电磁混响室是一个电大尺寸的高谐振腔体，利用搅拌器的转动在腔体内可形成统计均匀、各向同性和随机极化的电磁环境^[1-3]。和微波暗室相比，电磁混响室不必使用昂贵的吸波材料，造价低廉且工作区域大，在同等场强下，能模拟更复杂的电磁环境，测试评估更全面。随着ISO 11452-11^[4]、ISO 11451-5:2023^[5]、PSA-B21-7110^[6]等整车及车载零部件混响室辐射抗扰度测试标准的发布，电磁混响室已广泛应用于电磁兼容测试^[7-8]中，但是涉及到的输入信号种类有限。在车辆行驶的实际道路场景中，如闹市区、隧道内部、通信基站附近等，电磁环境辐射源种类较多，各类信号调制方式及辐射强度各异，这些信号相互叠加耦合后，可对车辆电子设备或系统的性能造成严重影响^[9]，而现有的标准无法构建实际道路场景中的复杂电磁信号，从而造成车辆在电磁混响室内通过标准规定的辐射抗扰度测试后，在实际场景中仍会发生由电磁兼容性问题引起的车辆故障，车辆面临的电磁风险安全进一步增加。

目前已经形成了较为成熟的半电波暗室复杂电磁环境构建及测试技术，对于车辆电磁环境适应性能提升具有重要的推动作用，但由于暗室的固有特性，无法模拟空间均匀、随机极化的电磁环境特征。基于上述情况，研究基于混响室的车辆复杂电磁环境适应性研究，对于提高整车在复杂电磁环境下的可靠性具有重要意义。本文搭建了复杂电磁环境采集系统，利用IQ数据记录系统，对不同地点、不同场景、不同时间的电磁环境进行了采集，建立覆盖9个城市50⁺车辆运行典型场景电磁环境数据库^[10-11]。依托复杂电磁环境数据库，搭建了基于混响室的复杂电磁环境回放系统，提出了车辆复杂电磁环境适应性试验的场强标定和辐射抗扰度测试方案，并进行了整车辐射抗扰度测试验证。

1.   基于混响室的复杂电磁环境回放系统

基于混响室的复杂电磁环境回放系统由信号发射装置、功率放大器、混响室、定向耦合器、频谱分析仪、天线和探头构成，其中信号发射装置包括I/Q数据记录设备及信号发生器，主要用于将数据记录装置中的数据转化成射频信号输出，功率放大器主要用于信号功率的放大，频谱分析仪主要用于接收信号的分析及测试^[9]，如图1所示。

图  1  基于混响室的复杂电磁环境系统

Figure  1.  Typical configuration of the system based on complex EM signals in an RC

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系统搭建后，需要对混响室内的实际接收信号进行统计分析，以验证接收样本的准确性。根据中心极限定理，混响室内部的场随机叠加，电场分量的实部${E}_{x\mathrm{r}}$和虚部${E}_{x\mathrm{i}}$都服从正态分布，其概率密度函数（Probability Density Function, PDF）为

式中：$\sigma$为标准差。因为${E}_{x\mathrm{r}}$和${E}_{x\mathrm{i}}$是互相独立的并且都服从正态分布，电场的幅度$\left|{E}_{x}\right|$服从两个自由度的卡方分布（瑞利分布），概率密度函数为

电场幅值的二次方（功率）则服从指数分布。假设${X}_{1}$、${X}_{2}$、…、${X}_{m}$是测量的功率值，其服从指数分布，概率密度函数的表达式为

式中：${P}_{\mathrm{r}}$为接收功率，期望值和标准差为$\;{ \mu }_{x}$。

当信号具有一定的带宽时，测量的功率样本为从不同频率的功率样本进行叠加，这个过程可视为频率搅拌。假设复杂信号在测量带宽中有L个独立样本（$L\approx {W}_{\mathrm{B}}/\mathrm{\Delta }f$，其中W_B是复杂信号的带宽，$\Delta f$为平均模带宽），M个独立样本的接收功率${W}_{1}$、${W}_{2}$、…、${W}_{m}$为

