（通信与信息系统专业论文）车辆整车电磁抗扰度试验技术研究.pdf

北京交通大学硬士学位论文 y8 7 8 2 0 摘要 摘要 随着科学技术深入人们生活，伴随而来的电磁环境日趋复杂恶劣。 这必然会影响到电子自动化程度越来越高的车辆的正常行驶。车辆运行 的安全性和可靠性就同车辆的电磁抗扰性能密不可分。作为判定车辆电 磁抗扰性能的抗扰试验技术的一个重要组成部分，汽车整车抗扰度试验 在我国研究尚浅，还没有制定相关的国家标准。本文借鉴国外相关标准， 通过理论分析、仿真计算和实际测量的方法，讨论了汽车整车抗扰度试 验的理论依据、试验方法的可重复性和可实现程度。 车辆整车抗扰度试验相关的国外标准有i s 0 1 1 4 5 l 、s a ej 5 5 l 和 2 4 1 0 4 e e c ( 7 2 2 4 5 e e c 的新版本) ，本文比较了这些标准的具体内容， 列出了这些标准的不同点和相同点，说明了我国进行整车抗扰度试验可 参照的国外标准的具体鳃节及参照的原因。 车外源辐射抗扰度试验项目由于其覆盖频率宽、对设备要求高等原 因，成为整车抗扰度试验中最复杂最难实现的一种试验方法，也是本文 重点研究的试验项目。本文说明了试验在较低频段o 0 1 m h z 3 0 m h z 使用 传输线系统( t l s ) 的原因，通过对平行板波导分析，研究了t l s 系统的波 模特性。通过传输线理论分析，推算出t l s 系统的电场分布，估算了t l s 系统达到严酷电平所需的功率。并简要说明了t l s 系统的结构的特点， 分析了t l s 结构在试验中的作用。 在较高频段2 0 0 埘z 1 0 0 0 m h z ，本文推算了天线辐射在远场的电场分 布和天线馈源的有效功率，根据推算，从理论上估算了在此频段的试验 要达到严酷电平所需的功率，分析了试验满足场均匀性的条件。通过测 量的对数周期天线( 嗽0 3 1 4 8 ) 的实际尺寸，利用f e k o 仿囊软件进行仿真 实验，结合实际测试的数据，来验证理论分析得出的结论。 i 北京交通大学硕士学位论文 摘蔓 传导抗扰度试验大电流注入法( b c i ) 提出初衷是为了替代较难 实现的车外源辐射抗扰度试验，试验实现比较辐射抗扰度试验较为简单 但由于频段较窄，逐步形成独立的试验项目。本文分析了大电流注入法 基本原理，介绍了大电流注入法的两个基本方法闭环法和替代法的区别， 推导了大电流注入法中探头标定试验的理论计算，并通过实际的测试和 理论计算进行比较。 关键词：攘车抗扰度试验技术场均匀性传输线远场平行板波 导对数周期天线大电流注入 l l ! ! 塞皇垩查堂堡圭兰垡堡兰 塑蔓 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f s c i e n c ea n dt e c h n 0 1 0 9 y ， t h e e l e c t r o i n a g n e t i ce n v i r o n m e n ta r o u n du s b e c o e sm o r ea n dm o r e c o m p l e xa n de h a n g e a b l e t h eo p e r a t i o no fr o a dv e h i c l ew i t h i n c r e a s i n g l yh i g hd e g r e ee l e c t r o n i ca u t o i i l a t i o nw i l li n e v i t a b l yb e a f f e c t e d t h u st h es a f e t ya n dr e l i a b i l i t yo fv e h i c l e sa r ec l o s e l y r e l a t i v et ot h ev e h i c l e s p e r f o r m a n c e o f e l e c t r o m a g n e t i c i 哪u n i t y a sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft e s t i n gt e c h n o l o g yf o rr o a d v e h i c l ee l e c t r o m a g n e t i ci 衄u n i t yw h i c hd e t e r m i n ev e h i c l e s i m m u n i t yp e r f o r m a n c e ，w h o l e v e h i c l ei 嘞u n i t yt e s t i n gt e c h n 0 1 0 9 y h a v en o tb e e nd e e p l ys t u d i e di no u rc o u n t r y ，a n dr e l e v a n tn a t i o n a l s t a n d a r da l s oh a sn o tb e e nd e v e l o p e d b a s e do nt h er e l e v a n t s t a n d a r d sf r o a b r o a d 。