解析ISO 11452-4:2011（E）中的 TWC 測試方法

現(xiàn)代社會中，機動車除了作為代步工具外，還集成了越來越多的電子零部件，為駕乘人員帶來更舒適便捷的行車體驗。但機動車電子零部件的可靠性，特別是如何保證整車所集成的各種功能能夠在惡劣的電磁干擾中維持正常工作，達到電磁兼容成為一個問題。機動車零部件的電磁兼容試驗的重要性就凸顯出來了。

在對機動車零部件進行EMC抗干擾測試時，BCI（大電流注入）抗干擾測試作為一個比較經(jīng)典的測試方法，一直被各大汽車企業(yè)作為規(guī)范廣泛采用。其優(yōu)點在于良好的測試重復性，較嚴酷的測試強度和無需破壞線束結構的便利。

但作為BCI測試的注入設備，電流注入鉗存在缺陷。由于其電器結構呈感性，在高頻時呈現(xiàn)高阻抗，使注入效率大大降低，無法進行較高頻率的測試。目前的國際標準中，BCI方法的使用頻率一般不超過400 MHz，而企業(yè)標準中，也僅有幾家日系廠商的規(guī)范，如本田標準使用到400 MHz以上，但也因為各種原因效果不盡理想。

在2011版的ISO 11452-4（E）中，提出了一個新的測試設備 — Tubular Wave Coupler(TWC)，即管狀波耦合器。由于TWC呈電容特性，使其在高頻部分擁有良好的響應，TWC注入法是模擬較高頻率射頻信號耦合到試驗樣品的線束上，可以視為BCI注入的高頻擴展。而這一新的測試方法成功地將測試頻率的上限擴展到3GHz。

本文將詳細分析TWC的結構、校驗和使用，并比較該設備與BCI注入設備的耦合效率。

1、TWC的結構

管狀波耦合器是一個有兩個輸入端子的同軸結構系統(tǒng)，中間是管狀的耦合裝置。它由內(nèi)外兩個同一軸心的管狀電極組成，可以將電磁干擾像電流環(huán)一樣耦合到被測樣品的線束，保留了無需破壞樣品線束結構的優(yōu)點。內(nèi)外電極之間用硬絕緣材料填充，兩個輸入端子一個連接功放作為信號輸入，另一個則接50 Ω終端阻抗。同軸輸入端子的內(nèi)芯和內(nèi)電極連接，外電極與屏蔽層連接，中間的旋鈕用于將耦合器鎖緊。

儀器生產(chǎn)廠家會根據(jù)內(nèi)外電極的直徑和長度，將其分為不同型號，用來配合各種不同尺寸的線束。TWC的結構圖如圖1所示。

圖1TWC的結構

2、TWC的工作原理

當對樣品進行測試時，管狀耦合器閉合，被測線束穿過TWC的內(nèi)導體，干擾信號注入同軸輸入端子，把產(chǎn)生的橫電磁波通過管狀的內(nèi)電極與線束之間的分布電容，耦合到線束上。可見，相對于電流注入環(huán)的電感型耦合，TWC采取了高頻響應更好的電容型耦合，其等效電路如圖2所示。

圖2TWC的等效電路

3、TWC的校驗和測試

3.1TWC耦合系數(shù)的校驗

TWC耦合系數(shù)的校驗和BCI電流注入環(huán)的校驗方法相似（見圖3），區(qū)別在于其使用的阻抗類型為150 Ω，而非校驗電流環(huán)時使用50 Ω。目前各個儀器生產(chǎn)廠商都會在校驗夾具的兩個端子上配備50/150 Ω阻抗適配器，使測試人員能夠在50 Ω的信號發(fā)生器和終端阻抗對TWC進行校驗。

圖3TWC耦合系數(shù)的校驗示意圖

校驗時，終端阻抗和功率探頭應能在所使用的頻率范圍內(nèi)有足夠高的額定功率，如有必要的話，可在功率探頭前加衰減器以保護探頭。首先，無論是BCI法還是TWC法的試驗，都是用替代法實現(xiàn)的，也就是說用前向功率作為參量進行校驗和測試。ISO11452-4:2011（E）中，TWC的測試等級是以功率dBm為單位，實際測試的目標值為注入到夾具中的功率值，該功率值與TWC和夾具的關系如下：如果把夾具的耦合系數(shù)記為F，校驗得到數(shù)據(jù)的絕對值記為|S21|，那TWC的實際插入損耗IL則為：

IL|dB = | S21| - F|dB

在對DUT進行試驗時，所需要的實際前向功率Pforward為：

Pforward|dBm = Ptest|dBm +IL|dB

其中Ptest|dBm為目標測試等級。

3.2TWC的測試

被測樣品應使用1 700 mm(0 ~ 300)長的線束。并和樣品一起布置在50 mm高的非導電介質(zhì)上。參考測試計劃和樣品的實際安裝環(huán)境需考慮外殼和輔助設備是否接地。對于多捆線束或多個接口的樣件，沒有放入TWC的線束應和被測線束保持至少100 mm的距離。區(qū)別于BCI的三個測試位置，TWC只需放置在距離被測件（100±10） mm的位置，并與接地平面保持隔離。射頻輸入端連接到接近被測樣品的那個端子，另一端連接50 Ω終端負載，終端負載要與受試線束至少有200 mm的距離，并且也與接地平面隔離。試驗布置可以參考ISO 11452-4:2011（E），如圖4所示。

圖4TWC試驗布置

測試布置完成后根據(jù)ISO 11452-4：2011（E）的要求，選擇需要的目標等級功率，將之前校驗得到的TWC耦合系數(shù)補償在測試軟件中，就可以進行正常的替代法測試。

4、TWC與BCI干擾效果的比較

為直觀表述BCI和TWC法各自的頻率響應，以及在對同時覆蓋的頻率進行測試時，使用何種耦合方法的選擇性提供幫助，可以在同一個夾具上，分別用BCI注入環(huán)和TWC做對比。

在100 MHz~2 GHz的頻率范圍內(nèi)調(diào)整功放的輸出功率為5 W恒定值，然后在夾具上測量實際的有效耦合功率，然后比較兩種方法的耦合效果。比對結果如圖5所示。

圖5TWC與BCI的對比

可以看到在低頻范圍內(nèi)，BCI注入環(huán)的實際干擾效果要優(yōu)于TWC。但在400 MHz以上，尤其是900 MHz以上的時候，TWC的功率耦合效率相對穩(wěn)定，并且要明顯優(yōu)于BCI。

當然，實際使用時，由于不同型號的注入設備之間的差異，以及被測樣品的傳輸阻抗等因素，其注入效果可能是非線性的。但總體而言，對于TWC在較高頻率的良好響應，使測試人員在EMC試驗的選擇性上將會有較大的拓展。

5、結語

由于在高頻時，波長很短，注入的干擾能量很容易通過被測線束和受試設備對外界形成射頻回路，從而影響實際的干擾效果，所以該方法能否替代自由場仍有待研究。但TWC優(yōu)秀的高頻耦合效率，讓1 GHz以上的機動車零部件EMC測試不再僅僅只依靠電波暗室法來實現(xiàn)。

最早在DaimlerChrysler的企業(yè)標準DC-11225以及大眾汽車的TL82166中提出TWC測試方法，但因為該方法并沒有被國際標準所涵蓋，幾乎沒有被各個實驗室所使用。如今ISO 11452 - 4：2011（E）已將其納入，很有可能在不久之后，TWC將和BCI一樣成為機動車零部件EMC測試的主流試驗方法之一。