EUT的連接端口,。 

        真正流過的電流由電流注入處裝置的共模阻抗決定,，在低頻的情況下，這幾乎完全由EUT和電纜裝置另一端所連接的相關(guān)設(shè)備對地的阻抗決定,。一旦電纜長度達(dá)到四分之一波長,，阻抗的變化就十分重要，并且會降低測試的可重復(fù)性,。

        電流注入探針會帶來損耗,，因而需要較大的驅(qū)動能力才能在EUT上設(shè)立起合理的干擾源。盡管如此,，BCI法還是有一個很大的優(yōu)點(diǎn),，那就是其非侵入性，因?yàn)樘结樋梢院唵蔚貖A在任何直徑不超過其最大可接受直徑的電纜上,，而不需進(jìn)行任何直接的電纜導(dǎo)體連接,，也不會影響電纜所連接的工作電路。 

        1.2.2 直接注入法 
        BCI法對驅(qū)動能力要求過高,，而且在測試過程中與相關(guān)設(shè)備的隔離也不好,，直接注入法的目的就是克服BCI法的這兩個缺點(diǎn)。具體做法是將測試設(shè)備直接連接到EUT電纜上，透過一個寬頻人工網(wǎng)絡(luò)(Broadband Artificial Network,，BAN)將RF功率注入EUT電纜,，而不干擾EUT與其感應(yīng)器和負(fù)載的接口(見圖3)。

圖3 干擾直接注入法測試裝置

        該BAN在測試頻率范圍內(nèi)RF阻抗可以控制,。BAN在流向輔助設(shè)備的方向至少能夠提供500W的阻塞阻抗,。干擾信號通過一個隔直電容器，直接耦合到被測線上,。該方法在ISO 11452-7和SAE J1113/3中都有描述,。

2. EMI測試的測試參數(shù) 
        在車輛組件的EMI測試中，根據(jù)不同車輛廠商所提出的不同要求,，除了導(dǎo)入干擾信號的基本方法有所不同以外,，還有許多參數(shù)也會有所不同。但不論RF干擾怎樣產(chǎn)生,，這些參數(shù)都是相關(guān)的,。 

        2.1頻率范圍 
        受測試方法本身及其所用變換器(transducer)的限制，上述的任一種方法都只適用于一個已定的頻率范圍,。表2列出了本文中討論的各種方法在相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中公布的適用頻率范圍,。

表2 不同測試方法在不同標(biāo)準(zhǔn)中的適用頻率范圍

        測試過程中，通常需要使測試信號在整個頻率范圍內(nèi)掃描變化或步進(jìn)變化,，測試的速度是很重要,，因?yàn)镋UT必須對每個測試頻率都有相應(yīng)的反映。測試的最小滯留時間一般為2秒,，如果EUT的時間常數(shù)較大,，滯留時間可能更長。如果采用軟件控制的測試信號發(fā)生器,，那通常是采用步進(jìn)方式,，而不是掃描過整個頻率范圍，因此還要定義頻率步進(jìn)的步長,。滯留時間和頻率步長二者共同決定了執(zhí)行單次掃描所需花費(fèi)的時間,，因而也決定了整個測試所需的時間。 

        2.2幅度控制 
        不論采用哪種測試方法,，對施加在EUT上的測試信號幅度都必須小心控制。幅度控制的方法按照原理不同通?？煞譃閮深?，一類叫閉環(huán)控制法，一類叫開環(huán)控制法,。在帶狀線測試和TEM單元測試時,，可以通過已知的凈輸入功率和傳輸線的參數(shù)來運(yùn)算得到施加的場。除了這兩種方法以外，都需要利用閉環(huán)法來實(shí)現(xiàn)幅度控制,。在輻射干擾測試中,，干擾信號的單位采用伏特/米(volts/meter)，在電流注入測試中,，單位采用微安(milliamps),，在直接功率注入測試中，單位采用瓦特(watts),。 

        2.3閉環(huán)法 
        采用閉環(huán)控制法時,，一個場強(qiáng)儀或電流監(jiān)控探針一直監(jiān)測著施加在EUT上的激勵，據(jù)此將功率調(diào)整到目標(biāo)值,。該方法有一個弊端,，在微波暗室中進(jìn)行輻射干擾測試時這一問題尤其明顯。那就是EUT的介入打亂了干擾激勵的電磁場,，從而找不到一個能夠正確反映出得到的場強(qiáng),，并對所有類型EUT普遍適用的位置來放置場強(qiáng)儀。當(dāng)測試頻率使得EUT尺寸與波長可以相比擬時,，在某些位置上場的分布可能會出現(xiàn)大幅下降,。如果場強(qiáng)儀剛好放置在這一位置上，那么據(jù)此場強(qiáng)儀的讀數(shù)來維持需要的電磁場強(qiáng)度時,，勢必會在EUT附近的位置上造成嚴(yán)重的過測(over-testing),。 

        BCI測試中也存在類似問題，當(dāng)EUT的共模輸入阻抗與測試信號諧振時,，要維持需要的電流就會造成過測(over-testing),。實(shí)際上，在這樣的環(huán)境下,，許多時候放大器都無法提供維持規(guī)定電平所需的功率,，而一旦放大器過載，還會造成更多的測試問題,。 

