无源零部件电磁兼容辐射屏蔽效能测试评估

无源零部件电磁兼容辐射屏蔽效能测试评估

0无源零部件电磁性能测试评估随着新能源汽车的广泛应用、干扰和辐射等影响车辆驾驶安全的问题，越来越受到重视。继整车和有源零部件的电磁兼容(EMC)安全性标准相继颁布实施后，无源零部件的电磁兼容安全性将成为下一个研究热点。无源零部件中的组件及连接器，作为输送电能与信号的桥梁和纽带，其屏蔽效能的好坏将直接影响到整车的EMC性能。在通信线缆的电磁性能测试评估中有较为成熟的方法，包括三同轴法、线注入法、吸收钳法等。这些方法被广泛应用到具有一定电长度的测试样品中，而且这些被测样品一般具有较为规则的形状，如具有一定长度的圆形屏蔽电缆。但是连接器或组件往往具有物理尺寸较小、形状各异、多元件组合(如接插件+线路板)等特点，这给传统的电磁兼容测试设备的应用带来挑战。本文将基于传统测试方法，讨论如何进行异型连接器或组件屏蔽效能的测试评估。1转移过滤和虾壳干重式电缆干部表征屏蔽效能的参数包括短电长度下的转移阻抗、转移导纳，长电长度条件下的屏蔽衰减，对称器件的耦合衰减等。本文仅就常用的转移阻抗和屏蔽衰减进行讨论。(1)对于电长度短的电缆，转移阻抗Z式中:U为被测屏蔽层和测量装置构成的在匹配的外回路内产生的纵向电压(mV);I为馈入到内回路的电流(A);L为电缆长度(m)。转移阻抗通常表征频率1～100MHz的屏蔽效能，转移阻抗越低，屏蔽性能越好。(2)对于电长度长的电缆，屏蔽衰减a式中:P屏蔽衰减通常表征频率30MHz以上的屏蔽效能，数值越大，屏蔽性能越好。2用于屏蔽效应的测试2.1同轴法测试原理三同轴法，其原理是通过向电缆屏蔽层施加确定的电流和电压，测量感应电压以测定表面转移阻抗，得到电缆的屏蔽效能。一般用来测量电缆及长电缆组件的表面转移阻抗、屏蔽衰减和对称电缆的耦合衰减等。图1为三同轴法测试原理图。对于物理尺寸小的连接器和组件，根据理论，在测试屏蔽衰减时，其下截止频率将会很高。为了获得较低频段的测试数据，我们使用三同轴法扩展的管中管法。管中管法是通过采用一种射频密闭的金属延长管(管中管)来延长被试组合件的电长度，使被试组合件的电长度变长，截止频率则向更低频率范围推移三同轴法及扩展的管中管法测试结果稳定，测试精度高，但受限于管体尺寸，不能测试尺寸较大的产品。值得注意的是，由于三同轴测试法测试过程中，外系统处于短路状态(测试管的外管壁和被测试器件的外屏蔽处于短路状态)，此时转移导纳被忽略。2.2电缆—线注入法测试线注入法是一种基于路的测试方法，其适用的频率范围可以达到1GHz甚至更高，IEC62153-4-6中描述了如何用线注入法进行屏蔽电缆转移阻抗测试。线注入法的测试原理如图3所示:外部电路是线注入电路，由屏蔽层表面和注入线组成;内部电路由被测件内部导体和屏蔽层组成，是用于测量感应电压的电路。线注入法低频段测试结果稳定，能测试大尺寸的产品，但测试较为复杂。测试结果包含了转移导纳。3选择和比较波形设备和组件的测试方法我们以常见的FAKRA连接器和新能源汽车高压连接器为例，讨论如何使用三同轴及线注入法进行测试。3.1fakra连接器的测试附件FAKRA是一种车用的音视频射频连接器，全称FachkreisAutomobileConnector，图4为一种插头式直角型FAKRA连接器。如图4所示，FAKRA连接器外形尺寸小(外径一般不超过30mm)，使用频率高(100MHz～3GHz)。