汽車電磁兼容檢測天線調(diào)整裝置原理方案設(shè)計

謝 曲

（1.柳州汽車檢測有限公司，廣西 柳州 545006；2.柳州市產(chǎn)品質(zhì)量檢驗所，廣西 柳州 545000）

汽車是當(dāng)今社會不可或缺的交通和運輸工具，隨著對汽車節(jié)能、環(huán)保、安全性和舒適性等要求的提高，汽車電子技術(shù)應(yīng)用日益增多。為了解決燃油汽車的能源消耗和環(huán)境污染問題，發(fā)展電動汽車，包括純電動汽車（EV）、混合動力電動汽車（HEV）和燃料電池電動汽車（FCEV），是世界汽車產(chǎn)業(yè)的方向。隨著汽車電子化和電動汽車的推廣應(yīng)用，汽車的電磁抗干擾性能與汽車行駛過程產(chǎn)生的電磁騷擾，成為不容忽視的問題。汽車電子控制裝置的抗電磁干擾性能缺陷，導(dǎo)致汽車控制設(shè)備的性能降低甚至失效，對汽車的安全行駛造成嚴(yán)重影響。汽車行駛過程產(chǎn)生的電磁騷擾超標(biāo)，將造成環(huán)境電磁污染。因此，檢測汽車的電磁兼容（EMC）性能已經(jīng)成為世界各國的強制性法規(guī)要求。電波暗室內(nèi)檢測時，需要調(diào)整天線相對地面和被測車輛的位置，通常采用停機后操作人員進入電波暗室內(nèi)調(diào)整的方式，存在效率低、操作人員容易受電磁輻射傷害等問題。因此，實現(xiàn)汽車EMC檢測天線位置自動調(diào)整具有重要意義。本文運用創(chuàng)新設(shè)計原理，在進行汽車EMC檢測天線位置調(diào)整裝置功能分析的基礎(chǔ)上，對獲得專利授權(quán)的汽車EMC檢測天線位置調(diào)整裝置進行原理方案設(shè)計。

1 汽車EMC檢測簡介

汽車EMC檢測包括電磁抗干擾性能與電磁騷擾限值檢測。

電磁抗干擾性能檢測包括傳導(dǎo)抗擾度和輻射抗擾度檢測。通過對汽車或者汽車零部件施加一定強度的試驗信號，使其性能降低達到規(guī)定的值，或者試驗信號達到規(guī)定的抗擾度電平，以判斷汽車或者汽車零部件的電磁抗干擾性能是否符合要求[1]。

電磁騷擾包括窄帶騷擾和寬帶騷擾（又分為寬帶連續(xù)騷擾或者寬帶不連續(xù)騷擾）。窄帶騷擾限值檢測采用帶平均值檢波器或者峰值檢波器的接送機進行；寬帶騷擾限值檢測采用帶峰值檢波器的接送機進行測量。電磁騷擾檢測的場地可以是戶外試驗場地（OTS），也可以在裝有吸波材料的屏蔽室（ALSE，亦稱為電波暗室）中進行。在電波暗室內(nèi)進行電磁騷擾檢測具有環(huán)境可控、不受外界條件影響、重復(fù)性好等優(yōu)點，盡管電波暗室造價昂貴，其仍然成為汽車行業(yè)的首選方式。在電波暗室內(nèi)進行電磁騷擾檢測，需要在車輛的左右兩側(cè)進行測量；優(yōu)先選用10米法（標(biāo)稱測量距離為10 m）；滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的條件時，也可以選用3米法（標(biāo)稱測量距離為3 m）[2]。