t h ea r t i c l es t u d i e st h e o r e t i c a lb a s i s ，a n d t e s t i n gm e t h o d s r e p e t i t i v ea n dp r a c t i c a b l eo fw h o l e v e h i c l e ir 啪u n i t yt e s t i n gt h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s i m u l a t i o na n d a c t u a lm e a s u r e m e n t s t h i sa r t i c l ec o m p a r e sf o r e i g ns t a n d a r d si s 0 11 4 5 l ，s a ej 5 5 la n d 2 0 0 4 1 0 4 e e c ( n e wv e r s i o no f7 2 2 4 5 e e c ) a n di 1 1 u s t r a t e sw h i c h s t a n d a r dc a nb eu s e di no u rt e s ti nd e t a i l s i 哪u n i t yt e s t i n g a g a i n s to f f v e h i c l e sr a d i a t i o ns o u r c e si st h e m o s tc o m p l e xa n dd i f f i c u ltt oa c h i e v ef o ri t sw i d ef r e q u e n c ya n d h i g hr e q u i r e m e n to fe q u i p m e n t t h i sa r t i c l ed e s c i b e st h er e a s o n s o fu s i n gt r a n s m i s s i o nli n e s s y s t e m( t l s )i nt h el o w e rb a n d o o l m h z 3 0 姗z t h ea r t j c l ea n a 】y s e sw a v em o d e la n dt h ee l e c t r i c u 1 北京交通大学硕士学位论文 f i e l dd i s t r i b u t i o no ft h et l st h r o u g ht h e o r yo ft r a n s m i s s i o nl i n e b a s e do nt h ea n a l y s i s ，t h ea r t i c l ee s t i i a t e st h er e q u i r e dp o w e r t oa c h i e v es e v e r i t y1 e v e l( e l e c t r i cf i e l di 丌t e n s i t y )a n d i 11 u s t r a t e sc h a r a c t e r i s t i c so ft l ss t r u c t u r e i nt h eh i g h e rb a n d2 0 0 唧z 1 0 0 0 粕z ，t h i sa r t i c l ea n a l y s e st h e e l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o na tf a rf i e l da n de s t i m a t e st h e r e q u i r e dp o w e rt oa c h i e v es e v e r it yl e v e l a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l s iz eo fa n t e n n a ( e m c 0 3 1 4 8 ) ，t h ea u t h o rm a d es i m u l a t i o ne x p e r i m e n t s w i t hf e k os i m u l a t i o ns o f t w a r ea n dt h ea c t u a lt e s tt ov a l i d a t e t h e o r e tic a lc o n c l u s i o n s t h eo r i g i n a li n t e n t i o no fc o n d u c t j o nd i s t u r b a n c ei m m u n i t yt e s t 一一b u l kc u r r e n ti n j e c t i o n ( b c i ) i sr e p l a c