DFSS在車載電子產品輻射抗干擾測試場強校準中的應用

高 京

（上海汽車集團股份有限公司技術中心，上海 201804）

車載電子電器零件是車輛電器系統的組成部分，其在電磁環境中的抗干擾特性直接影響著在此基礎上設計的車輛電器系統的抗干擾免疫力。尤其是發動機控制單元、安全氣囊控制模塊等和安全相關的控制模塊，若其抗電磁干擾能力得不到保證，不僅影響最終客戶使用車輛的穩定性、安全性，還會影響車輛生產商的形象及經濟效益。因此，為保證電子電器零件的抗干擾能力，除了設計考慮、過程管控外，還要在設計鎖定后完成相應的電磁騷擾和抗干擾的測試。本文以設計驗證為背景，結合DFSS的方法，優化車載電子產品在電磁抗干擾測試中的方法，提升測試的場強準確度，為產品開發提供可靠的數據支持。

筆者在實際的工作中就遇到過：相同的被測試樣件在不同的測試場地，由于場強的偏差，導致最終的測試結果不一致，即其中一個測試場地的結果是合格的，另一個測試場地的測試結果是不合格的。本文結合DFSS的方法，闡述如何校準場地的場強，以達到不同測試場地，得到相同測試結果的目的。

1 DFSS簡介

DFSS(Design For Six Sigma)即六西格瑪設計，是運用一套系統化的工程技術以設計出符合六西格瑪水平的產品、流程或服務的管理制度。

DFSS一般分為I(Identify識別)、D(Design設計)、O(Optimize優化)、V(Validation驗證)4個階段。

本文重點介紹DFSS在輻射抗干擾測試中為保證測試結果一致性的優化參數選擇及實際測試應用。

2 輻射抗干擾電波暗室法測試介紹

2.1 電波暗室法

電波暗室法 (GB/T 33014.2)是指產品對連續窄帶輻射電騷擾的抗擾試驗方法，適用頻率為80～18000 MHz，根據用戶指定的頻率范圍和相應的試驗嚴酷等級對產品進行測試。

本測試使用替代法進行，使用前向功率作為替代法場強的標定和試驗的基準參數。試驗分2個階段進行：場強標定與連接上線束和外圍設備的DUT試驗。在場強標定階段確定獲得預定場強所需的射頻功率。

2.2 場強標定

用戶規定的場強 (試驗等級)應在每次試驗開始前都進行標定，標定時記錄每個試驗頻率下產生固定場強 (使用場探頭進行測量)所需的前向功率，使用未調制的正弦波進行標定。

具體的標定方法和定義均在GB/T 33014.2標準中有所描述，在此不再復述，將重點介紹運用DFSS方法，確保不同測試場地場強一致，確保不同場地進行相同DUT測試結果的一致性。

3 DFSS在抗擾測試中場強標定的案例

3.1 明確測試場地技術要求

以某款車型安裝于乘客艙的某電子系統為例。其定義的要求如下：①測試場強：100V/m；②功能判定等級：Class A。

結合測試條件，運用DFSS D階段的方法，確定測試的技術要求如下：①場強均值μ(V/m，望目)：99≤μ≤105；②場強標準差σ(望小)≤3。詳細見表1。

表1 測試場地技術要求

3.2 影響測試結果因子及優化

在輻射抗干擾測試中，影響因素分布圖如圖1所示，根據DFSS設計階段所產生的概念設計可見，影響測試結果的因素共有13個，見圖1中的各標注。

圖1 影響因素分布圖

為簡化影響因子，重新設計制作了場強探頭支架 (圖2)、1 GHz以上接收天線工裝支架 (圖3)、根據實際被測樣件制作相應的固定支架，制作天線與測試桌之間的固定夾具 (圖4)，增加天線上的水平測量儀 (圖5)，確認天線的指向性。

圖2 探頭新老支架對比

圖3 1 GHz以上接收天線工裝新舊支架對比

圖4 天線與測試桌之間的參考支架定位

圖5 增加天線水平測量儀

此外，還對各對應測試夾具和被測件用色標固定了相應的位置，以減少測試過程中此因素所帶來的不確定影響。

3.3 影響測試結果因子分析

根據GB/T 33014.2輻射抗干擾測試標準以及結合DFSS的分析，影響測試結果的因子共分為7個，其特性及指標見表2。

表2 影響測試結果因子的特性及指標

3.4 影響測試結果因子簡化

結合表2中的變量1、4、5，通過相對應的夾具進行控制 (圖2～圖4)，可認為是恒定的量，因此簡化后的因子及變量如下。

針對1GHz以下的測試，因子簡化為2個：①場強探頭的縱向位置X1：場強探頭在縱向上偏離中心點位置對測試結果的影響；②場強探頭的垂向位置X2：場強探頭在垂向上偏離中心點位置對測試結果的影響。

針對1GHz以上的測試，因子簡化為3個：①場強探頭的縱向位置Y1：場強探頭在縱向上偏離中心點位置對測試結果的影響；②場強探頭的垂向位置Y2：場強探頭在垂向上偏離中心點位置對測試結果的影響；③測試天線的垂向位置Y3：測試天線在垂向上偏離中心點位置對測試結果的影響。