式中：${X}_{m,i}$为$f\left(i\right)$下的接收功率，${X}_{m,i}$服从指数分布。因此，宽带信号的功率的概率密度函数服从伽玛分布，其表达式为^[12]

式中：期望值为$L\mu_W$，标准差为$\; \mu_W\sqrt{L}$。${\mathit{\Gamma}} (\cdot )$是伽玛函数，其表达式为${\mathit{\Gamma}} \left(x\right)={\displaystyle\int }_{0}^{\mathrm{\infty }}{\mathrm{e}}^{-t}{t}^{x-1}\mathrm{d}t$，${\left\langle{\cdot }\right\rangle}_{M}$对M个独立样本的取平均值。由于频率搅拌的作用，与窄带信号的相对标准差$1/\sqrt{M}$相比，宽带信号功率的相对标准差变为$1/\sqrt{ML}$，不确定度更小。

根据中心极限定理（Central Limit Theorem, CLT），若复杂信号的带宽足够宽，即远远大于混响室的相关带宽时，接收功率样本则趋向于正态分布。

图2（a）展示了DVB环境模拟信号归一化发射频谱，图2（b）展示了典型搅拌位置下的接收频谱和60个搅拌位置下的平均接收频谱。将测试功率样本基于均值归一化后，给出了测试样本和理论的累积分布函数（Cumulative Distribution Function, CDF）曲线，如图2（c）所示。由图2（b）所示，由于复杂信号具有一定的带宽，使用伽玛分布和正态分布分别对接收功率样本进行拟合。由图2（c）可以看出测量结果和理论值之间实现了良好的一致性。相对标准差为$1/\sqrt{ML}$，其中M为不同搅拌位置的数量，L为测试带宽内的独立样本数量，针对本次测试，$L\approx 35$，$M=60$，相对标准差约为$2.2\mathrm{{\text{%}}}$。

图  2  DVB环境模拟信号的归一化频谱图、接收频谱图及CDF曲线图

Figure  2.  Normalized power spectrum, received power spectra and CDF graph of DVB signal

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宽带信号的功率具有较小的标准偏差，由此，混响室中复杂宽带信号的校准实际上变得更容易，不确定度更小，收敛更快。

2.   辐射抗扰度测试方法

2.1   场强标定

试验信号采用录播信号和环境模拟信号两类复杂电磁信号。环境模拟信号是根据无线电业务的参数拟合形成的信号，频域特性贴近实际无线电信号。录播信号是在道路电磁环境中采集得到的信号，基于频谱仪的下变频及正交采样功能，将射频信号转化为数字信号存储^[9]，该类信号具有宽窄带信号共存、调制方式多样、场强随时间变化等特点。对录播信号或环境模拟信号两类复杂电磁信号进行激励前，可以用连续波信号对电磁混响室内部的峰值场强进行标定，以保证试验信号的峰值信道功率与CW信号的峰值信道功率一致。

一般可利用基于电场探头^[7]、接收功率^[4]和腔体品质因数（简称Q值）^[13]三种方法，使用CW信号来标定电磁混响室的电场峰值。三种方法在原理上是等效的，但标定效率不同，不确定度也不同^[14]。也可以基于接收功率，用录播信号或环境模拟信号标定混响室内部峰值场强。

设置信号发生装置输出录播信号或环境模拟信号，用功率计或数据记录仪记录混响室内部的峰值信道功率并计算峰值归一化场强。值得注意的是，与暗室不同，混响室内部的峰值场强期望值与搅拌器的搅拌次数有关，当搅拌次数发生变化时，需要通过场强峰均比换算^[7]，或重新校准。同时，当腔体内部加载发生变化时，建议对峰值场强进行重新标定，或通过混响室加载因子^[7]进行补偿。

例如：针对连续波，文中采用了腔体Q值法标定混响室的电场峰值场强，测试场景如图3（a）所示，将待测车辆放置在混响室的工作区域内，发射天线与接收天线分别与矢量网络分析仪的两个端口相连接，通过搅拌器的转动获取12个样本。设置的频率范围为50 MHz～1 GHz，20 001个频点（发射天线和接收天线均为对数周期天线）。通过对前向功率的归一化，可以得到混响室中搅拌后的峰值归一化场强${E}_{\mathrm{R}\mathrm{C}}$，如图3（b）所示。在240 MHz时，归一化峰值场强${E}_{\mathrm{R}\mathrm{C}}$为7.41 $\mathrm{V}/\mathrm{m}$。

