天线的选择在有效的汽车尾气排放测试中起着至关重要的作用
Vicente rodriguez博士
介绍
下面介绍满足整车EMC要求的最佳天线。该文件分为两个主要部分:排放和免疫。本文的目的是为用户提供满足其测试需求的最佳解决方案。
排放
汽车整车排放主要由以下国际标准处理:
- CISPR 12车辆、船只和内燃机驱动装置无线电干扰特性限值和测量方法
- SAE J551-2车辆、摩托艇和火花点火发动机驱动装置无线电干扰特性的测试极限和测量方法
- 95/54 EC附件IV“车辆辐射宽带辐射的测量方法”
- 95/54 EC附件V“车辆辐射窄带排放的测量方法”
国际标准组织(ISO)对满载车辆的排放没有任何等效的标准。ISO标准完全集中于以下所述的免疫力。
上面列出的标准要求在燕麦(开放区域测试场地)类型的环境中进行测试。从车辆和天线之间的中点开始,在半径为30米的范围内,OATS必须是没有任何反射结构的区域(图1)。这些基本是CISPR 16中对任何大型汽车物体列出的要求。CISPR12和SAE J551-2都在OATS要求中使用了这一措辞。欧共体95/54的附件IV和V对OATS使用了类似的描述,并参考了CISPR 16。
所有上述标准都考虑到封闭的测试设施或吸收器衬里室。他们对这些设施的要求是可以显示封闭场地与OATS之间的相关性。
显示这种相关性存在的最佳方法是根据ANSI C63.4-2000标准对封闭设施进行NSA测量。如果NSA显示出与理论曲线的±4dB的偏差,那么可以肯定地说,该腔室的性能类似于OATS,并且在那里进行的测量可以与在OATS中进行的测量相关。
关于测试方法,所有标准都描述了相同的测试几何形状。天线高度固定(CISPR16和ANSI C63.4中没有扫描)。测试距离为10米,但也可以接受3米的测试。测量从天线到被测车辆外表面的距离。
天线对准发动机中心点(图2),车辆不需要旋转,但必须对车辆两侧进行测试(图3)。
测试距离为10m时,天线固定在离地面3m处,测试距离为3m时,天线固定在离地面1.8 m处。在每一个测量点,读数必须采取水平和垂直极化。天线不能靠近任何射频吸收材料的1米,线室墙壁和天花板。对于带有内燃机的车辆,在每次测量时都应操作车辆。由于这一要求,在舱内需要一个排气系统以及一台测功机。所有SAE J511-2, CISPR-12和95/54 EC的频率范围为30至1000 MHz。
用于发射测试的推荐天线
发射测试的推荐天线如表1所示。本节的其余部分致力于更详细地描述天线。
有源单极杆
该天线的工作范围为30 Hz至50 MHz(图4)。该元件可扩展至50至100厘米。它有一个60厘米x 60厘米的地平面,以满足几个标准的要求。一般来说,这些天线是非常无效的,因为它们的电尺寸小。它们通常配备一个前置放大器单元,构成天线的一部分。
双锥形天线
这些天线已在EMC中用于低频测试,并且是许多标准的推荐天线,从MIL-STD 461E2到一些汽车部件标准,如CISPR 25(图5)。典型的双圆锥天线通常具有20至300 MHz的范围;然而,建议它们在30 MHz到200 MHz之间使用,在这个范围内,它们提供了与其他相比最好的性能
天线。
对数周期天线
从200mhz到1ghz,建议使用对数周期天线(图6)。对数周期天线的典型范围为200mhz到2000mhz或3000mhz,具体取决于制造商。更大的对数周期天线,工作范围可达80 MHz。通常,对数周期天线的天线因子(AF)比双锥天线好。因此,总是可以使用高达100 MHz的双锥,然后切换到80 MHz至1000 MHz范围的对数周期。80-MHz至2000-MHz的日志周期模型非常大,不像200-MHz至2000-MHz类型那么容易处理。如果预期要进行大量测试并频繁更改天线,则最好使用双锥和200-MHz-2000-MHz日志周期。
双脊喇叭
双脊喇叭已用于EMC超过30年。最近,它们的使用受到了质疑3.因为在更高频率的不规则模式行为。然而,市场上有较新的型号,纠正了传统双脊喇叭的模式问题。4、5新的双脊喇叭天线具有改进的模式行为超过10 GHz。这些改进转化为更稳定的天线因子和增益(图7)。
可选混合天线
如果期望较高的测试速率,并且用户需要尽量减少天线的切换,则可以使用双锥-蝴蝶结/对数-周期混合天线。这些天线的频率范围通常从26兆赫到3兆赫;它们可以代替双锥天线和对数周期天线。然而,有些标准更倾向于使用对数周期天线和双锥天线,而不是混合组合。此外,选择具有良好的对数周期转换的混合天线是很重要的,它在70 mhz到200 mhz范围内没有显示AF的颠簸或尖峰(图8)。