e do f f v e h i c l e sr a d i a t i o n i 唧u n i t yt e s t i n g n o wi t sas e p a r a t et e s t i n gd u et ot h en a r r o w f r e q u e n c yb a n d t h ea r t i c l ea n a l y s e sb a s i cp r i n c i p l e sa n dt w o b a s i cm e t h o d s ( s u b s t i t u t i o nm e t h o da n dc l o s e d l o o pm e t h o d ) o fb u l k e u r r e n ti n j e c t jo n t h ea r t i c l ed e r i v e sc u r r e n tt h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o n so fc u r r e n tp r o b ec a l i b r a t i o nt e s t i n g ，a n dc o m p a r e s t h er e s u l tw i t ho n ef r o ma c t u a le x d e r i m e n t k e y w o r d ：w h o l e v e h i c l e ，i 姗u n i t y ， t e s t i n gt e c h n o l o g y ， f i e l d u n i f o r m it y ，t r a n s m i s s i o nl i n e s ，f a rf i e l d ， p a r a l l e lp l a t ew a v e g u i d e ，1 0 9p e r i o d i cd i p o l ea n t e n n a s ，b u l kc u r r e n ti n j e c t i o n l v 北京交通大学碗士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题的背景和意义 众所周知，汽车产业对于拉动中国国民经济增长具有十分重要的意 义。随着汽车贸易政策的审议通过，汽车技术认证成为中国汽车企 业目前迫切解决的问题。电磁兼容性认证是汽车认证的重要组成部分。 汽车的抗扰度试验是汽车电磁兼容认证的重要试验。 随着科学技术深入人们生活，伴随而来的电磁环境日趋复杂恶劣。 例如移动电话、无线寻呼、卫星通信等无线电设备的普及与应用，还有 高压输变电站( 线) 、自然现象中的雷电等无时无刻不在威胁着汽车的正 常运行。这些干扰可能是暂时的，影响很小的，比如车载音响系统受到干 扰。但是，有些干扰可能是致命的，比如汽车的安全气囊在行驶过程中突 然受到干扰触发，这可能造成很严重的事故。因此，如何解决汽车电子 设备的电磁兼容问题，提高汽车的可靠性和安全性，保证行驶的汽车不受 周围电磁环境的干扰而正常工作，成为一个非常重要和迫切需要解决的 研究课题。对于汽车中的所有电子电气部件满足相应的电磁兼容标准并 不等于整车也满足电磁兼容要求，存在相互匹配问题。因此对汽车进行 整车抗扰度试验应作为最终评价方式。 研究汽车整车抗扰度试验的意义在于： 1 ) 完善中国汽车电磁兼容认证标准，提高中国汽车安全性和可靠性， 增加中国汽车企业在国际上的竞争力。 2 ) 由于目前各国使用的标准不同，认证标准的相互承认，从国家的 角度建立相互信赖关系并签订协议势在必行。所以研究抗扰度试验的各 种国际标准，为今后认证的国际性统一作好技术储备。 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 3 ) 认证试验的研究，是有利于环境改善，有利于人们日常生活的安 全与健康。 1 2 整车电磁抗扰度试验的技术范畴 1 2 1 汽车电磁兼容研究 近年，日益繁多的电子产品广泛应用于汽车，并逐渐形成了汽车电 子技术。当今的汽车，应用电子技术的程度已成为提升汽车技术水平的 重要标志。汽车应用电子产品涉及到共性问题汽车电磁兼容技术。 汽车电磁兼容性( e m c ) 根据2 0 0 4 1 0 4 e e c 的定义为车辆或零部件或 独立技术单元在其电磁环境中能令人满意地工作，又不对该环境中任何 事物造成不应有的电磁骚扰的能力。即在汽车及其周围的空间中，在 定的时间内( 运行的时间) ，在可用的频谱资源条件下，汽车本身及其周 围的用电设备可以共存不致引起降级。 汽车电磁兼容技术关乎汽车特定电子系统及其周围电子系统运行的 安全可靠性，关乎电子控制功能的运行的安全可靠性。诸如电子控制汽 车制动系统、电子控制传动系统、电子控制转向系统。乃至影响汽车整 车的安全可靠性。因此对于现代汽车而言，汽车电磁兼容技术与汽车排 放技术、汽车安全技术同为汽车共性技术 5 。 1 2 2 汽车电磁电磁兼容试验技术的分类 电磁抗扰度( e m s ) 即是： 装置、设备或系统面i 临电磁骚扰时不降低 运行性能的能力。