图  3  基于腔体Q值标定加载混响室测试示意图及归一化加载混响室峰值场强（搅拌桨位置N=12）

Figure  3.  Measurement setup of field calibration in a loaded RC and the normalized peak field strength of loaded reverberation chamber with 12 stirrer positions based on Q factor method

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当环境模拟信号作为发射信号时，测试布置如图4（a）所示，接收天线与数据采集仪相连，发射天线与场发生装置、功率放大器相连，通过搅拌器的转动获取12个样本。在已知加载混响室的峰值场强后，环境模拟信号经过功率放大器后，输入到混响室的前向功率${P}_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{p}\mathrm{u}\mathrm{t}}$为2.45 W，利用式（7）在混响室内应产生的峰值场强${E}_{\text{test}}$为11.6 V/m。

图  4  基于接收功率的加载混响室场标定布置图及归一化加载混响室峰值场强（搅拌桨位置N=12）

Figure  4.  Field calibration setup of loading reverberation chamber based on received power and normalized peak field strength of loading reverberation chamber with 12 stirrer positions

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同时，利用式（8），将数据采集仪读取的接收功率${P}_{\mathrm{M}\mathrm{a}\mathrm{x}\mathrm{R}\mathrm{e}\mathrm{c}}$转换为场强值。

式中：${P}_{\mathrm{M}\mathrm{a}\mathrm{x}\mathrm{R}\mathrm{e}\mathrm{c}}$为给定采样次数下，某一天线位置或方向的最大接收功率，在这里，选取了3个天线位置；${\eta }_{\text{Rx,tot}}$为接收天线的总天线效率，本次实验使用的接收天线的天线效率在240 MHz时约为1%。环境模拟信号的场强实测值如图4（b）所示，由图可以看出，在不同的天线位置下，峰值场强不同。三个天线位置下的峰值场强分别为14.49 V/m、14.2 V/m和15.35 V/m，平均值为14.68 V/m。鉴于混响室的统计特性，在测试频段范围内，实测场强值会随着理论计算值上下波动，适当地增加测试位置可以降低其不确定度，但测试时间也会增加^[13]。

由上面结果可得，针对复杂电磁信号（录播信号和环境模拟信号），若采用连续波信号进行标定，在混响室峰值场强标定可以直接利用连续波标定的结果。针对时变包络的录播信号与环境模拟信号，可以将信号时段内信道功率峰值与达到目标场强对应的连续信号的信道功率一致；或将时变包络信号作预处理，得到包络稳定的包络信号，再与目标场强对应的连续信号的输出功率一致。例如：当连续波信号的正向功率为${P}_{\mathrm{f}}$、待测车辆处于混响室内部时，对应场强峰值为${E}_{\mathrm{R}\mathrm{C}}$。采取录播信号与环境模拟信号时，在搅拌次数不变时，如需要达到30 V/m的峰值场强，所需要的正向信道功率则为${20\mathrm{l}\mathrm{g}\left(30/{E}_{\mathrm{R}\mathrm{C}}\right)+P}_{\mathrm{f}}$。

2.2   辐射抗扰度测试

在测试过程中，将待测车辆置于待测区域，待测车辆距混响室壁在最低可用频率应至少有$\lambda /4$的距离。测试设备和电缆的位置应在测试报告中记录。需安装适当的操作模式、软件系统、测试装置和监控电路及负载。发射天线应与校准测试时的位置相同，发射天线不应直接朝向待测车辆或接收天线，建议将发射天线指向搅拌器或指向电磁混响室的某一角落，如图5所示。

图  5  混响室辐射抗扰度测试布置

Figure  5.  Measurement setup of radiated susceptibility testing in an RC based on complex signals

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混响室内产生所需场强值的输入功率${P}_{\mathrm{i}\mathrm{n}\mathrm{p}\mathrm{u}\mathrm{t}}$可由下式确定

