機車低頻電磁耐受測試用傳輸線系統之分析與設計 ·...

機車低頻電磁耐受測試用傳輸線系統之分析與設計

林彥呈1＊、林漢年 2、黃柏勳 2

1財團法人車輛研究測試中心工程師

2大葉大學電信工程研究所教授、學生

E-mail：[email protected] 電話:04-7811222 ext.3315

摘要

車輛研究測試中心(以下簡稱 ARTC)目前所建置的實驗室在整車電磁輻射耐

受方面已完成 20MHz～1GHz 頻段的建置，使用的場強發射測試設備為對數周期型陣列天線。但是在 ISO 11451 標準所要求的更低頻段（100kHz～20MHz），依照天線設計理論要天線激發出電磁效應時，天線尺寸大小將過大而無法使用於目

前的設施中，且低頻段時，輻射效率過低將會浪費掉昂貴的大功率輸出。本研究

以下將依照 ISO 11451-2 的要求設計傳輸線系統。本研究利用馬克斯威爾方程式、傳輸線之基本理論以及利用有限元素法

(FEM)為基本架構之數值模擬軟體 HFSS(HIGH FREQUENCY STRUCTURE SIMULATOR)分析電磁耐受測試設備-傳輸線系統(TRANSMISSION LINE SYSTEM , TLS)中之電磁場分佈方式，接著求出系統所要求之操作頻率下，各種金屬結構所存在的電磁模態，然後加以進行設計與模擬；從模擬分析所獲得之數

據並考慮實際可能發生之效應進一步改良其結構，進而實際實現整體實驗設施，

已使得 ARTC EMC 實驗室於執行機車整車輻射耐受試驗時期試驗頻率能擴展至100kHz-1GHz。關鍵字 — 電磁相容(EMC)、電磁耐受(EMS)、數值分析(NUMERICAL ANALYSIS)、傳輸線系統(TRANSMISSION LINE SYSTEM)

前言

近年來由於資訊爆炸，行動多媒體的應用已經逐漸侵入車輛工業，各種行動

式通訊資料連結設備逐漸使用於車上系統以及考慮行車安全的考量上，各式各樣

的電裝設備如：車用電腦晶片、車用雷達、GPS 車用衛星定位系統、電子式控制器以及行車安全感監測器…等，逐漸依照消費市場的需求一一裝設於車輛之

中；同時，因為對資訊娛樂需求的增加，也使得車輛必須整合裝設更多的天線系

統，以便獲取更完整豐富的廣播與通信服務，而使得原本單純機械式傳動結構的

車輛，在其內部狹隘的乘座空間內裝設如此多種類的電裝設備，致使其內部所產

生的電磁環境更顯得複雜且混亂，為避免造成電裝設備間相互干擾影響造成功能

失效的情況，而發生行車安全上的問題；因此國際間相關組織開始針對資訊、電

子產品等車裝設備制定相關的電磁相容(EMC)法規如：ECE/R10、97/27/EC…等。電磁相容性設計已經變成全球亟需解決和防範的議題，而與設計和防制技術息息

相關的便是測試設施。其中電磁相容的測試規範中可分為電磁干擾(EMI)和電磁耐受(EMS)等兩大測試項目，而車輛研究測試中心(以下簡稱 ARTC)目前所建置的實驗室在整車電磁輻射耐受方面已完成 20MHz～1GHz 頻段的建置，使用的場強發射測試設備為對數周期型陣列天線。但是在標準所要求的更低頻段（100kHz～20MHz），依照天線設計理論要天線激發出電磁效應時，天線尺寸大小將過大而無法使用於目前的設施中，且低頻段時輻射效率過低將會浪費掉昂貴的大功率