汽车电磁抗扰度试验是汽车电磁兼容试验技术的一个 分支，如图卜l 所示。 2 一 北京交通大学硕上学位论文第一章绪论 图卜l 电磁兼容试验技术分类 如图卜l 所示，汽车电磁兼容试验包括整车试验和零部件试验，整 车试验包括整车辐射发射试验、辐射抗扰试验和传导抗扰试验；零部件 试验包括辐射发射试验、传导发射试验、辐射抗扰试验和传导抗扰试验。 1 3 国内外发展概况 1 3 1 我国汽车e m c 试验的发展及现状 我国汽车e m c 发展始于2 0 世纪8 0 年代，近二十年的发展如下： 1 ) 1 9 9 4 1 9 9 6 年，中国汽车技术研究中心对全国各型号汽车进行 e m i 摸底普查，结果统计，合格率仅为2 4 ，且不合格车辆属严重超标( 执 行g b l 4 0 2 3 9 2 ) 2 ) 1 9 9 7 1 9 9 9 年，中国汽车技术研究中心对上目录的汽车实施e m i 测试，结果统计j 合格率近9 0 ，且不合格车辆属轻微超标 3 ) 1 9 9 9 年以后，对新型汽车国家规定e m i 特性为否决项 4 ) 1 9 9 8 年执行g b t 1 7 6 1 9 1 9 9 8 3 北京交通丈学硕士学位论文 第章绪论 5 ) 2 0 0 3 年3 月1 日执行g b l 8 6 5 5 2 0 0 2 ，针对汽车电器部件的车内 骚扰检测，仅对整车发动机、闪光继电器、暖风电机、雨刮器电机。 目前我国强制实施的汽车电磁兼容标准有3 个： 1 ) g b l 4 0 2 3 2 0 0 0 一车辆、机动船和由火花点火发动机驱动的装置 的无线电干扰性的测量方法及允许值 2 ) g b t 1 7 6 1 9 1 9 9 8 一机动车电子电器组件的电磁辐射抗扰性限 值和铡量方法 3 ) g b l 8 6 5 5 2 0 0 2 一用于保护车载接收机的无线电骚扰特性的限值 及测量方法 其中，国家标准g b l 4 0 2 3 2 0 0 0 的研究范畴涵盖整车的辐射发射；国 家标准g b t 1 7 6 1 9 一1 9 9 8 的研究范畴是车辆零部件的辐射抗扰以及传导 抗扰；国家标准g b l 8 6 5 5 2 0 0 2 的研究范畴为车辆零部件的电磁干扰( 包 括辐射发射和传导发射试验) 。对比图卜l 的试验分类，可以看出整车电 磁抗扰相关国家标准还是空白。本文就是针对整车电磁抗扰度试验的试 验原理、试验对设备的要求和试验方法的可重复性和进行了研究和探讨。 1 3 2 国外整车抗扰度试验现状 国外在整车抗扰度试验方面的研究始于2 0 世纪7 0 年代中期，欧洲 就已经制定出有关整车辐射抗扰度的标准，如今欧美的有关整车抗扰度 试验标准已经比较完善。 瑞士的夏弗纳( s c h a f f n e r ) 公司对抗扰度试验的不确定度的研究较 为深入：美国西南研究所( s w r i ) 抗扰度的混响室、开阔场地、电波暗室 及微带线的试验技术都已经比较成熟；再如日本的t d k 公司开发的车外 源抗扰试验低频范围的平行板系统也具有成熟技术。 一4 北京交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 论文的主要结构 本文各章节的主要内容如下： 第一章是绪论，主要介绍论文选题的背景、意义及技术定位； 第二章是整车抗扰度试验项目基本内容，主要比较了国外的不同标 准对整车抗扰度试验的要求的不同，然后根据国内的实际试验条件，确 定整车抗扰性试验的重点项目以及参照的国外标准的偏重点： 第三章是整车的辐射电磁场抗扰度试验技术，主要进行了o 0 1 3 0 删z 频率范围使用平行板天线的理论分析，以及3 0 m 1 0 0 0 m h z 频率范 围使用对数周期天线时场均匀性的理论、仿真和实际测试的研究； 第四章是整车的传导骚扰抗扰试验技术，主要研究了大电流注入法 的理论依据和测试方案的研究； 第五章是总结和展望，列出论文得出的结论以及存在的不足，对整 车抗扰试验的发展进行展望。 一5 一 ! ! 室塞兰查兰堡主兰垡堡 整三量堡墼堡旦盟苎查查查 第二章试验项目的基本内容 2 1 国外标准规定的试验项目 相关标准主要有国际标准化组织制定的1 s 0 1 1 4 5 1 、i s 0 1 0 6 0 5 ；欧 洲指令2 0 0 4 1 0 4 e e c ：以及美国汽车工程师协会制定的s a ej 5 5 1 系 列标准。笔者翻译了这些相关标准，并进行了对比。 目前国外标准制定的车辆的整车抗扰度试验有5 项，包括车外源辐 射电磁场的抗扰度试验、车载发射机产生干扰源的抗扰度试验、感应的 传导骚扰抗扰度试验、静电放电抗扰度试验、电力线的磁场的抗扰度试 验。各个试验项目针对的干扰源不同，一项试验不能反映车辆所有抗扰 度信息，这也是进行多项抗扰度试验的意义所在。其中车外源辐射电磁 场的抗扰度试验由于它适用频率范围宽、对试验设备要求高等原因，是 整车抗扰度试验中最复杂最难实现的一种试验方法。 整车抗扰度各个试验项目可参照的国际标准如表2 1 所示。不同的 国外标准制定的相同试验项目在试验方法及手段上略有不同，但i s o 国 际标准是欧洲和美国的参考标准，所以我国在标准制定和试验时应尽量 参照i s 0 国际标准，当然根据我国的试验条件以及车辆出口认证等具体 情况参照欧洲和美国标准进行修改和补充。 