解析ISO 11452-4:2011（E）中的 TWC 测试方法

现代社会中，机动车除了作为代步工具外，还集成了越来越多的电子零部件，为驾乘人员带来更舒适便捷的行车体验。但机动车电子零部件的可靠性，特别是如何保证整车所集成的各种功能能够在恶劣的电磁干扰中维持正常工作，达到电磁兼容成为一个问题。机动车零部件的电磁兼容试验的重要性就凸显出来了。

在对机动车零部件进行EMC抗干扰测试时，BCI（大电流注入）抗干扰测试作为一个比较经典的测试方法，一直被各大汽车企业作为规范广泛采用。其优点在于良好的测试重复性，较严酷的测试强度和无需破坏线束结构的便利。

 

但作为BCI测试的注入设备，电流注入钳存在缺陷。由于其电器结构呈感性，在高频时呈现高阻抗，使注入效率大大降低，无法进行较高频率的测试。目前的国际标准中，BCI方法的使用频率一般不超过400 MHz，而企业标准中，也仅有几家日系厂商的规范，如本田标准使用到400 MHz以上，但也因为各种原因效果不尽理想。

 

在2011版的ISO 11452-4（E）中，提出了一个新的测试设备 — Tubular Wave Coupler(TWC)，即管状波耦合器。由于TWC呈电容特性，使其在高频部分拥有良好的响应，TWC注入法是模拟较高频率射频信号耦合到试验样品的线束上，可以视为BCI注入的高频扩展。而这一新的测试方法成功地将测试频率的上限扩展到3GHz。

本文将详细分析TWC的结构、校验和使用，并比较该设备与BCI注入设备的耦合效率。

1、TWC的结构

管状波耦合器是一个有两个输入端子的同轴结构系统，中间是管状的耦合装置。它由内外两个同一轴心的管状电极组成，可以将电磁干扰像电流环一样耦合到被测样品的线束，保留了无需破坏样品线束结构的优点。内外电极之间用硬绝缘材料填充，两个输入端子一个连接功放作为信号输入，另一个则接50 Ω终端阻抗。同轴输入端子的内芯和内电极连接，外电极与屏蔽层连接，中间的旋钮用于将耦合器锁紧。

仪器生产厂家会根据内外电极的直径和长度，将其分为不同型号，用来配合各种不同尺寸的线束。TWC的结构图如图1所示。

图1　TWC的结构

2、TWC的工作原理

当对样品进行测试时，管状耦合器闭合，被测线束穿过TWC的内导体，干扰信号注入同轴输入端子，把产生的横电磁波通过管状的内电极与线束之间的分布电容，耦合到线束上。可见，相对于电流注入环的电感型耦合，TWC采取了高频响应更好的电容型耦合，其等效电路如图2所示。

 

图2　TWC的等效电路

3、TWC的校验和测试

3.1　TWC耦合系数的校验

      TWC耦合系数的校验和BCI电流注入环的校验方法相似（见图3），区别在于其使用的阻抗类型为150 Ω，而非校验电流环时使用50 Ω。目前各个仪器生产厂商都会在校验夹具的两个端子上配备50/150 Ω阻抗适配器，使测试人员能够在50 Ω的信号发生器和终端阻抗对TWC进行校验。

图3　TWC耦合系数的校验示意图

      校验时，终端阻抗和功率探头应能在所使用的频率范围内有足够高的额定功率，如有必要的话，可在功率探头前加衰减器以保护探头。首先，无论是BCI法还是TWC法的试验，都是用替代法实现的，也就是说用前向功率作为参量进行校验和测试。ISO11452-4:2011（E）中，TWC的测试等级是以功率dBm为单位，实际测试的目标值为注入到夹具中的功率值，该功率值与TWC和夹具的关系如下：如果把夹具的耦合系数记为F，校验得到数据的绝对值记为|S21|，那TWC的实际插入损耗IL则为：

IL|dB = | S21| - F|dB

在对DUT进行试验时，所需要的实际前向功率Pforward为：

Pforward|dBm = Ptest|dBm + IL|dB

其中Ptest|dBm为目标测试等级。

3.2　TWC的测试

被测样品应使用1 700 mm(0 ~ 300)长的线束。并和样品一起布置在50 mm高的非导电介质上。参考测试计划和样品的实际安装环境需考虑外壳和辅助设备是否接地。对于多捆线束或多个接口的样件，没有放入TWC的线束应和被测线束保持至少100 mm的距离。区别于BCI的三个测试位置，TWC只需放置在距离被测件（100±10） mm的位置，并与接地平面保持隔离。射频输入端连接到接近被测样品的那个端子，另一端连接50 Ω终端负载，终端负载要与受试线束至少有200 mm的距离，并且也与接地平面隔离。试验布置可以参考ISO 11452-4:2011（E），如图4所示。

图4　TWC试验布置

      测试布置完成后根据ISO 11452-4：2011（E）的要求，选择需要的目标等级功率，将之前校验得到的TWC耦合系数补偿在测试软件中，就可以进行正常的替代法测试。

4、TWC与BCI干扰效果的比较

为直观表述BCI和TWC法各自的频率响应，以及在对同时覆盖的频率进行测试时，使用何种耦合方法的选择性提供帮助，可以在同一个夹具上，分别用BCI注入环和TWC做对比。

在100 MHz~2 GHz的频率范围内调整功放的输出功率为5 W恒定值，然后在夹具上测量实际的有效耦合功率，然后比较两种方法的耦合效果。比对结果如图5所示。

图5　TWC与BCI的对比

可以看到在低频范围内，BCI注入环的实际干扰效果要优于TWC。但在400 MHz以上，尤其是900 MHz以上的时候，TWC的功率耦合效率相对稳定，并且要明显优于BCI。

当然，实际使用时，由于不同型号的注入设备之间的差异，以及被测样品的传输阻抗等因素，其注入效果可能是非线性的。但总体而言，对于TWC在较高频率的良好响应，使测试人员在EMC试验的选择性上将会有较大的拓展。

 

5、结语

由于在高频时，波长很短，注入的干扰能量很容易通过被测线束和受试设备对外界形成射频回路，从而影响实际的干扰效果，所以该方法能否替代自由场仍有待研究。但TWC优秀的高频耦合效率，让1 GHz以上的机动车零部件EMC测试不再仅仅只依靠电波暗室法来实现。

最早在DaimlerChrysler的企业标准DC-11225以及大众汽车的TL82166中提出TWC测试方法，但因为该方法并没有被国际标准所涵盖，几乎没有被各个实验室所使用。如今ISO 11452 - 4：2011（E）已将其纳入，很有可能在不久之后，TWC将和BCI一样成为机动车零部件EMC测试的主流试验方法之一。