無源零部件電磁兼容輻射屏蔽效能測試評估

無源零部件電磁兼容輻射屏蔽效能測試評估

0無源零部件電磁性能測試評估隨著新能源汽車的廣泛應(yīng)用、干擾和輻射等影響車輛駕駛安全的問題，越來越受到重視。繼整車和有源零部件的電磁兼容(EMC)安全性標(biāo)準(zhǔn)相繼頒布實施后，無源零部件的電磁兼容安全性將成為下一個研究熱點。無源零部件中的組件及連接器，作為輸送電能與信號的橋梁和紐帶，其屏蔽效能的好壞將直接影響到整車的EMC性能。在通信線纜的電磁性能測試評估中有較為成熟的方法，包括三同軸法、線注入法、吸收鉗法等。這些方法被廣泛應(yīng)用到具有一定電長度的測試樣品中，而且這些被測樣品一般具有較為規(guī)則的形狀，如具有一定長度的圓形屏蔽電纜。但是連接器或組件往往具有物理尺寸較小、形狀各異、多元件組合(如接插件+線路板)等特點，這給傳統(tǒng)的電磁兼容測試設(shè)備的應(yīng)用帶來挑戰(zhàn)。本文將基于傳統(tǒng)測試方法，討論如何進行異型連接器或組件屏蔽效能的測試評估。1轉(zhuǎn)移過濾和蝦殼干重式電纜干部表征屏蔽效能的參數(shù)包括短電長度下的轉(zhuǎn)移阻抗、轉(zhuǎn)移導(dǎo)納，長電長度條件下的屏蔽衰減，對稱器件的耦合衰減等。本文僅就常用的轉(zhuǎn)移阻抗和屏蔽衰減進行討論。(1)對于電長度短的電纜，轉(zhuǎn)移阻抗Z式中:U為被測屏蔽層和測量裝置構(gòu)成的在匹配的外回路內(nèi)產(chǎn)生的縱向電壓(mV);I為饋入到內(nèi)回路的電流(A);L為電纜長度(m)。轉(zhuǎn)移阻抗通常表征頻率1～100MHz的屏蔽效能，轉(zhuǎn)移阻抗越低，屏蔽性能越好。(2)對于電長度長的電纜，屏蔽衰減a式中:P屏蔽衰減通常表征頻率30MHz以上的屏蔽效能，數(shù)值越大，屏蔽性能越好。2用于屏蔽效應(yīng)的測試2.1同軸法測試原理三同軸法，其原理是通過向電纜屏蔽層施加確定的電流和電壓，測量感應(yīng)電壓以測定表面轉(zhuǎn)移阻抗，得到電纜的屏蔽效能。一般用來測量電纜及長電纜組件的表面轉(zhuǎn)移阻抗、屏蔽衰減和對稱電纜的耦合衰減等。圖1為三同軸法測試原理圖。對于物理尺寸小的連接器和組件，根據(jù)理論，在測試屏蔽衰減時，其下截止頻率將會很高。為了獲得較低頻段的測試數(shù)據(jù)，我們使用三同軸法擴展的管中管法。管中管法是通過采用一種射頻密閉的金屬延長管(管中管)來延長被試組合件的電長度，使被試組合件的電長度變長，截止頻率則向更低頻率范圍推移三同軸法及擴展的管中管法測試結(jié)果穩(wěn)定，測試精度高，但受限于管體尺寸，不能測試尺寸較大的產(chǎn)品。值得注意的是，由于三同軸測試法測試過程中，外系統(tǒng)處于短路狀態(tài)(測試管的外管壁和被測試器件的外屏蔽處于短路狀態(tài))，此時轉(zhuǎn)移導(dǎo)納被忽略。2.2電纜—線注入法測試線注入法是一種基于路的測試方法，其適用的頻率范圍可以達到1GHz甚至更高，IEC62153-4-6中描述了如何用線注入法進行屏蔽電纜轉(zhuǎn)移阻抗測試。線注入法的測試原理如圖3所示:外部電路是線注入電路，由屏蔽層表面和注入線組成;內(nèi)部電路由被測件內(nèi)部導(dǎo)體和屏蔽層組成，是用于測量感應(yīng)電壓的電路。線注入法低頻段測試結(jié)果穩(wěn)定，能測試大尺寸的產(chǎn)品，但測試較為復(fù)雜。測試結(jié)果包含了轉(zhuǎn)移導(dǎo)納。3選擇和比較波形設(shè)備和組件的測試方法我們以常見的FAKRA連接器和新能源汽車高壓連接器為例，討論如何使用三同軸及線注入法進行測試。3.1fakra連接器的測試附件FAKRA是一種車用的音視頻射頻連接器，全稱FachkreisAutomobileConnector，圖4為一種插頭式直角型FAKRA連接器。