表2 1 整车抗扰度试验可参照的国外标准 试验项目可参照的国外标准 i s 0 1 1 4 5 l 一2 ， s a ej 5 5 l l l ， 车外源辐射电磁场的抗扰度试验 2 0 0 4 1 0 4 e e c 附件 车载发射机产生干扰源的抗扰度试验i s 0 1 1 4 5 卜3 ，s a ej 5 5 卜1 2 北京交通大学硕士学位论第二章试验项目的基本内容 试验项目 可参照的国外标准 感应电磁场的抗扰度试验i s 0 1 1 4 5 1 4 ，s a ej 5 5 l 1 3 静电放电抗扰度试验i s o l 0 6 0 5 。s a ej 5 5 卜1 5 电力线的磁场的抗扰度试验s a ej 5 5 卜1 7 2 2 车外源辐射电磁场抗扰度试验 车外辐射电磁场有来自其它车辆点火系统的辐射干扰、无线电雷 达、无线电台发射机、移动通讯设备等发射的电磁波干扰，以及高压输 电线的电晕放电等等。这些辐射电磁场会影响汽车的正常运行。该试验 即是试验车辆对这类干扰的辐射形式的抗扰度试验。 2 2 1 试验概述 车辆的辐射电磁场抗扰度试验和普通的电子设备的抗扰度试验不 同，因为车辆本身的体积较大，试验场地半电波暗室的要求为试验区域 的发射能量降至一l o d b 或更少 2 ；车辆的敏感设备位置固定，在车前 部，场均匀性的定义和车辆有关；车辆通常在室外移动状态，电磁环境 较为复杂，其频率选择和信号调制要求高，另外由于室外存在雷电、电 力网产生的高强度干扰，其试验等级限值( 场强) 要求很高，国外标准 i s 0 1 1 4 5 卜2 规定在2 5 l o o v m 范围内。 标准i s o l l 4 5 卜2 、2 0 0 4 1 0 4 e e c 和s a ej 5 5 卜1 1 中，规定了整车 对车外源的电磁辐射抗扰度试验方法，对比情况见表2 2 。另外欧洲指 令2 0 0 4 1 0 4 e e c 中详细规定了车辆试验状态和故障判定准则，在试验 时可以参照。 7 一 北京交通大学硕士学位论 第二章试验项目的基本内容 表2 2 整车的电磁辐射抗扰度试验 i s 0 1 1 4 5 1 22 0 0 4 1 0 4 _ e cs a ej 5 5 卜1 1 测试场地j 仁电波暗室、开阔半电波暗室、开阔半电波暗室、开阔 场场场 频率范围o 0 l 1 8 0 0 0 m 酷z2 0 2 0 0 伽i l z0 0 1 1 8 0 0 0 姗z 测试信号1 ，c w ( 0 0 1 m h z 1 ，a m ( 2 0 8 0 0 蛐z )c w ，a m1 k h z8 0 1 8 g h z )1 k h z8 0 2 ，a m ( 2 0 8 0 伽1 z )2 ，p m ( 8 0 0 1 k h z8 0 2 0 0 0 珊l z ) t 在5 7 7p s 3 ，p m ( 8 0 0 周期46 0 0 帖 2 0 0 0 蛐z ) t 在5 7 7p s 周期46 0 0 p s 场均匀性高于2 0 0 删z 的频率高于2 0 0 姗z 的频率 高于2 0 0 删z 的频率 点，参考点两边点，参考点两边点，在直径为1 5 m o 5 m 处。它们的场 0 5 m 处。它们的场范围内，8 0 测试频 强在测试频率点至强在测试频率点至 点的场强与中心点 少8 0 范围时相差 少8 0 范围时相差的场强相差在 在0 d b 一6 d b 。在o d b 一6 d b 。 3 d b 之内。 测试方法替代法 替代法替代法，闭环法 2 2 2 场地的选择 开阔场地当然是对实际车辆运行过程中遭受干扰的最佳模拟场地， 但是由于天线等场发生装置的功率有限、场均匀性无法保证等因素，实 现起来很困难，以及国家无线电业务保护规定等因素，所以选用等效开 阔场的半电波暗室对于设备的选用来说容易的多。 2 2 3 频率范围的选择 随着第三代移动通信、宽带通用无线接入、无线i n t e r n e t 移动i p 北京交通大学硕士学位论 第二章试验项目的基本内容 等技术的发展，频率的使用呈上升趋势。例如现在第三代公众移动通信 系统的频分双工( f d d ) 方式的分配的工作频率：1 9 2 0 _ 1 9 8 0m h z 2 1 1 0 2 1 7 0m h z 。如表2 2 所示，国外标准中欧洲指令2 0 0 4 1 0 4 e e c 虽然把频率从以前版本9 5 5 4 e c 的2 0 1 0 0 0 脚z 扩大到2 0 2 0 0 0 心z ， 但和其它两种国外标准相比仍然很窄。其高频2 g h z 已不能达到试验的 目的。 由于业余无线电通信、远距离导航通信和远距离短波通信的应用， 对车辆来说3 0 m i z 以下的骚扰信号也是考虑范围之内的。 2 2 4 信号调制 如今在超高频和特高频的数字微波通信和卫星通信的广泛应用，以 及汽车电子数字电路的发展，脉冲调制信号( p m ) 的使用应成为汽车抗扰 度试验的必要手段，所以s a e 标准只采用未调制( c w ) 信号和调幅( a m ) 信号已无法适应现在的电磁环境，p m 信号应作为试验信号之一。 