輸出，另外在實際應用時要達到一定範圍內產生均勻的電磁場以及考量實驗室空

間來說亦不符合目前實驗室尺寸空間所允許。故目前需改變測試設備類型以持續

強化建置電磁耐受方面的測試能量，使得 ARTC 的電磁相容測試實驗室能夠更加完備。

研究方法

傳統上傳輸線通常以兩條等長且平行的導線表示，原因是傳遞 TEM 波的傳

輸線一定至少要有兩個導體。而在產生傳輸線的效應之下，一段的金屬導線必須

考慮到其內部所發生的電阻、電導、電抗和電納所帶來的相對應關係。本研究中

所建構之傳輸線系統是以自行設計的金屬結構為一層導線，而以半電波暗室之金

屬接地平面為第二層導線，並且是當作固定的接地平面，並以空氣係數為導體中

的介質參數。吾人在此系統之中最主要是要獲得此系統所激發出之電場，故於此

將利用基本的傳輸線理論推導出電磁場傳播數學方程式，以證明利用基本傳輸線

理論是足以激發出電場效應的。而在傳輸線效應下所激發出之 TEM 模態的電磁場分怖，電場與兩平行金屬導體的距離以及量測點所呈現的電壓分佈有關，底下

數學式即表示出其相對應關係：[1]

( ) ( )h

dVdE −= (1)

上式中， h為上層導線面距離接地平面的高度。為計算出 ( )dV 的關係表示式，首先掌握初始的電壓分配率，並利用下圖 1 之等效電路模型加以進行分析。

( )ins

ins ZZ

ZVV

+=0 (2)

其中 inZ 可利用傳輸線輸入阻抗轉換公式求得：

ljZZljZZ

ZZL

Lin β

βtantan

0

00 +

+= (3)

上式中： l ：由負載端算起之傳輸線線長 0Z ：傳輸線的特徵阻抗 LZ ：負載端的阻抗

λπβ 2= ：相位常數

此時 ( )dV 為利用初始電壓 ( )0V 的入射波和反射波在 ld = 處所組成的電壓分怖狀態。

( ) ( ) ( )djvdjlj eeeVdV βββ −− Γ+= 0 (4) 其中： vΓ 為此時傳輸線系統之電壓反射係數。

rjv

L

Lv eZZ

ZZ θΓ=−+

=Γ0

0 (5)

而由(4)式可求得：

( ) ( )lj

veVV

β2100−Γ+

= (6)

整合(1)(2)(4)式可求出傳輸線系統所激發出之電場，其數學示如下：

( ) ( )( )( )ljvljins

djv

djins

eeZZheeZV

dEββ

ββ

−

−

Γ++

Γ+−=

圖 1、TLS 之等效電路模型

對於平行於 z 軸，任意截面的傳輸線，其波模特性將由橫截面的金屬邊界決定。假設整個結構在橫截面是均勻的，並且在 z 軸方向無限延伸，所有的金屬假設為理想導體。以下將討論存在於傳輸線系統下一些特殊的波模。[3] A. TEM 波

TEM 波之定義為 0== zz HE 。當傳輸線有兩個以上之導體時，TEM 波就可以存在。電磁耐受(EMS)測試中假設的平面波在傳輸方向沒有電磁場分量，因此也屬於 TEM 波的一種。TEM 波的波阻抗可由橫向的電場與磁場比值定義:

ηεμ

βωμ

====y

xTEM H

EZ (8)

上式中，特性阻抗直接建立傳輸線上電壓與電流間的關係，不僅與傳輸線的幾何

形狀，也與傳輸線內的介電材質有關。

B. TE 波

橫向電場(TE)波之定義為 0=zE 且 0≠zH 。而 TE 波之波阻抗為：

βη

βωμ k

HE

HE

Zx

y

y

xTE ==

−== (9)

其中 λπμεω 2==k 為傳輸線內介質之波數。由上式中可以很容易看出波阻抗為

頻率的函數，當它存在於傳輸線系統中時，便是所謂的高階模態，會使得系統效

能變差。

C. TM 波

橫向磁場(TM)波之定義為 0=zH 且 0≠zE 。而 TM 波之波阻抗為：

kHE

HE

Zx

y

y

xTM

βηωεβ

==−

== (10)