3.5 測試及結果分析

3.5.1 1 GHz以下測試分析

根據3.4章節中的變量，使用2K因子法，其測試直交表為2X22+2：重復2次測試，2因子2水平，但由于不確認中心點是否有彎曲，因此再在中心點進行2次測試。為查看不同操作者對測試結果的影響，選擇2組區組，即2個不同的操作者進行相同的測試。測試矩陣和測試數據見表3。

結合Minitab軟件對測試數據平均值μ的Pareto數據分析見圖6，該數據說明場強探頭縱向因子和場強探頭垂向因子對平均值μ的貢獻不顯著 (P＞0.05)。通過對平均值μ的主效應圖分析 (圖7)，角點的效應沒有中心點的效應顯著。對平均值μ的方差分析 (圖8)，區組對所產生的方差貢獻比較大，而區組為測試人員的差異，說明需要加強對測試人員的培訓。

表3 1 GHz以下測試分析中測試矩陣和測試數據

圖6 1 GHz以下平均值μ的Pareto數據分析

圖7 1 GHz以下平均值μ的主效應圖

圖8 1 GHz以下平均值μ的方差分析

結合Minitab軟件對測試數據標準差σ的Pareto的數據分析 (圖9)，場強探頭縱向因子和場強探頭垂向因子對標準差的貢獻不顯著 (P＞0.05)，但區組的貢獻顯著 (P＜0.05)。通過對標準差σ的主效應圖分析見圖10，角點的效應沒有中心店的效應顯著。對標準差σ的方差分析 (圖11)，區組對所產生的方差貢獻比較大，而區組為測試人員的差異，說明需要加強對測試人員的培訓。

圖9 1 GHz以下標準差σ的Pareto的數據分析

圖10 1 GHz以下標準差σ的主效應圖

圖11 1 GHz以下標準差σ的方差分析

3.5.2 1 GHz以上測試分析

根據3.4章節的內容，使用2K因子法，其測試直交表為2X23+2，重復2次測試，3因子2水平，由于不確認中心點是否彎曲，因此再在中心點進行2次測試。為查看不同操作者對測試結果的影響，選擇2組區組，即2個不同的操作者進行相同的測試。1 GHz以上測試分析中測試矩陣和測試數據見表4。

結合Minitab軟件對測試數據的分析平均值μ無彎曲 (P＞0.05)，1 GHz以上平均值方差分析如圖12所示，但標準差有彎曲 (P＜0.05)，標準差方差分析如圖13所示。曲率顯著，因此應繼續采用CCD方法分析，見表5。

結合Minitab的分析曲面設計，可分別得到平均值與場強探頭垂向、縱向位置的等值線分析圖 (圖14)，以及標準差與場強探頭垂向、縱向位置的等值線分析圖 (圖15)。

表4 1 GHz以上測試分析中測試矩陣和測試數據

圖12 1 GHz以上平均值方差分析

圖13 1 GHz以上標準差方差分析

從平均值和標準差的分析等值線可以看出，數據中心向場強探頭縱向位置有偏移，平均值和標準差均如此，需要對場強探頭和天線的位置進行調整。

直接在軟件中運行響應優化器，得到最優解，響應優化最優解及合意性參數值結果見圖16。

表5 CCD方法分析法分析的測試矩陣和測試數據

圖14 平均值與場強探頭垂向、縱向位置的等值線圖

為便于制作夾具，提升可操作性，實際選擇位置及合意性參見圖17中的參數：場強探頭縱向位置2.0，場強探頭垂向位置2.5，天線垂向位置6.0，符合合意性的參數值為0.90256(大于0.85即認為滿足要求)。

3.6 結論及改進措施

3.6.1 1 GHz以下測試結論及改進措施

通過3.5.1章節中的數據分析，得到如下結論：工裝夾具對測試結果的控制效果顯著，能良好控制測試值，消除其所導致的不良影響；中心點對平均值和標準差的效應顯著；區組對平均值和標準差的貢獻比較大。

圖15 標準差與場強探頭垂向、縱向位置的等值線圖

圖16 響應優化最優解及合意性參數值

圖17 實際選擇位置及合意性參數值

針對上述結論，制定了如下解決措施：在固定工裝夾具的基礎上，選擇中心點 (場強探頭縱向位置0，垂向位置0)作為測試基準；更新或重新制定相應的操作指導書或培訓計劃，減少或消除區組 (測試人員)所產生的差異。

3.6.2 1 GHz以上測試結論及改進措施

通過3.5.2章節中的數據分析，得出如下結論：天線探頭的縱向位置應選擇在2.0，垂向位置應選擇在2.5這個點，必須制作相應的探頭支架進行支撐測試；天線垂向位置必須選擇在6.0這個點，確保能得到一致性的測試場強。

4 結束語

本文結合實際工作中所遇到的測試結果差異問題，首次采用DFSS方法對測試條件進行逐一分析，并結合Minitab分析軟件對因子影響測試結果的數據進行了分析，找到了測試過程中影響測試結果的因子，并對該因子的參數進行了優化選擇，成功解決了上海汽車集團股份有限公司在測試過程中存在的測試結果差異的問題。

在后續的測試運用過程中，該方法同樣適用，為不同試驗室間的數據對比提供了一種新的思維和分析方法，擴寬了測試行業的分析思路，但在具體的案例中需要對各因子簡化進行慎重分析，以避免忽略了重要影響因子，對測試和分析結果造成嚴重的影響。在時間和成本允許的條件下，建議全因子進行測試和分析，以找到最優的測試結果和效果。