根据产品测试标准,上述天线组合将覆盖整车排放测试的所有需求。
免疫力
汽车电磁兼容标准中的抗扰度应用要求产生非常高的场。本节提出了一种解决方案,以满足100khz至18ghz范围内整车测试的抗扰度要求。建议解决方案所涉及的主要标准如下:
- ISO 11451 - 2
- SAE J551-11
- 95/54欧共体附件六
所有这些标准都有相似的措辞。SAE和ISO是彼此的虚拟副本,它们都要求100 V/m.1的高严重级别ISO考虑了一个额外的严重程度,由测试机构和制造商商定。本文档假设附加的严重级别是客户的内部需求,不符合标准。目前的解决方案集中在小于或等于100 V/m的电场水平。
此外,提出的解决方案假设场均匀性要求是标准中规定的要求。这些要求规定(对于SAE和ISO来说),所需的电场水平应在距离车辆所在地面1米(对于高于3米的车辆为2米)的参考点产生,并在参考点两侧各75厘米的两个点产生。在这些点上,电场电平应该在参考电平的3db范围内。对于95/54 EC,点在两侧50厘米,最高严重程度为24 V/m, 80% AM调制。对于95/54 EC,相邻点的电场必须至少是参考点电场的一半。
对于SAE和ISO,现场均匀性要求适用于200 MHz以上;对于95/54欧共体,它适用于20 MHz以上。如果标准文件要求,两种极化都可以测试。
解决方案
本文中推荐的用于现场生成的天线覆盖了100 khz到18 ghz的范围。正如预期的那样,这个范围需要几根天线和一个传输线系统。E/H场发生器用于100 khz至30 mhz范围。在30mhz到100mhz范围内推荐使用大功率双锥天线,在100mhz到1ghz范围内推荐使用双脊导向喇叭。这些天线是满足SAE和ISO标准要求的最佳解决方案。在1GHz以上,建议的解决方案是使用八度增益喇叭或标准增益喇叭。
95/54 EC标准文档描述了在20mhz至1 ghz范围内的抗扰度测试,严重程度为24v /m,采用80% AM调制。使用缩短的对数周期和双对数数组更好。然而,缩短的测井曲线将低频元件放置在距离参考点太远的地方,无法产生SAE和ISO标准所要求的非常高的磁场。对于95/54 EC指令,电场水平较低,频率范围不太宽,缩短的对数周期和双对数阵列可以满足功率水平最高为5kw的要求。
100 kHz至30 MHz测试
对于低于30 MHz的频率,可控尺寸的天线不是很有效。波长上升到几十米的数量级,半波长谐振散热器变得太大,无法装进一个房间。因此,所有上述标准都允许使用传输线系统或TLS。
可以使用不同类型的TLS。在其中的一些,元件是一个固体板,对着地面驱动,在板和地板之间产生一个垂直的电场,类似于在电容器中存在的电场。对于TLS来说,重要的是要有一个良好的终端电阻,这样就不会在其长度上出现驻波。另一种类型的TLS系统由两个悬浮在地面上的导体组成(图9)。
如图9所示,该结构由四个锚点从天花板支撑。这些元件既可以对着地面一起驱动(偶数模式),也可以相互隔离(奇数模式)。偶模(图10)产生垂直极化电场,奇模(图11)产生水平极化电场。
高功率双锥
对于30mhz至100mhz范围,推荐使用具有高功率巴伦和结构的双锥型天线(图12)。在这些频率下,天线的效率不是很高,因为它们必须很长才能成为半波长型谐振器。双锥设计是最经济和有效的频率范围。即便如此,一个10kw的放大器可能需要产生ISO和SAE标准所要求的一些严重级别。双锥天线比大型对数周期天线的优势在于,在所有频率上的辐射元件都是相同的。因此,在最低频率(天线效率最低的地方)的辐射元件可以放置在靠近车辆和参考点的地方,而不违反天线与车辆之间的50厘米距离。在最低频率的对数周期天线中,后面的元件是辐射的。这些距离天线尖端可达2米,在某些情况下,将辐射元件放置在距离参考点4米的地方。
图13中的图表显示了将天线放置在离地面2米,距离参考点3.5米的情况下进行的测量。参考点位于地面上方1米。
双脊喇叭天线
更大的双脊喇叭现在可用(图14)。这些新的喇叭降低到100兆赫的行为典型的传统双脊喇叭在MIL-STD 461E.2中使用从200兆赫到1兆赫这些喇叭的平均增益为9 dBi,这比EMC中使用的典型对数周期天线要多。
在其工作范围的最低端,这些喇叭的增益约为5 dBi(图15)。在约150mhz时,增益提高到高于8dbi的水平。增益在950 MHz时保持高于9 dBi,在1 GHz时下降到7 dBi。