其中 λπμεω 2==k 為傳輸線內介質之波數。由上式中可以很容易看出波阻抗為

頻率的函數，當它存在於傳輸線系統中時，便是所謂的高階模態，同樣也會使得

系統效能變差。本研究之傳輸線系統結構為平行導電板的架構。假設此系統的寬度為 w、兩

金屬板的距離為 d (對於垂直極化的電場而言，下層的金屬板即為實驗室內半電波暗室的接地面，而距離 d 即為上層金屬板離地的高度；對於水平極化的電場而言，兩金屬板則呈現垂直於接地面的直立方式)，如此便可以利用傳輸線的理論分析，求出其等效電路模型的相關參數(電感 L、電容 C、電阻 R、電導 G)，再藉其求出傳輸線系統的特性阻抗。

對於平行導電板結構的傳輸線，其等效電路模型的相關參數得到如下:[5]

dwG

wR

R

dwC

wdL

s''

'

2

ωε

εμ

==

== (11)

其中s

sR σδ1= 為金屬導體的表面電阻， 'ε 與 ''ε 則分別為複數介質常數

( )δεεεε tan1'''' jj −=−= 的實部與虛部； δtan 為損耗正切。由於本研究所設計之系統是針對低頻段(100 kHz~20MHz)的耐受場強測

試，所以系統的電氣長度相對而言便很短，因此傳輸線系統的損耗性甚低，甚至

可以忽略不計，則其特性阻抗的公式可簡化為：

CLZ =0 (12)

依據上述的傳輸線設計參數，令傳輸線系統之兩金屬板距離為 d(此為軸向位置的參數)、金屬板的寬度為 w(此亦為軸向位置的參數)，由於兩金屬板間測試區域內的介質為空氣，而且金屬所將採用的材質為鋁板(厚度約 3mm)，因此由上述理論中推導的傳輸線參數可獲得以下 TLS 實體成品之設計參數：

dw

Cw

dL 00

εμ==

( )Ω×==⇒ 377 Z0 wd

CL (13)

由於本研究之傳輸線系統其饋入信號源阻抗與負載端阻抗皆為 50Ω，因此於此情形下，TLS 之機械結構尺寸將有如下之關係：

54.71

≅wd (14)

由上述(11)~(14)式之設計參數，並依據測試標準規範 ISO 11451-2 及 ECE

Regulation No.10 對場強產生裝置(此處為傳輸線系統)的要求，吾人可以設計出傳輸線系統之機械結構。其機械架構圖如下所示：

圖 2、傳輸線系統機械結構上視圖

圖 3、傳輸線系統機械結構側視圖_1

圖 4、傳輸線系統機械結構側視圖_2 根據上述傳輸線系統之機械架構，吾人利用高頻結構模擬軟體 HFSS 加以進

行模擬及分析其特性，以下為此次模擬分析之結果：

圖 5、傳輸線系統之 S11

圖 6、傳輸線系統之 S21

圖 7、傳輸線系統電場分怖 3D 立體圖(無加側板做補償)

圖 8、傳輸線系統電場分怖 3D 立體圖(有加側板做補償)

圖 9、傳輸線系統中電場強度分怖之比較

結果與討論

進行量測時，是先將帶線型天線安裝設置於一 9m×6m×6m 半電波暗室裡，如圖 11。之後利用全向性場強探針(Isotropic Field Probe)與相關的測試儀器設備(如下表一) ，在 TLS 的測試區域內來量測垂直和水平極化的電場強度。本論文所採用測試方法為替代法，其規定於待測件實際擺放進去執行測試之前，場強位

準必須先執行校驗。場均勻度校驗的方法為先找一參考點(reference point)，依照測試規範 ISO 或 ECE/R10 所規定此點為距離輪軸 20cm、距接地面 1m 高處。ECE/R10 對於場均勻度之要求為在距參考點前後 75cm 處所量測到的場強值在80%的測試頻率點不得低於在參考點所量測到的場強位準的 50%。由圖 13、14 可

知其場均勻度均符合測試規範的要求。而在參考點左右 50cm 處，本研究亦設置C 和 D 兩組量測點，用來測量整體 TLS 結構其場強等位面分布情形。由圖 15、16 可得知，在 TLS 結構橫切面下，其場強具有一穩定且均勻性之效果，與圖 8利用 HFSS 模擬場強均勻分布特性具有一致性。