2 2 5 场均匀性 为保证试验的可重复性，要求在2 0 0 删z 以上时，试验区域应满足 场均匀性。2 0 0 删z 以下时由于暗室中吸波材料最小吸收量 1 ，情况就不一样了。每一个n 值对应 到的一个t m 波，每一个波模均有不同的传播常数，也有不同的横截面电 磁场分布。 由上可知，只有在k k 。时，k ：才为实数：因为女= 何肛g 与频率成正 比，故t m 。波( n o ) 呈现截止的现象，也就是说如果截止频率不够高，该 波在波导中就无法传播，唯有在k k 。时才可以传播，t m n 波的截止频率 f 。为； 正2 赤4 赤 慨z ， 所以，最低阶的t m 波为t m 。波模，其截止频率为正一1 豺万， 其次为t 地，其截止频率为t m 。模的两倍，其他t m 模的截止频率可依此类 推，对某特定的波模而言，若频率低于其截止频率，这种波模称为截止 模或衰减模，t m 波的传播类似高通滤波器的响应。 t m 波的波阻抗为频率的函数： z 。= 鲁一警；竽 慨z z ， t m 波在平行板横截面上的平均功率可以由坡印廷矢量算得： 北京交通大学硕士学位论文 第三章整车的辐射抗扰试验技术 昂一丢r e 正。点h 飞触 掣邮棚 觋j 一” ( 3 2 3 ) 由上式可知，当k 。为实数，p d 为不为零的正数，此时f f 。；若波模 低于截止频率，k 。为纯虚数，则p 0 - o 。 传播中的t m 模，可用两个在上下导电板之问不停反射弹跳的平面波 加以解释。以t m 。为例，传播常数为： t ：，= 以2 一仁d ) 2 ( 3 2 4 ) e z 的表达式可以改写为： 咖鲁眇引卅州m ( 3z 5 ) 从此式可以看出，e ：是两个斜向前行进的平面波，如图3 3 所示，行 进方向和在z 轴的夹角为： 七s i n 口l 玎d 七c o s 一= 七：1 当f t 时，k z 为小于k 的实数，所以。可以是介于o 度到9 0 度的 某一角度，并且此波模可想成是在上下导电板间反复弹跳的两个平面波。 两平面波沿其传播方向( o 方向) 的相位速度为吼t 鬲，就是介 质中的光速。但是该平面波在z 方向的相位速度为酬i ；一万c o s 口， 比介质中的光速还要快。两斜向前进的平面波恰好在y = 0 ，d 处彼此完全 相消，以满足边界条件。 北京交通大学硕上学位论文 第三章整车的辐射抗扰试验技术 ) 姒 图3 3 平行板闯的电磁波传播 当f 降低至t ，k ：，变为零，o 为9 0 度，此两平面波只会垂直上下 振荡，没有任何的实功率往z 方向传播出去。 忽略介质损耗的衰减：而导体损耗的衰减可用微扰法推导： 吒4 蕾 o 2 6 ) 其中p o 为无导体损耗时通过波导的实功率流，p 为两导体每单位长 度的损耗功率： 即降灿陋一半2 z ， 其中r 。是导体的表面电阻，则导体损耗的衰减常数为： 咿等一器坳，m z s ， q 。i 尹。赢坳m ( 3 2 8 ) 日为t e m 波即是t 波，将n = o 代入上式，得到t e m 波的衰减常数： 盘。冬p m( 3 2 9 ) 北京交通大学硕士学位论文 第三章整车的辐射抗扰试验技术 3 2 2 3t e 波( 横电波，h 波) t e 波的定义是e ；= o ，分析方法和t m 波类似，经计算，t e 波没有t e o 模。计算出t e 波的截止频率、波阻抗、平均功率和衰减常数，如下： ，c 赤 慨3 0 ) z m 鲁t 詈- 芒 协s - ， 昂。警阱r e 忙：l 删 ( 3 3 2 ) 。丝墨；竺盈( 3 3 3 )口1 ：_ = = ot j 3 3 j 卿戚，d坎，一 从上述的分析中，可以知道在t l s 传输线系统中，除了主要的传输 模态( t e m 模态) 外，也会同时存在高阶模态( t e 与t m 模态) ，可以经由数 值模拟分析或利用三轴电场探棒于实作场强量测校正过程中得到高阶模 态的分布状况，并于设计与制作阶段中，依据所获得的数据提供t l s 系 统完整的性能校验资料。 3 2 2 4 波模的传播 i s o1 1 4 5 卜2 中对t l s 的位置大小有个简单的规定： 1 ) 除了接地面，t l s 的任何部分距离车辆的任何部分不得小于o 5 m 。 2 ) t l s 的发射组件和参考点的垂直距离至少1 m 。 3 ) t l s 的长度是从车辆中心至少向两侧延伸车长的7 5 。 4 ) 场发生装置距离吸波材料不得小于o 5 m ，距离屏蔽室的墙壁不得 小于1 5 m 。 举例来说，现代伊兰特轿车的外形尺寸( m m ) ：长4 4 9 5 宽1 7 2 0 高 北京交通大学硕士学位论文 第三章整车的辐射抗扰试验技术 1 4 2 5 ，这样根据标准中t l s 的位置规定估计出来t l s 的上导体面或导电 线束的长x 宽高至少为6 7 4 3 x 2 5 8 0 2 0 0 0 m 。由于电波暗室的尺寸限 制，例如中国汽车技术研究中心的半电波暗室尺寸( m ) ：长1 0 宽8 高 6 ，则根据标准中规定，t l s 上导体面或导电线束的长宽高最大为 7 0 0 0 5 0 0 0 x 4 5 0 0 m 如图3 2 所示的模型中即是d = 2 4 5 m ，w = 2 5 5 m 。