利用这些增益值,可以推导出在2米距离上达到100v /m所需的功率(根据所有标准,2米是参考点到天线相位中心之间的最小距离)。计算结果表明,在距离孔径2米的距离上获得所需的100 v /m连续波电场水平只需500瓦(图16)。(注:计算数据不考虑电缆损耗,但给出了电力需求的一般概念。)
一些供应商提供双日志周期数组来增加其日志周期的增益。这些结构与100mhz双脊喇叭一样大,它们需要使用功率分配器和相位匹配电缆,这增加了成本。
1 ghz以上测试
在1 GHz以上,放大器更昂贵,因此,高增益天线是最好的方法。因此,建议使用八度增益喇叭天线。这些天线至少有大约15 dBi的增益。
可选方案95/54 EC (20mhz ~ 1000mhz)
95/54 EC附件VI标准是一个比SAE或ISO豁免文件更宽松的规范。抗扰度测试的严重级别为24 V/m,在20到1000 MHz的80%调制下。该标准推荐的解决方案包括用于20-MHz至200- mhz范围的缩短对数周期天线和用于200- 1000-Mhz范围的双对数周期天线阵列(图17)。两个天线可以安装在一个定位器上,允许天线的远程极化和倾斜从10到-45度。
这种解决方案更适合于大于9米高度的房间。在较小的腔室中,共振行为在20到30 MHz的范围内被激发。根据上述数据,在距离天线尖端3米处,可以产生36v /m的功率,功率不超过3kw。
推荐天线概述
表2给出了本文档中推荐的天线和可选解决方案的概述。95/54 EC解决方案需要两个设备控制器。对于双脊喇叭和具有高功率巴伦的双锥型天线,还需要两个器件控制器来控制这两个定位器。
结论
本文介绍了汽车EMC测试的推荐天线解决方案,以满足最重要的国际标准的要求。
参考文献
- 汽车工程师学会(SAE)地面车辆电磁兼容性(EMC)标准手册。美国汽车工程师协会Warrendale, PA。1999.
- MIL-STD 461E,“子系统和设备电磁干扰特性控制要求”。国防部。1999年8月。
- C. Burns, P. Leuchtmann, R. Vahldieck。1- 18ghz宽带双脊喇叭天线的分析与仿真《IEEE电磁兼容性汇刊》第45卷第1期。2003年2月。则高达55 -页。
- 诉Rodriguez-Pereyra。“新型宽带EMC双脊导向喇叭天线。”射频设计。2004年5月。44-50页。
- 诉罗德里格斯。“一种新型宽带双脊导喇叭与改进的辐射模式电磁兼容性测试。第16届国际电磁兼容苏黎世研讨会。瑞士苏黎世。2005年2月。
韦森特RODRIGUEZ-PEREYRA1994年,他在密西西比大学获得学士学位。1994年秋天,他加入了密西西比大学电气工程系,担任研究助理。他参与了有关减少高速数字电路串扰的项目,作为陆军研究办公室拨款的一部分,并在天线分析中使用有限差分时域技术。在此期间,他分别于1996年和1999年完成了工程科学领域的理学硕士和博士学位,重点是电磁理论。1999年8月,Rodriguez博士加入Texas A&M University- kingsville(原Texas A&I University)电气工程和计算机科学系,担任访问助理教授。2000年6月,Rodriguez博士离开学术界,加入EMC Test Systems(现为ETS-Lindgren),担任射频和电磁工程师。2004年9月,罗德里格斯博士接管了高级首席天线设计工程师的职位,负责不同应用的新天线的开发和改进现有的天线线。
罗德里格斯博士的兴趣是电磁学的数值方法,特别是应用于天线设计和分析。自从与ETS-Lindgren合作以来,Rodriguez博士的兴趣已经扩展到在设计EMC和RF/MW吸收器时使用这些数值技术。罗德里格斯博士是20多篇出版物的作者,包括期刊和会议论文,以及书籍章节。罗德里格斯博士拥有混合动力减震器设计专利。此外,他还有一项用于EMC应用的新型双脊天线喇叭天线设计专利正在申请中。罗德里格斯博士是IEEE及其多个技术协会的成员,包括MTT和EMC协会。Rodriguez博士也是应用计算电磁学学会(ACES)的活跃成员。他是ACES期刊的副主编,也是ACES成员沟通委员会的主席。Rodriguez博士曾担任the ACES Journal和Journal of Electromagnetic Waves and Applications的审稿人。他在2003年ACES研讨会期间共同主持了一次会议,并在2002年和2004年IEEE EMC国际研讨会期间共同主持了一次研讨会。