圖 10、參考點與校正點

表 1、量測實驗所使用之儀器設備

設備名稱型號製造公司

全向性場強探針 FP5000 Amplifier Research

場強監控系統 FM5004 Amplifier Research

2500W 功率放大器 2500A250 Amplifier Research

信號產生器 SML01 Rohde &. Schwarz

EMS 測試軟體 EMS-K1 Rohde &. Schwarz

負載阻抗 8890-300 Bird Electronic Corporation

接頭 BN 809304 13/30

female Spinner

圖 11、帶線型天線架設於半電波暗室之實體圖

0

20

40

60

80

100

120

140

150

Immunity Level [V/m]

100k 200k300k 500k 1M 2M 3M 4M 6M 10M 20MFrequency [Hz]

Marker: 20 MHz 100.5 V/m

圖12、帶線型天線於參考點預定激發100V/m之垂直極化場強試驗(100k-20MHz)

0

20

40

60

80

100

120

140

150



Marker: 20 MHz 101.967209 V/m

圖 13、於 A 位置所量測到之垂直極化電場值(有側板)

0

20

40

60

80

100

120



Marker: 20 MHz 101.265272 V/m

圖 14、於 B 位置所量測到之垂直極化電場值(有側板)

0

20

40

60

80

100

120



Marker: 606.199 kHz 101.6 V/m

MES Immunity Level MES Imm. Lev. Meas. LIM *Imm Shape dsp*

圖 15、於 C 位置所量測到之垂直極化電場值(有側板)

0

20

40

60

80

100

120

140

150




MES Immunity Level MES Imm. Lev. Meas. LIM *Imm Shape dsp*

圖 16、於 D 位置所量測到之垂直極化電場值(有側板)

圖 17、帶線型天線水平極化電場校驗架設全貌

圖 18、帶線型天線水平極化電場校驗場強探針擺放位置

0

20

40

60

80

100



Marker: 20 MHz 51 V/m

MES Immunity Level LIM *Imm Shape dsp*

圖 19、於參考點位置預定激發水平極化電場場強 50V/m

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Imm. Lev. Meas. [V/m]

100k 200k300k 500k 1M 2M 3M 4M5M 7M 10M 20MFrequency [Hz]

Marker: 100 kHz 53.8 V/m

MES Imm. Lev. Meas. MES Immunity Level

圖 20、於 A 位置所量測到之水平極化電場值

0

20

40

60

80

100

Imm. Lev. Meas. [V/m]



MES Imm. Lev. Meas. MES Immunity Level

圖 21、於 B 位置所量測到之水平極化電場值

1

2

3

4

5

VSWR

100k 200k300k 500k 1M 2M 3M 4M 5M 7M 10M 20MFrequency [Hz]

Marker: 20 MHz 3.332769015

圖 22、帶線型天線於 100k-20MHz 頻段內之 VSWR 值變化情形

結論

1.本研究成功的開發ㄧ種加裝在 TLS 天線上可抑制邊緣場強效應的側板。

而對於一欲用在執行電磁耐受性測試之激發天線，吾人最在意其是否能順利地激

發出場強，由圖 22 觀察得知並非在所有的頻段都匹配良好，但可以藉由功率放

大器提供較高的功率輸出以達到要求。

2.由實際量測數據觀察得知，吾人所設計之帶線型天線在 100kHz~20MHz 之

頻段，無論在垂直或水平極化測試上，最少皆能激發出 50V/m 的電場值，如圖

12(垂直)和 19(水平)。此成果已可符合當初設計之目標，以 TLS 天線取代傳統

對數週期天線之架構，使得實驗室整車測試頻段能擴展 100kHz。

3.整體 TLS 天線架構在穩定激發出 50V/m 場強後，經量測其場均勻度，皆能

符合測試規範的要求，如圖 13、14(垂直)和圖 20、21(水平)，使得此架構能真

正運用於法規等商業性測試，並可藉此測試數據證明 TLS 天線架構具有初步商品

化之基礎。

參考文獻

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High Frequency in a EC/95/54 150mm Stripline”, York EMC 2000, 10-11 July

2000

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