如圖4所示，F(xiàn)AKRA連接器外形尺寸小(外徑一般不超過30mm)，使用頻率高(100MHz～3GHz)。為了在較低頻段下獲得較長的電常數(shù)，采用三同軸管中管法測試屏蔽衰減和低頻段的轉(zhuǎn)移阻抗。在處理樣品時，由于FAKRA連接器的末端有線路板。為了得到連接器自身的電磁性能，保證測試結(jié)果不受線路板的影響，應(yīng)設(shè)計合適的測試附件。圖5為加工的插座。圖6為連接示意圖。測試結(jié)果如圖7所示。在測試過程中，根據(jù)測試樣品的特點設(shè)計必要的測試附件是非常重要的。圖8為同一個樣品在外方實驗室的測試數(shù)據(jù)。本方實驗室在100MHz～3GHz頻率測得的屏蔽衰減最差值為65dB，外方實驗室在100MHz～3GHz頻率測得的屏蔽衰減最差值為24dB，同一根FAKRA組件測得的結(jié)果相差了41dB。造成差異的原因有三點:(1)外方實驗室直接將FAKRA連接器焊接在測試系統(tǒng)上，在連接處也未做任何屏蔽措施，使得信號在連接處泄露。圖9為外方實驗室樣品制備圖。圖10為外方實驗室連接器焊接示意圖。(2)外方實驗室未對FAKRA組件進行阻抗匹配，測試系統(tǒng)的特性阻抗為50Ω。在接入系統(tǒng)時，如果沒有把被試樣品的特性阻抗匹配到50Ω，信號會產(chǎn)生反射波，從而影響測試值。(3)我方實驗室為FAKRA連接器測試所設(shè)計加工的插座，既防止了連接處信號泄露，又匹配了50Ω特性阻抗。這使測試數(shù)據(jù)真實反映了連接器自身的屏蔽性能。3.2線注入法測試高壓連接器作為新能源汽車的重要器件，主要由接觸體、絕緣體、殼體及附件等幾部分組成(見圖11)。由于新能源汽車的工作電壓從傳統(tǒng)汽車的12V提升到400V，因此對連接器的質(zhì)量和精度提出了更高的要求。新能源汽車高壓連接器外形尺寸大(外徑一般超過80mm)，應(yīng)用場景的頻率趨于低頻段(10kHz～500MHz)，因此選用不受被試樣品體積限制的線注入法來測試轉(zhuǎn)移阻抗較為適宜。圖12為線注入法測試圖。新能源汽車高壓連接器在使用線注入法測試時需要注意以下兩個方面:(1)阻抗匹配。與三同軸管中管法測試一樣，使用線注入法測試時，新能源汽車高壓連接器接入測試系統(tǒng)時需將阻抗匹配到50Ω。圖13為阻抗匹配與失配的測試比較圖。在頻率段10kHz～500MHz，阻抗匹配的測試數(shù)據(jù)明顯優(yōu)于阻抗失配的測試數(shù)據(jù)。(2)方向性。由于線注入法測得的是注入線與被試樣品耦合部分的數(shù)據(jù)，因此需要每隔120°測試3個方向，才能表征被試樣品的屏蔽效能。圖14為屏蔽層有破損時與完好時的數(shù)據(jù)對比。屏蔽有破損時的轉(zhuǎn)移阻抗要遠遠大于屏蔽完好時，且隨著頻率上升，差值會進一步增大。3.3同軸法與線注入法的對比雖然三同軸法與線注入法都能測得表征屏蔽效能的參數(shù)，但兩種測試方法測得的數(shù)據(jù)是并非完全一致的。本次試驗選取3根不同規(guī)格的編織屏蔽電纜分別進行三同軸法與線注入法的轉(zhuǎn)移阻抗測試，測試數(shù)據(jù)如圖15所示。通過分析發(fā)現(xiàn)，頻率在10MHz以下時，三同軸法與線注入法的測試數(shù)據(jù)是基本一致的。頻率在10MHz以上時，線注入法的轉(zhuǎn)移阻抗要大于三同軸法，并且隨著頻率升高，差值越來越大。線注入法的公式如下:式中:Z從式(4)和式(5)可以看出，線注入法測試的結(jié)果是包含容性耦合導(dǎo)納Y4屏蔽效能測試(1)三同軸法及擴展的管中管法測試結(jié)果穩(wěn)定，測試精度高，但受限于管體尺寸，不能測試尺寸較大的產(chǎn)品。(2)線注入法低頻段測試結(jié)果穩(wěn)定，能測試大尺寸的產(chǎn)品，但測試較為復(fù)雜。(3)FAKRA連接器外形尺寸小，使用頻率高，適宜用三同軸管中管法測試屏蔽衰減來表征屏蔽效能。測試時應(yīng)