整车级便携式发射机电磁骚扰测试研究

2018-08-23魏志红刘少春刘祥武

客车技术与研究 2018年4期

魏志红，刘少春，刘祥武

(1．湖南中车时代电动汽车股份有限公司，湖南株洲 412001;2．上海大众汽车长沙分公司，长沙 410100)

21世纪以来，随着汽车上电子电器设备的日益增多以及各类日常电子产品的普及，汽车所面临的电磁环境日益复杂，使得其电磁兼容问题凸显。其中，便携式发射机所产生的电磁辐射便是很重要的一类电磁骚扰。便携式发射机(如手机、平板电脑、蓝牙设备、无线路由等)由于其普遍性和移动性，经常会在汽车内使用或者汽车行驶经过此类设备附近。这些便携式发射机产生的电磁辐射很可能造成车辆的关键电子模块或电器设备失灵甚至误操作。可见，确保便携式发射机与汽车整车的电磁兼容至关重要［1－5］。

1 便携式发射机的电磁辐射测试

目前，国内外关于便携式发射机对汽车整车电磁兼容影响的研究较少，研究工作主要集中在混响室下引线辐射抗扰度试验、系统级无人机电磁兼容测试方法、零部件级大电流注入法、零部件级带状线法等。虽然存在相关整车级的便携式发射机辐射抗扰度试验企业标准，以及零部件级辐射抗扰度测试标准［6］，但尚未存在便携式发射机对汽车整车电磁兼容影响的法规或规范［7－9］。不同使用场合(闹市、山区、车站、学校等)手机的发射功率不同［10］。但受试验条件限制，手机对车辆的电磁骚扰测试一般只能在固定场合进行［11－12］，为此，本文提出一种汽车整车级便携式发射机电磁骚扰测试方法，该方法在相关常见便携式发射机电磁辐射研究的基础上搭建整车级测试系统。

1.1 测试方案

手机是汽车中最常见的便携式发射机，本文以手机为例进行研究。发射功率是手机辐射的主要来源，一般而言，手机发射功率越大，辐射也就越大。根据GSM协议规定，手机发射功率是受基站控制的，GSM频段下最小发射功率为5 dBm(3.2 mW)，最大发射功率为 33 dBm(2 W)，两者相差 624 倍［13］。

根据手机在车内可能出现的位置选择测点，包括中央储物格、电动座椅、仪表盘、中控显示仪、前后空调系统。为最大程度模拟真实情况，对信号源进行调制，调制方式为PM(Pulse Modulation，脉冲调制)，脉冲重复率选择217 Hz，脉冲周期选择0.57 ms。根据手机常用的使用频段，选择698～798 MHz，824～915 MHz，1 390～1 490 MHz，1 710～2 125 MHz作为测试频段，测试等级选择2 W。具体测试方案见表1。

表1 整车级便携式发射机电磁辐射测试方案

1.2 测试系统

按照规定，整车级便携式发射机电磁骚扰测试必须在整车半电波暗室内进行，图1为测试系统示意图。

图1 整车级便携式发射机电磁辐射测试系统

其中，辐射装置由信号发生器、功率放大器、双向耦合器、辐射天线组成。信号源采用具有内部PM调制功能的 SMB100A信号发生器;辐射天线采用SBA9113+420NJ配套组成线性极化扁平天线，通过10～20 W功率放大器产生试验所需的场强。利用EMC32专业电磁兼容测试软件控制并监控测试功率和驻波比(VSWR)。通过GPIB总线进行通讯，由前向及反向功率探头监控功率放大器的前向和反向功率，从而控制信号发生器的输出电平，保证功率放大器输出至天线端口的净功率满足表1中测试等级要求。

1.3 测试流程

将测试系统和受测车辆同时置于整车电磁兼容暗室，对车辆进行电磁辐射测试，测试步骤如下:

1)调整车辆，使其处于怠速状态，并使车内所有电子电器设备处于工作状态(如空调开启至最大负荷状态、雨刮器开启至最大挡、播放车载音响等)，以便测试所有可能受便携式发射机辐射影响的器件功能。

2)打开图1所示测试系统中所有仪器，按照表1中的测试频率对第一个频率点进行测试。

3)测试人员坐在车内，以水平极化的方式手持SBA9113(420NJ)发射天线，在距离第一个敏感位置5 cm处进行测试，停留2 s。如果未出现异常现象，则以垂直极化的方式重复测试一次;如果出现异常现象(如中控显示器亮度降低、车载音响声音变小等)，则以0.5 W的步进降低测试等级直至异常现象消失为止，并将此值记录为被测车辆在该测试频率点的抗扰度阈值。

4)按照步骤2)、3)对其他敏感位置进行测试。

5)按照步骤2)、3)、4)对其他频率点进行测试。

2 测试结果分析

2.1 驻波比测试

驻波比(VSWR)是指驻波波腹电压与波谷电压之比。天线驻波比对于电磁辐射测试的效果有重要影响，如果驻波比过大，则表明天线端的阻抗匹配性能变差，造成传输到天线的净功率减少，从而达不到测试所要求的等级，无法真实地对整车进行等效模拟测试。天线驻波比计算公式如下:

式中:RL为天线的回波损耗;Г为反射系数，Pf、Pr分别为功率探头检测到的前向功率和反向功率;Vmax、Vmin分别为驻波波腹电压与波谷电压。

为保证测试可靠性，要求整车级便携式发射机的VSWR≤3∶1，即在测试频段内SBA 9113(420NJ)线性极化天线的VSWR≤3∶1，否则测试将不具备真实性和可行性。基于此，本文按照表1对应的测试频率点对SBA9113(420NJ)天线进行驻波比测试，图2为各个测试频率点的实测驻波比与参考驻波比。由图中曲线可直观看出，在各个测试频率点上，驻波比的实测值与参考值相差不大，说明SBA 9113(420NJ)线性极化天线的VSWR在整个频段内能够满足VSWR≤3∶1要求。

图2 VSWR参考值与实测值对比

2.2 辐射场强测试

由前述可知，手机这类常见便携式发射机在近场时的辐射场强最大可达几百V/m，因而要求在距离敏感位置5 cm处测试时，选择的发射天线在测试频率点的辐射场强需满足测试等级要求。本文对SBA9113(420NJ)发射天线净输入功率为1 W，距离天线5 cm处产生的辐射场强进行仿真计算。仿真的频率点分别为 400 MHz、900 MHz、1 800 MHz、2 000 MHz及 2 450 MHz，平均场强分别为 100 V/m、67 V/m、84 V/m、89 V/m、114 V/m，仿真结果如图 3所示。从图中可看出，在400 MHz频率点，电场主要集中在两天线叶片正下方区域;在1 800 MHz频率点，电场则主要集中在天线中心以下区域。此外，仿真结果的最大场强与最小场强的差值可达6 dB，说明SBA9113(420NJ)天线产生的场强变化范围较大，因此，在进行测试时需移动天线，以正确模拟天线产生的电磁辐射对汽车电子电器的电磁干扰情况。

图3 部分频率点的电磁辐射场强分布

为测试真实辐射场强值，按照前述的测试方法搭建试验台架，测试SBA9113(420NJ)天线在表1中的各频率点产生的场强值，射频功率探头采用NRP－Z81。距离功率探头中心和顶部5 cm处，分别测试天线中心位置和天线叶片位置的场强，测试结果如图4所示。从图中可看出，在698～2 125 MHz范围内，当输入功率为2 W时，最大场强值达到132 V/m，最小场强值达到17 V/m。测试结果表明，天线产生的电磁辐射场强足以影响到车内电子电器设备的正常工作，引发整车电磁兼容问题。