2 電波暗室內(nèi)汽車電磁兼容性檢測條件

2.1 對環(huán)境的要求

電波暗室的環(huán)境噪聲電平應(yīng)比標(biāo)準(zhǔn)要求的騷擾限值低 6 dB 以上[3，4]。

2.2 對天線的要求

（1）天線單元與天線支架、升降系統(tǒng)之間應(yīng)避免產(chǎn)生電耦合，天線單元與饋線之間應(yīng)不發(fā)生電耦合。

（2）采用10米法進行電磁騷擾檢測時，天線參考點到車輛或裝置邊緣的金屬部分的水平距離為10.0 m±0.2 m，天線中心離地板的高度為3.00 m±0.05 m；采用3米法時，天線參考點到車輛或裝置邊緣的金屬部分的水平距離為3.0 m±0.05 m，天線中心離地板的高度為1.80 m±0.05 m.對于同時裝有獨立電機驅(qū)動和內(nèi)燃機驅(qū)動，驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)分別測試；裝有多個發(fā)動機的車輛，應(yīng)將發(fā)動機依次定位在天線正前方測試[3]。

（3）電動車輛的電磁場發(fā)射強度檢測時，棒天線置于地面上，距車輛最近部分為3.0 m±0.1 m；環(huán)天線中心置于地面以上1 m±0.05 m，距車輛最近部分為3.0 m±0.2 m，環(huán)天線位于磁場的最大敏感度方向，電場方向平行于環(huán)平面。通過預(yù)掃描選取車輛的最大輻射方向，天線放置和定向為最大接收信號方向，測量車輛以規(guī)定的穩(wěn)定車速運行時的最大發(fā)射[4]。

（4）進行無線電騷擾抗擾度測量時，發(fā)射天線對接地平面和被測件的極化方向、位置、高度需要按照標(biāo)準(zhǔn)要求調(diào)整。為了獲得均勻的試驗場，天線與被測件的間距應(yīng)滿足式（1）或式（2）的規(guī)定[1]：

式中：L為天線與被測件的間距；l為抗擾度信號波長；Lm為被測件最大尺寸（m）.

當(dāng)被測件尺寸小于抗擾度信號波長時，按照式（1）確定；當(dāng)被測件各方向尺寸大于抗擾度信號波長時，按照式（2）確定。波束窄的發(fā)射天線高度變化時應(yīng)始終指向被測件[1]。按照ISO11451的測試要求，汽車抗擾度試驗的信號頻率為10 kHz~6 GHz，測試距離為2 m，場強達到典型值200 V/m[5].

3 電波暗室內(nèi)汽車EMC檢測

圖1 汽車EMC檢測天線位置示意

在電波暗室內(nèi)進行汽車EMC檢測時，汽車在底盤測功機（安裝在轉(zhuǎn)臺上）的滾筒上按照規(guī)定工況運行，底盤測功機的滾筒軸線在轉(zhuǎn)臺上的位置可以調(diào)整，以適應(yīng)不同型號規(guī)格的汽車檢測。對被測汽車另一面進行EMC檢測時，轉(zhuǎn)臺載著被測汽車轉(zhuǎn)過180°.

檢測天線的位置按照標(biāo)準(zhǔn)的要求，根據(jù)被測汽車的尺寸及其在轉(zhuǎn)臺上的位置進行調(diào)整（見圖1）。

4 汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置原理方案設(shè)計

4.1 汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置的功能分析

根據(jù)以上分析，汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置的功能是：

（1）天線座平面位置改變，包括天線座前后方向移動、左右方向移動、繞垂直軸線的轉(zhuǎn)動；

（2）天線垂直高度改變；

（3）天線法線方向改變，有繞水平軸線的轉(zhuǎn)動、繞垂直軸線的轉(zhuǎn)動（由天線座實現(xiàn)）。

約束條件：天線調(diào)整裝置需要滿足：1）位置調(diào)整精度的要求；2）電磁兼容要求。

4.2 汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置的功能元解的形態(tài)學(xué)矩陣

根據(jù)調(diào)整裝置的功能需求，改變天線座的平面位置可通過改變天線座兩端的平面坐標(biāo)實現(xiàn)，即采用各種平面機構(gòu)完成；改變天線的垂直高度，可通過垂直方向的直線運動裝置實現(xiàn)；改變天線的法線方向，繞垂直軸線的轉(zhuǎn)動由天線座兩端的平面坐標(biāo)改變實現(xiàn)，繞水平軸線的轉(zhuǎn)動通過旋轉(zhuǎn)機構(gòu)實現(xiàn)。可得汽車EMC檢測天線調(diào)整裝置的功能元解的形態(tài)學(xué)矩陣（如表1所示）。