而平行板 中间的介质认为是自由空间，其介电常数和磁导率为e 。和i i 。这样计 算出t e 波和t m 波的截止频率： t m 波：由公式( 3 2 1 ) 得t m 的截止频率f c 为3 3 删z 7 5 删z ，其它高 阶模的介质频率是f c 的整数倍。 t e 波：由公式( 3 3 0 ) 得te 】的截止频率f c 为3 3 蛐z 7 5 删z ，其它高 阶模的介质频率是t 的整数倍。 在利用t l s 系统试验的工作频率范围低于3 0 删z ，所以可以近似认 为该系统中电磁波的通过模态为t e m 波，而不考虑t e 模态和t m 模态。 这样可以利用t e m 波的传输线理论近似分析t l s 系统的电场分布及估算 激励源所需的功率。 3 2 3t l s 系统的电场分布 传统上传输线通常以两条等长且平行的导线表示，原因是t e m 波的 传输线一定至少有两个导体。而在产生传输线的效应之下，导线必须考 虑到其内部所发生的电阻、电导、电抗和电纳所带来的相对应关系。而 在此传输线系统是以金属板或金属线束为一层导体，另一层为以电波暗 室的金属接地平面为第二层导体，并且是当作固定的接地平面，并以空 气系数为导体中的介质参数。而在此系统之中最主要的是要获得此系统 所激发出的电场和磁场，所以假设线损为o ，利用简易的传输线理论推 2 6 北京交通大学硕士学位论文 第三章整车的辐射抗扰试验技术 导出电磁场传播方程，以获得利用基本传输线理论是否足以激发出电场 效应。而在传输线效应下所激发出来的t e m 模态的电磁场分布，电场跟 两平行金属导体的距离以及量测点所呈现的电压分布有关，下面公式即 表示出其相对应关系： e o ) 。掣 ( 33 4 ) 仃 其中，h 为上层导线面距离接地平面的高度。为计算出v ( d ) 的关系 表示式，利用图3 4 所示的t l s 等效电路图进行分析 l一 a 一j 图3 4 传输线等效电路图 y ( 0 ) 。k 毫= - 慨s s ) 二+ z 。 利用反射系数，可以求得， 北京交通大学硕士学位论文 第三章整车的辐射抗扰试验技术 z 。；z 。揣 c 。s s ， 其中，l 为线长，z 0 为传输线的特性阻抗，z l 为传输线的负载阻抗， $ 为相位常数。 此时v ( d ) 是初始电压v ( o ) 的入射波和反射波在d 处所组成的电压： 矿0 ) = ，+ ( o k 一g 拍4 + i _ 一情。) ( 3 3 7 ) 其中r 为此时的传输线系统在d = o 的反射系数： r 。垒二墨!( 3 ，3 8 ) z + z o y + ( 0 ) = 器 ( 3 3 9 ) 利用式( 3 3 4 ) ( 3 3 5 ) ( 3 3 7 ) ( 3 3 9 ) 可整合得传输线状态所呈现 的电场形式： e 仁) 一k z m k 蒯+ n 。删) h i zs + z m 翼斛+ r e 稍1 ( 3 4 0 ) 由公式( 3 4 0 ) 可以看出平行板之间电场大小的影响因素： 1 ) 平行板的形状：长度1 和高度h 2 ) 反射系数r ，由公式( 3 8 1 得知，平行板的特性阻抗z 0 主要由平 行板的形状决定；结合公式( 3 3 8 ) 可以看出，当介质一定，负载z 。不变 时，反射系数r 仍然取决于平行板的形状，主要是高度和宽度。 3 ) 同样由公式( 3 8 ) 和( 3 3 6 ) 可以看出，当频率一定时，z 。的大小也 取决于平行板的形状，同样是高度和宽度。 由以上分析可以看出，平行板的尺寸是一个重要的参数，是决定t l s 电场值大小的重要因素。 北京交通大学硕士学位论文第三章整车的辐射抗扰试验技术 3 2 4t l s 功率估算 由公式( 3 4 0 ) 可以计算出t l s 系统的电场和源功率p s 的关系式： 只= ( 3 ，4 1 ) 现代伊兰特轿车的外形尺寸( 仰n ) ：长4 4 9 5 宽1 7 2 0 高1 4 2 5 ，这 样根据标准中t l s 的位置规定估计出来t l s 的上导体面或导电线束的长 宽商至少为6 7 4 3 x 2 5 8 0 2 0 0 0 唧。测试位簧取中心点，计算场强达 到最小严酷电平2 5 v m 时，所需功率和频率的关系。 频率步长按照i s 0 1 1 4 5 1 标准的要求的最大步长，o 0 1 o 1 姗z 取 o 0 1 m h z ；o 1 1 涮z 取o 1 跏z ；1 1 0 m h z 取1m i z ；1 0 3 0 删z 取5 舢z ； 这样根据公式( 3 4 1 ) 估算所用功率的大小： t l s 系统功率估算图 6 0 0 5 0 0 d 0 0 瓣3 0 0 蠡 2 0 0 1 0 0 0 05 1 01 52 02 5 频率( ) 棚z ) 图3 5t l s 系统得功率估算图 制一 ! f 虹扩”r，一+ 鱼删 + 一，p亟疋 妒i 0 一 酽一 北京交通大学硕士学位论文 第三章整车的辐射抗扰试验技术 如图3 5 的实线可以看出，由于反射的影响，所建立模型的功率的 值很不稳定，最大功率输出需要5 4 0 w 才能使测试位置的电场值达到最小 严酷电平2 5 v m 。但是如果z 。和z 。及z 。