        2.4開環(huán)法 
        采用開環(huán)法（也叫做置換法）就能避開上述問題,。采用開環(huán)法時，首先將一個既定強(qiáng)度的信號送入測試設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)設(shè)置,。在每個頻率上,，放大器的輸出功率都受一個輔助功率計(jì)的監(jiān)控，當(dāng)放大器輸出電平達(dá)到目標(biāo)值時,，對其進(jìn)行記錄,。最后，在真實(shí)測試時,，再將這個預(yù)校準(zhǔn)的功率記錄進(jìn)行的重放,。總的來說，由于對施加在EUT上的場或電流(volts per meter或milliamps)的測量并不在測試的要求內(nèi),，因此開環(huán)法并不測量它們,，只是對其進(jìn)行監(jiān)控，以確認(rèn)系統(tǒng)工作正常,。但由于上節(jié)所談到的原因,，我們也不可能看到真正正確的測量值。 

        在輻射干擾測試中,，校準(zhǔn)設(shè)置過程要求在EUT于微波暗室中將一臺場強(qiáng)儀放置在一準(zhǔn)確位置上,。而在傳導(dǎo)干擾測試中，校準(zhǔn)設(shè)備是一個具有特定阻抗值的負(fù)載,，我們在其兩端測量輸出功率或電流,。 

        開環(huán)法所用到的功率參數(shù)包括凈功率，或者輸入變換器的前向功率和變換器反射回來的反向功率之差,。假設(shè)在沒有其它重大損耗時,，這個差值就等于實(shí)際送入EUT的功率。因此,，在采用定向耦合器時,，必須在每個頻率上測量兩個功率。這時,，可以利用一臺功率計(jì)分別對耦合器的前向輸出和反向輸出順序測量,，也可以利用兩臺功率計(jì)同時測量。 

        凈功率用于說明變換器的電壓駐波比(VSWR),，當(dāng)導(dǎo)入EUT時VSWR會發(fā)生變化,。但當(dāng)EUT與測試裝置匹配時，要保持凈功率所需的前向功率相對于校準(zhǔn)所需的功率可能有較大變化,。為避免過測,，保持所需凈功率而增大的前向功率不能超過2dB，即使2dB還不能滿足要求,，也不應(yīng)繼續(xù)增大,，而只能將此記錄在測試報告中。 

        2.5調(diào)制頻率和調(diào)制深度 
        所有的RF抗擾性測試都需要在每個頻率上對EUT施加CW(未調(diào)連續(xù)波)和已調(diào)AM信號,，而EUT的響應(yīng)通常更易受被調(diào)干擾影響,。一般情況下，測試標(biāo)準(zhǔn)中所規(guī)定的調(diào)變信號都是調(diào)制深度為80%,，頻率為1kHz的正弦波,。但也有個別的車輛廠商可能會有不同的要求。定義調(diào)制參數(shù)的目的是為AM和CW測試規(guī)定一個恒定的峰值電平,。這一點(diǎn)與商用(IEC 61000-4系列)RF抗擾性測試不同,。在商用RF抗擾性測試中，調(diào)制信號的峰值功率比未調(diào)信號高5.3dB,。而在峰值電平恒定的測試中調(diào)制深度為80%的已調(diào)信號功率只有未調(diào)信號功率的0.407倍,。

ISO 11452中清楚地定義了這種信號的施加過程：
1.在每一頻率上，線性或?qū)?shù)增大信號強(qiáng)度直到信號強(qiáng)度達(dá)到測試要求(對開環(huán)法指凈功率滿足要求,，對閉環(huán)法則指測試信號的電平滿足要求),，根據(jù)+2dB標(biāo)準(zhǔn)監(jiān)測前向功率；
2.按要求施加已調(diào)信號,，并使測試信號保持時間等于EUT最小響應(yīng)時間,；
3.在進(jìn)行下一個頻率的測試前，應(yīng)緩慢降低測試信號強(qiáng)度,。 

        2.6監(jiān)測EUT 
        在施加干擾信號時,，必須監(jiān)測EUT的響應(yīng)，并與其應(yīng)達(dá)到的性能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較,，以確定被測件是否通過測試,。由于每個EUT有不同的功能和滿足的性能標(biāo)準(zhǔn)也不相同，因此在此不可能對這些監(jiān)控方法進(jìn)行概括,。但如果測試軟件能夠自動完成部份或全部監(jiān)測工作,，那么整個測試就會更簡單、更可靠,。在這過程中可能只需簡單地測量和記錄每個頻率點(diǎn)上的輸出電壓,，也可能涉及一些能夠在測試發(fā)現(xiàn)錯誤時給出標(biāo)記的特殊EUT軟件。 

        2.7報告測試結(jié)果 
        在測試完成,，EUT的響應(yīng)也觀測完畢后,，測試工程師的工作還只完成了一半。工程師們還必須按照車輛廠商所規(guī)定的格式制作測試報告,。一個組件廠商可能為多個車輛廠商提供產(chǎn)品,，因此對同一組測試結(jié)果，組件廠商可能需要提交多種格式的測試報告,。 

        有些軟件包中包含可選的報告生成模塊,，能夠?yàn)椴煌能囕v廠商定制的各自標(biāo)準(zhǔn)報告模板。所有測試實(shí)驗(yàn)室的經(jīng)理都清楚為為客戶提供測試報告是一項(xiàng)最困難的任務(wù),，盡管大家都很享受測試過程,，卻很少有人喜歡撰寫測試報告。有了自動報告生成軟件模塊,，不但測試工程師們免去了負(fù)責(zé)撰寫測試報告的苦差,，同時也能更快實(shí)現(xiàn)滿足客戶的要求。 

        雖然汽車產(chǎn)業(yè)中的組件EMC測試中含有許多可變參數(shù),，但仍可以高效地完成針對不同車輛廠商的覆蓋很寬頻率范圍的測試,。