式中：$F\left(f\right)$是腔体加载因子，是频率的函数；${E}_{\mathrm{R}\mathrm{C},\mathrm{n}\mathrm{o}\mathrm{r}\mathrm{m}}$为空载混响室校准时的归一化峰值场强的平均值。

除以上方法外，在待测件处于混响室内部时，直接通过测量腔体Q值的方法标定加载混响室的归一化峰值场强。

如试验信号为录播信号，驻留时间不应少于信号采集时间，还不包括测试设备的响应时间和搅拌器的转动时间（或发射天线位置变换所需的时间）；如试验信号为环境模拟信号，驻留时间应不小于系统响应时间，还不包括搅拌器的转动时间（发射天线位置变换所需的时间）^[14]。试验过程中的任何异常情况应进行记录。

试验过程中，应选择调谐模式进行试验。调谐位置的选择与文献[6]中附录D和文献[7]中附录D一致，调谐位置数量越多，在最大场分量95%置信区间的宽度就越小，测试不确定度也越小。如采取连续搅拌模式，需要备注连续搅拌相关设置，测试频点下场强随搅拌器变化的相关时间。连续搅拌模式下可能会因为场强的快速变化造成某些效应难以捕捉，连续搅拌模式引入的多普勒效应可能需要特殊考虑。

在每个试验信号的校准中，都要用接收天线监测和记录峰值功率${P}_{\mathrm{M}\mathrm{a}\mathrm{x}\mathrm{R}\mathrm{e}\mathrm{c}}$和均值功率${P}_{\mathrm{A}\mathrm{v}\mathrm{e}\mathrm{R}\mathrm{e}\mathrm{c}}$，以确保产生了规定的场强值和加载系数的稳定。峰值功率${P}_{\mathrm{M}\mathrm{a}\mathrm{x}\mathrm{R}\mathrm{e}\mathrm{c}}$用于计算产生的峰值电场。

3.   辐射抗扰度测试验证

利用第2节中所述方法进行混响室内车辆电磁环境适应性测试验证，如图6所示。测试信号为3 GHz、4 GHz频段的录播信号和环境模拟信号，测试车型为3个不同厂家不同品牌的车型，测试结果见表1。

图  6  辐射抗扰度测试照片

Figure  6.  Image of radiated susceptibility test in an RC based on complex signals

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表  1  不同车型的电磁环境适应性测试结果

Table  1.  Test results of different type of vehicles

test signal	vehicle model	vehicle malfunction
3 GHz recording signal	1	no abnormality
4 GHz recording signal		multimedia system malfunction
3 GHz environmental simulation signal		no abnormality
4 GHz environmental simulation signal		no abnormality
3 GHz recording signal	2	no abnormality
4 GHz recording signal		lighting system malfunction
3 GHz environmental simulation signal		no abnormality
4 GHz environmental simulation signal		no abnormality
3 GHz recording signal	3	assisted driving malfunction
4 GHz recording signal		no abnormality
3 GHz environmental simulation signal		no abnormality
4 GHz environmental simulation signal		no abnormality

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从表1中可以看出，在不同录播信号和环境模拟信号的作用下，部分车型存在电磁安全风险^[15]，原因可能来源于两方面，一方面是与测试信号波长相当或小于测试信号波长的车载电子电气模块，拾取了混响室中的测试信号并引入车辆内部，进而对车辆功能产生影响；另一方面是在干扰机制方面，混响室中测试信号的频率临近或进入车载电子电气模块的数据基带，进而造成了电磁干扰的引入。开展混响室内车辆的复杂电磁环境适应性测试验证，可以为企业进行车辆产品的电磁兼容品质评估提供了重要的研发输入。

4.   结　论

基于实际电磁环境，本文给出了车辆辐射抗干扰电磁混响室试验方法。通过采集实际电磁信号并在混响室内搭建复杂电磁信号回放系统，能够模拟出真实环境中的电磁场情况，从而更准确地评估车辆的辐射抗扰度。此外，还提出了电磁混响室的场强标定方法和辐射抗扰度测试方法，为该试验方法的实施提供了重要指导。因此，这项研究为评估车辆在复杂电磁环境中的性能提供了可靠的技术支持。