頻譜儀助力汽車電子順利測試電磁兼容

 現(xiàn)代電子產(chǎn)品的發(fā)展越來越快，產(chǎn)品所面對的使用環(huán)境也越來越復(fù)雜，當(dāng)前各汽車廠家都在圍繞電子化、自動化、智能化發(fā)展等，電子控制系統(tǒng)在汽車上有越來越多的使用，汽車系統(tǒng)內(nèi)電子產(chǎn)品的電磁兼容問題越來越凸顯其重要性，為了規(guī)范電子產(chǎn)品的電磁兼容性，大部分的國家都制定了電磁兼容標準,特別是軍-用產(chǎn)品尤其嚴格。電磁兼容標準是使產(chǎn)品在實際電磁環(huán)境中能夠正常工作的基本要求。所以為了滿足各種電磁兼容標準的要求，在產(chǎn)品研發(fā)的過程中，就必須在每一個環(huán)節(jié)都要做好電磁控制和檢測，那么頻譜分析儀就成為了實驗室中常用的一種設(shè)備。汽車安全是當(dāng)今社會所面臨的關(guān)鍵問題之一。

    接下來，本文就以一款產(chǎn)品中出現(xiàn)的問題，通過頻譜分析儀測試之后查找到問題的根源，并在去EMC認證實驗室做認證之前解決問題，使產(chǎn)品能順利通過認證。

1. 故障描述

該系統(tǒng)為汽車通信端產(chǎn)品，要求通過GJB151A地面設(shè)備電磁兼容試驗要求。產(chǎn)品在EMC實驗室測試時，CE102、CS101、CS114、RS103均順利通過試驗，但RE102測試結(jié)果如圖1所示：

圖1  30MHz～200MHz原始輻射發(fā)射

    從圖1可以看出，輻射發(fā)射只能滿足固定產(chǎn)品要求，不能滿足地面電磁輻射要求，其中在50MHz-120MHz之間，輻射發(fā)射大超標20dB，需要進行EMC整改。

2. 原因分析

   查看產(chǎn)品，整個系統(tǒng)為金屬屏蔽機箱，另系統(tǒng)有1根屏蔽航插電源線，通常情況下，金屬機箱和屏蔽線纜都有很好的屏蔽效能，如果設(shè)計得當(dāng)，都能順利通過RE102輻射發(fā)射試驗，因此，懷疑金屬機箱和屏蔽線纜存在電磁泄露導(dǎo)致測試失敗。

    所以利用實驗室的頻譜儀診斷系統(tǒng)并查找輻射源，測試系統(tǒng)示意圖如圖2所示：

圖2  電磁干擾診斷系統(tǒng)示意圖

    整個系統(tǒng)測試包含有屏蔽機箱和線纜系成如下：

   （1）是德(安捷倫)科技頻譜分析儀型號：MXA N9020A ；帶寬范圍 20Hz～13.6GHz；

圖3 頻譜分析儀

   （2）Langer放大器：放大電磁干擾信號；

   （3）Langer近場磁場探頭：測量接受電磁干擾信號，探頭類型較多，如下圖4所示，一般在選擇探頭時根據(jù)測量的要求進行選擇，需要在大范圍內(nèi)尋找時,使用較大的環(huán)形探頭或者是比較大的扁型的探頭；需要精準測量時，選擇針式的探頭,這種探頭可以對每一個器件或者引腳進行測量。

圖4 測試探頭

    將頻譜分析儀頻段設(shè)置為10MHz-1000MHz，使用近場探頭分別測試機箱的縫隙、通風(fēng)口、屏蔽線纜連接器及線纜，發(fā)現(xiàn)30MHz-200MHz均有很大的電磁干擾，如下圖5所示，因此可以判定電磁干擾超標與機箱及線纜都有關(guān)。

