EMC测试中消减辅助设备干扰的措施

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0 引言

随着机动车智能化和网联化的发展，远程信息处理器（TelematicsBOX，简称T-BOX）的应用越来越广泛。车载T-BOX作为车辆与云端的信息交互点，可深度读取机动车控制器局域网络（Controller AreaNetwork，简称CAN）总线数据和私有协议，承担着机动车联网交互通信的关键角色。车载T-BOX作为机动车零部件产品，需要根据CISPR25和ISO 11452系列标准要求进行相关电磁兼容（EMC）测试，其中辐射发射（EMI）测试和辐射抗扰度（EMS）测试需要在电波屏蔽暗室（简称暗室）中进行。在测试工况下，车载T-BOX通过GPS、GPRS、WiFi等无线通信技术实现传感器、机动车零部件与互联网进行交互通信。但是，电波屏蔽暗室会屏蔽隔离内部与外界环境的电磁波，也会阻断GPS、GPRS、WiFi等车载T-BOX所需的通信信号。因此，在EMC测试中，会通过通信综测仪等信号模拟设备产生无线电通信信号，并将该信号引入电波屏蔽暗室来模拟通信。在这个过程中，信号模拟设备会产生或引入被测设备（DeviceUnderTest，简称 DUT）主动发射频率以外的干扰信号，从而影响测试，特别是在辐射发射测试中，过大的干扰信号发射会导致无法判定测试结果。本文通过以天线极化匹配为切入点，探究滤除外界干扰的方式。

1 车载T-BOX的辐射发射测试系统

如图1所示为车载T-BOX的辐射发射测试系统框图，依据 CISPR25：2016/GB/T18655-2018 标准要求对被测T-BOX系统进行测试布置。其中T-BOX作为被测设备（DUT），DUT及其线束被放置在非导电、低相对介电常数材料上，距参考接地平面上方50mm的位置；DUT的线束平行于参考接地平面边缘部分的长度为1500mm，其两端弯曲角度为90°～135°；模拟负载直接放置在参考接地平面上；测量接收天线的相位中心在接地平面上方100mm处，水平距离被测系统1000mm的位置，并分别在垂直和水平两个极化方向上进行辐射发射场强测量。

图1 车载T-BOX的辐射发射测试系统

测量接收天线通过射频同轴电缆穿过暗室的接口板，连接至EMI接收机。通信天线作为辅助设备，在不影响辐射发射测量的条件下放置于暗室内的角落位置。通信模拟设备可以产生相应的模拟通信信号，通过射频同轴电缆穿过暗室的接口板连接到暗室内的通信天线。T-BOX通过其内置通信天线与暗室内的辅助设备通信天线进行无线通信，实现测试所需的工作模式。

2 天线的极化匹配

天线的极化匹配是指接收天线和发射天线获得最大接收能力时的相对极化方向位置匹配。通常，当天线极化匹配时，接收天线和发射天线的极化方向相一致。

天线的极化匹配因子定义为接收天线实际收到的功率与极化匹配时应收到的功率之比，其计算表达式为

式中：et——发射天线电场单位矢量；

er——接收天线电场单位矢量；

*——共轭

其中0≤p≤1。当p=0时，天线完全极化失配；当p=1时，天线极化匹配，此时接收天线和发射天线共面，接收天线的接收能力为最大。

同时，去除接收设备以及实验环境布置影响，接收天线和发射天线的极化匹配情况会直接影响到接收天线所接收的信号功率。

3 实验分析

为研究方便，在车载T-BOX的辐射发射测试系统中，设置DUT的工作模式为GPRS通信连接状态，工作频率为上行 902.40MHz，下行 947.40MHz。通信模拟设备为CMU200综合测试仪，由射频同轴电缆通过暗室接口板连接至暗室内辅助设备通信天线，以实现DUT与CMU200之间建立GPRS连接。接收天线位置依据测试标准定义确定，分别切换水平和垂直两个极化方向来测量DUT及其线束的对外发射水平。试验中，EMI接收机测量关注的频段为850～960MHz，分辨力带宽为 120kHz。CISPR25：2016/GB/T18655-2018标准中等级4在该频段的限值要求为峰值 50dBμV/m，平均值 30dBμV/m。在接收天线极化方向一定的情况下，通过改变辅助设备通信天线的极化方向来进行数据分析。

以接收天线在垂直极化方向的情况为例，当辅助设备通信天线同样处于垂直极化方向时，通过接收天线测量得到的频谱如图2所示。

由图 2 可以看出，902.35MHz、941.35MHz和947.40MHz的发射测量值分别为 69.884dBμV/m、35.688dBμV/m 和 33.291dBμV/m，这三个频点的发射值均不能满足标准限值要求。其中，902.35MHz作为DUT的上行工作频率附近频点，可以进行豁免而判定通过。而941.35MHz和947.40MHz作为下行频率范围内的两个频点，并不是DUT应该有的发射值，因此不能豁免。为了得到确定的测试结果，需要判断941.35MHz和947.40MHz两个频点的来源。如果该两个频点来源于DUT，则判定DUT不符合标准要求。

图2 极化匹配时，接收天线测量频谱

可以初步判断 941.35MHz和 947.40MHz两个频点是由CMU200引入的下行频率干扰，故将辅助设备通信天线调整为水平极化方向，使其与接收天线完全极化失配，但是不影响其与DUT的GPRS通信连接，从而降低了由CMU200引入的干扰。如图3所示为完全极化匹配时，接收天线测量频谱图。

由图 3可见，902.35MHz的发射测量值为63.069dBμV/m，受到了一定的通信信号强度影响，但是不影响既定工作模式的状态。而941.35MHz和947.40MHz两个频点的发射测量值已接近本地噪声水平，满足标准要求。

图3 完全极化匹配时，接收天线测量频谱

同样的方法，当接收天线在水平极化方向时，将辅助设备通信天线设置为垂直极化方向，可以使941.40MHz和 947.40MHz两个频率附近的信号强度降低至接近本地噪声水平，从而满足标准要求。

在实验过程中，DUT的布置和接收天线等测试系统设置均按照相关测试标准执行，通过以上实验步骤，确定了941.40MHz和947.40MHz两个频率附近的信号不是DUT产生的发射信号，最终判定DUT在850～960MHz频率范围内符合标准要求。

5 结语

分析表明，接收天线与发射天线极化匹配时，接收功率最大；完全极化失配时，接收功率最小。在涉及车联网产品等需要引入辅助设备通信天线的EMC测试中，应调整辅助设备通信天线使其与EMC测试天线的极化方向相反，以尽可能达到两者完全极化失配状态，从而消减辅助设备通信天线对测试结果的干扰。此外，在确保DUT通信连接状态正常的条件下，可以调整信号模拟设备，使其输出最合适的信号强度，从而得到准确可靠的测试结果。