匹配时，如图中的虚线所示，功 率稳定在2 0 0 w ，所以在t l s 的设计中应从材质、组成及形状来做到电阻 的匹配，由于时间和设备的原因，本文不作进一步的讨论。 3 2 5t l s 系统的结构对场分布的影响 从i s 0 1 1 4 5 1 标准中t l s 的结构中可以看出，t l s 的结构比平行板波 导多了两侧导线束或导电板，它们的作用是防止场的泄漏，保证平行板 内场的均匀性，大业大学的林汉年教授做过相关的仿真，其结果见图3 6 所示。 ( a ) 不加侧板 ( b ) 加侧板 图3 - 6 平行板加上侧板后电场分布变化 如图3 6 ，( a ) 是平行板不加侧板时的仿真结果，( b ) 是加了侧板的 仿真结果，可以清楚看出，在加了侧板的新式机构中，在非测试区域( 图 中平行板上方深色部分) 的辐射量明显少了许多，且在钡4 试区域的场强也 较为均匀。 北京交通大学硕士学位论文第三章整车的辐射抗扰试验技术 实际上t l s 也是一个低频辐射天线的结构，因此有泄漏的电磁波辐 射到电波暗室的墙壁上，虽然电波暗室的墙壁上铺设有吸波材料，但是 暗室中的吸波材料只对高于3 0 m h z 的电磁波有吸收作用，而对t l s 的频 段的电磁波吸收作用很小，所以t l s 如同置入一个金属共振腔中一样。 实际试验时应注意这个问题 1 5 。 3 3 3 0 m h z 1 0 0 0 删z 频率范围内的试验 试验的设备布置图3 7 所示。 试验在测试待测设备( e u t ) 之前，首先应该确定试验场地是否达到 了场均匀性要求，以保证试验的可重复性。 场均匀性的要求标准中有明确定义，如i s 0 1 1 4 5 卜2 中规定：2 0 0 m h z 以上时，有两点的场强应该一致，即参考点两边o 5 m 处。它们的场强在 试验频率点至少8 0 范围时相差在o d b 一6 d b 。若现有的设备无法满足 这个特性，则应记录在试验报告中。用户应保持好的试验可重复性 2 。 根据i s 0 的频率步长要求：2 0 0 m h z 4 0 0 删z 的频率范围内，最大频率步 长是l o 姗z ；4 0 0 姗z l o o o m h z 的频率范围内，最大频率步长是2 0 m h z 。 这样当使用最大频率步长时，在2 0 0 删z 1 0 0 0 姗z 的频率范围内的频点 数为5 1 个，要达到场均匀性，满足要求的频点应至少是5 l 8 0 = 4 1 个 频点。 s a ej 5 5 卜l l 中规定：高于2 0 0 m h z 的频率点，在参考点为中心直径 为1 5 m 范围内，8 0 测试频点的场强与中心点的场强相差在3 d b 之内 3 。显然s a ej 5 5 l 的场均匀性要求比i s o l l 4 5 1 严格。根据s a e 的频率 步长要求：2 0 0 姗z l o o o m h z 的频率范围内，最大频率步长是2 0 m h z 。这 样当使用最大频率步长时，在2 0 0 m h z 1 0 0 0 m h z 的频率范围内的频点数 为4 1 个，要达到场均匀性，满足要求的频点应至少是4 1 宰8 0 = 3 3 个频 3 1 北京交通人学硕士学位论文 第三章整车的辐射抗扰试验技术 点。 a ) 垂直极化 b ) 水平极化 l 屏蔽室 2 r f 吸波材料 3 转盘a 上的车辆测功机 4 天线 5 放大器室 6 控制室 a 转盘可旋转1 8 0 。，有两对可变化轴距的滚轮，以适应各种形状和功能的车 辆。 图3 7 辐射场抗扰度试验设备图 场均匀性要求的参考点是试验中固定的点。参考点的定义在标准中 有明确定义，例如在i s o l l 4 5 1 中对于e u t 为轿车时，参考点规定如下： 3 2 由于车辆的几何形状，车辆参考点位于前车轴后o 2 m 0 2 m 处( 如 图3 8 ) ，或挡风窗和机盖的交叉点向车内1 o 2 m 处( 主要是大型客货 车) 。距离天线近的取为参考点。 1 车辆参考点 2前车轴 2 图3 8 参考点的定义 下面本文通过天线远场电场分布的理论分析，从理论上估计试验的 功率参数选择，以及场均匀性满足的条件。并且通过仿真试验和实测的 方法验证试验满足场均匀性要求的必要条件。 3 3 1 辐射天线远场电场分布理论分析 辐射骚扰抗扰度试验中国外国内标准要求的严酷电平都是电场值， 试验中发射源也都采用了天线，所以计算天线远场的电场分布是辐射骚 扰抗扰度试验的初步理论分析必不可少的，本文提供的电场计算方法着 眼于汽车整车抗扰度试验的功率放大器的功率估算以及场均匀性的预测 两方面。本文将从考虑地面反射和不考虑地面反射( 天线和被测点之间 铺设了吸波材料) 两种情况进行理论计算。 北京交通大学硕士学位论文 第三章整车的辐射抗扰试验技术 工程上远场的判定准则为d = 1 0 九2 ， 使电磁波的波长，当 电磁波为2 0 0 删z 时，可计算出距离天线d 2 4 m 时才是远场，研究 2 0 0 m h z 以上的电磁辐射，距离天线3 m 以上的情况，这样就可以将天线 辐射近似为均匀平面波。 3 3 1 1 不考虑地面反射时的电场计算 如图3 9 建立坐标系： 图3 9 不考虑地面时的天线辐射 其中，y 轴方向垂直