为了在较低频段下获得较长的电常数，采用三同轴管中管法测试屏蔽衰减和低频段的转移阻抗。在处理样品时，由于FAKRA连接器的末端有线路板。为了得到连接器自身的电磁性能，保证测试结果不受线路板的影响，应设计合适的测试附件。图5为加工的插座。图6为连接示意图。测试结果如图7所示。在测试过程中，根据测试样品的特点设计必要的测试附件是非常重要的。图8为同一个样品在外方实验室的测试数据。本方实验室在100MHz～3GHz频率测得的屏蔽衰减最差值为65dB，外方实验室在100MHz～3GHz频率测得的屏蔽衰减最差值为24dB，同一根FAKRA组件测得的结果相差了41dB。造成差异的原因有三点:(1)外方实验室直接将FAKRA连接器焊接在测试系统上，在连接处也未做任何屏蔽措施，使得信号在连接处泄露。图9为外方实验室样品制备图。图10为外方实验室连接器焊接示意图。(2)外方实验室未对FAKRA组件进行阻抗匹配，测试系统的特性阻抗为50Ω。在接入系统时，如果没有把被试样品的特性阻抗匹配到50Ω，信号会产生反射波，从而影响测试值。(3)我方实验室为FAKRA连接器测试所设计加工的插座，既防止了连接处信号泄露，又匹配了50Ω特性阻抗。这使测试数据真实反映了连接器自身的屏蔽性能。3.2线注入法测试高压连接器作为新能源汽车的重要器件，主要由接触体、绝缘体、壳体及附件等几部分组成(见图11)。由于新能源汽车的工作电压从传统汽车的12V提升到400V，因此对连接器的质量和精度提出了更高的要求。新能源汽车高压连接器外形尺寸大(外径一般超过80mm)，应用场景的频率趋于低频段(10kHz～500MHz)，因此选用不受被试样品体积限制的线注入法来测试转移阻抗较为适宜。图12为线注入法测试图。新能源汽车高压连接器在使用线注入法测试时需要注意以下两个方面:(1)阻抗匹配。与三同轴管中管法测试一样，使用线注入法测试时，新能源汽车高压连接器接入测试系统时需将阻抗匹配到50Ω。图13为阻抗匹配与失配的测试比较图。在频率段10kHz～500MHz，阻抗匹配的测试数据明显优于阻抗失配的测试数据。(2)方向性。由于线注入法测得的是注入线与被试样品耦合部分的数据，因此需要每隔120°测试3个方向，才能表征被试样品的屏蔽效能。图14为屏蔽层有破损时与完好时的数据对比。屏蔽有破损时的转移阻抗要远远大于屏蔽完好时，且随着频率上升，差值会进一步增大。3.3同轴法与线注入法的对比虽然三同轴法与线注入法都能测得表征屏蔽效能的参数，但两种测试方法测得的数据是并非完全一致的。本次试验选取3根不同规格的编织屏蔽电缆分别进行三同轴法与线注入法的转移阻抗测试，测试数据如图15所示。通过分析发现，频率在10MHz以下时，三同轴法与线注入法的测试数据是基本一致的。频率在10MHz以上时，线注入法的转移阻抗要大于三同轴法，并且随着频率升高，差值越来越大。线注入法的公式如下:式中:Z从式(4)和式(5)可以看出，线注入法测试的结果是包含容性耦合导纳Y4屏蔽效能测试(1)三同轴法及扩展的管中管法测试结果稳定，测试精度高，但受限于管体尺寸，不能测试尺寸较大的产品。(2)线注入法低频段测试结果稳定，能测试大尺寸的产品，但测试较为复杂。(3)FAKRA连接器外形尺寸小，使用频率高，适宜用三同轴管中管法测试屏蔽衰减来表征屏蔽效能。测试时应