圖5 較高的輻射

    拆解機箱，如圖6所示意，發(fā)現(xiàn)本機箱為扳金件，機箱各個縫隙處無任何屏蔽處理措施，且機箱接縫處有漆，導(dǎo)致機箱縫隙導(dǎo)電不連續(xù)，屏蔽效能下降，從而產(chǎn)生很強的電磁干擾。

   查看電源線屏蔽層的端接，發(fā)現(xiàn)屏蔽層是通過一根細導(dǎo)線與金屬連接器的外殼連接，即豬尾巴，如圖7所示：

      圖6 非屏蔽機箱圖

圖7 豬尾巴屏蔽電纜

     屏蔽電纜減小電纜輻射的原因主要有兩個：一是屏蔽層可以屏蔽電纜中差模信號回路的差模輻射；另一個是屏蔽層可以為共模電流提供一個返回路徑，從而減小了共模電流的回路面積，從這個意義上說，返回路徑的阻抗越小越好，這樣可以將大部分共模電流旁路回共模噪聲源，具體原理如圖8所示：

圖8  屏蔽電纜降低輻射干擾原理

    共模電流返回路徑的阻抗由屏蔽層自身阻抗和屏蔽層與金屬機箱之間的搭接阻抗兩部分組成?！柏i尾巴”的端接方式相當(dāng)于在屏蔽層上串聯(lián)了一個數(shù)十nH的電感，其一會增大屏蔽層共模電流返回路徑的阻抗，導(dǎo)致部分共模電流從大地返回，增大了共模電流的環(huán)路面積；其二共模電流會在屏蔽層產(chǎn)生共模電壓，該電壓會在屏蔽層與大地形成的環(huán)路（分布電容或地線形成）中產(chǎn)生新的共模電流，導(dǎo)致更大的共模輻射，具體原理如圖9所示：

圖9 “豬尾巴”端接方式電磁干擾原理

3. 改進措施

   考慮到本機箱屏蔽設(shè)計非常之差，且電磁干擾超標幅度較大，如果在原有機箱改動，既達不到屏蔽效能的要求也不利于產(chǎn)品量產(chǎn)，因此，重新設(shè)計屏蔽機箱，除了保證機箱縫隙良好搭接之外，對通風(fēng)口也增加了通風(fēng)波導(dǎo)，設(shè)計的屏蔽機箱如圖10所示。

    對于屏蔽線纜，要滿足屏蔽要求，需要將線纜屏蔽層360度端接，以形成良好的導(dǎo)電搭接，在航空插頭的夾扣處，去除線纜絕緣套，露出屏蔽層，然后直接將屏蔽層用連接器末端的夾子卡住，將螺絲擰緊固定，形成360度端接，如圖11所示。

圖10 重新設(shè)計的屏蔽機箱

  圖11  互連電纜屏蔽層端接

    經(jīng)過以上整改，重新利用頻譜分析儀和近場探頭查看機箱和互連電纜的輻射發(fā)射，此時比之前的輻射大幅降低，如下圖12所示，整改達到預(yù)期效果。

圖12 較低的輻射

4. 實驗驗證

    檢查并安裝好設(shè)備，將產(chǎn)品攜帶到認證實驗室進行系統(tǒng)的輻射發(fā)射測試，測試結(jié)果如圖13所示：

圖13   30MHz～200MHz整改后輻射發(fā)射

    從圖13可以看出，整改之后輻射發(fā)射裕量達到10dB，測試順利通過。

5 總結(jié)

   經(jīng)過整個之后，此款產(chǎn)品順利的經(jīng)過了認證測試。說明在產(chǎn)品研發(fā)的時候，盡量現(xiàn)在實驗室中對產(chǎn)品進行摸底測試，使用頻譜分析儀和近場探頭能很好的檢查出產(chǎn)品存在的問題，這樣不僅很方便的查找問題，還可以節(jié)約去認證實驗室測試的費用，所以頻譜分析儀已經(jīng)成為越來越多的實驗室常用的設(shè)備。