表1 天線調(diào)整裝置的功能元解的形態(tài)學(xué)矩陣

由于氣體的可壓縮性，氣壓傳動無法保證位置調(diào)整精度，根據(jù)約束條件（1），剔除氣壓驅(qū)動方式（D3）；電動機在電波暗室內(nèi)工作時，將產(chǎn)生額外的電磁騷擾，從而破壞電波暗室的電磁兼容性，因此根據(jù)約束條件（2），剔除電波暗室內(nèi)電機驅(qū)動方式（D1），可采用電波暗室外電機驅(qū)動方式（D2）、液壓驅(qū)動方式（D4）.根據(jù)天線調(diào)整裝置的功能元解的形態(tài)學(xué)矩陣，進行功能元解組合求解，得到可行原理設(shè)計方案數(shù)N為：

N=A×B×C×D=5×3×2×2=60

共有60種可行方案。根據(jù)約束條件，剔除D1、D3后，A1、A2、A3，B1、B2，C1等功能元解將失去直接驅(qū)動動力，因而不易實現(xiàn)，為非最佳解，由此可得最佳原理設(shè)計方案數(shù)NJ為：

NJ=AJ×BJ×CJ×DJ=2×1×1×2=4

4種最佳原理設(shè)計方案的功能元解組合為：（A4+B3+C2+D2）、（A4+B3+C2+D4）、（A5+B3+C2+D2）、（A5+B3+C2+D4）。根據(jù)最佳原理設(shè)計方案的功能元解組合，可進一步進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。其中，功能元解A4（變胞機構(gòu)）又可采取液壓馬達關(guān)節(jié)帶動多桿機構(gòu)、帶輪關(guān)節(jié)（或繩輪關(guān)節(jié)）帶動A桿機構(gòu)等多種結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)約束條件（2），液壓站應(yīng)設(shè)置于電波暗室外，并且構(gòu)件材料選擇必須滿足電波暗室的電磁兼容性要求。

5 調(diào)整裝置原理設(shè)計案例

根據(jù)上述最佳原理設(shè)計方案的功能元解組合，可進行調(diào)整裝置設(shè)計。按照A5+B3+C2+D4的功能元解組合進行了一種調(diào)整裝置的原理設(shè)計，圖2給出了該案例的原理圖。

圖2 調(diào)整裝置設(shè)計案例原理圖

6 結(jié)束語

電波暗室內(nèi)進行汽車EMC檢測過程，電波暗室內(nèi)存在很強的電磁輻射，為提高檢測效率、減少電磁輻射對操作人員的傷害，采用EMC檢測天線位置調(diào)整裝置。本文闡述獲得專利授權(quán)的汽車EMC檢測天線位置調(diào)整裝置，并按照功能分析法進行原理方案功能元組合的求解方法，提出4種可行原理設(shè)計方案以及變胞機構(gòu)的多種結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)提出的原理方案功能元解組合，可進一步進行該裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

[1]GBT 6113.204-2008.無線電騷擾和抗擾度測量設(shè)備和測量方法規(guī)范第2-4部分：無線電騷擾和抗擾度測量方法抗擾度測量[S].

[2]GB/T 6113.202-2008.無線電騷擾和抗擾度測量設(shè)備和測量方法規(guī)范第2-2部分：無線電騷擾和抗擾度測量方法騷擾功率測量[S].

[3]GB 14023-2011.車輛、船和內(nèi)燃機無線電騷擾特性用于保護車外接收機的限值和測量方法[S].

[4]GB/T 18387-2008.電動車輛的電磁場發(fā)射強度的限值和測量方法，寬帶，9kHz～30MHz[S].

[5]國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO.Road vehicle test methods for electrical disturbances from naaowband radiated electromagnetic energy-part3 On-board transmitter bimulation：ISO11451-3-2015[S/OL].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2015.http：//www.zbgb.org/index.htm