無線汽車設計愈來愈復雜。下面介紹如何解決此問題

誰能想象汽車生態系統如何演變？過去汽車只是一種簡單的運輸方式，如今演變成具有復雜的計算機系統，并且能夠將汽車自身與我們及周圍的世界連接在一起。現在，它可實現一定程度的自主駕駛，與網絡通信，并提供娛樂服務。分析師預測，這些發展趨勢日益強盛。據麥肯錫公司的報告，未來幾年，聯網汽車的數量將以每年 30% 的速度增長；到 2020 年，五分之一的汽車將接入互聯網。Strategy Analytics 預測，汽車處理和線性高級駕駛員輔助系統 (ADAS) RF 前端 (RFFE) 市場規模最大，復合年增長率 (CAGR) 達 17% (2017-2022)。

那么汽車 RF 工程師如何設計互聯汽車呢？讓我們先來看看如何克服汽車設計中的一些最大的 RF 挑戰。

當今的汽車格局：復雜的標準和挑戰生態系統

當今的汽車有很多可與世界互聯的電子器件。對于 RF 系統，這意味著隨著汽車制造商在車內放置更多的電信設備，就會出現很多 RFFE 鏈。下圖顯示了一個通用系統的示例。

汽車 RF 生態系統的變化給 RF 系統設計人員帶來了多個挑戰：

將多個支持不同標準的器件集成到汽車中，有時集成到一個模塊中

由于許多支持不同標準的器件相鄰，存在共存問題

最大限度地減少電子部件發熱

更加關注功耗，因為所有車輛設備都使用同一個電池電源

確保產品組件具有長期可靠性

并非汽車行業才有這些挑戰，可以采用與 Wi-Fi 連接性和移動設備等其他應用類似的戰略克服這些挑戰。下面是選擇汽車 RF 元件時的一些基本設計技巧：

使用高度線性的有源或前端設備。

使用能夠盡量減少 RFFE 中的插入損耗和減少總 RF 鏈路預算的組件。

關注 RFFE 的效率、電流消耗和功耗。

使用高性能 RF 濾波器，以盡量減少插入損耗、溫度漂移和干擾。

考慮使用在單個封裝中整合傳輸、接收和過濾功能的組件。

使用符合 IATF 和 IEC 行業標準的汽車應用級產品。

下面我們更深入地探討 RF 共存、集成、天線設計、熱管理、電池使用壽命和汽車可靠性的設計考量。

解決 RF 共存問題

需要流傳輸視頻的用戶希望在汽車中提供快速、可靠的服務，而在車輛內部通過網絡進行流傳輸正迅速成為標準設置。因此，在維護流媒體服務時，務必最大限度地減少共存問題并降低線路損耗。

但是，最大限度地支持無線頻段和標準之間的共存是一項艱巨的任務。如果未采用適當的濾波配置，在以下頻率可能會增加共存問題：

2.4GHz:

Wi-Fi 和蜂窩通信，如 LTE 頻段 41

Wi-Fi 和藍牙

SDARS（衛星數字音頻廣播服務）和 LTE

5GHz:

Wi-Fi 和 V2X（802.11p 和 C-V2X）

V2X 和 U-NII（未經許可的國家信息基礎設施）頻段，具體為 U-NII-3

相關博客文章：未來車聯網采用的 V2X

從 2.4 GHz 和 5 GHz 頻譜圖中可看到，在車聯網中使用無線技術的帶寬是多么擁擠。

那么，緩解這些共存問題的最佳方法是什么？一些最佳做法是在設計中使用高性能 RF 濾波器和高線性度有源器件。

濾波器可以減少無線電信號之間的帶外干擾。

共存濾波器可以減輕傳輸信號可能存在的靈敏度降低現象。

如今的車輛通信支持天線和收發器之間的許多傳輸和接收路徑，而隔離這些路徑需要使用濾波器。這些濾波器必須：

隔離共存頻段。

具有較低的插入損耗，以盡量減少傳輸功耗。

優化接收器靈敏度。

集成至關重要

移動電話行業已經從分立元件向高度集成的系統模塊過渡。隨著汽車中整合更多連接性，汽車制造商也必須隨之相應轉變。將更多的功能集成到前端模塊 (FEM) 或濾波器模塊中有助于簡化 RF 設計，如下一個框圖所示。

（額外的好處？集成正確的濾波器技術本質上有助于解決我們前面討論過的共存問題，以及熱挑戰。)

汽車工程師過去只關注 GPS 和藍牙，但現在必須針對 C-V2X 等新無線標準，以及未來的 5G 新無線電 (NR) 進行設計。設計人員必須學習以下框圖中所示的所有技術，同時將其融入汽車設計中。很有可能是使用移動電話技術作為跳板。

Qorvo 工程師創建的 RF Fusion?可幫助我們的客戶利用集成解決方案，有效地降低設計復雜性，并縮短上市時間。其中許多復雜模塊包括嵌入式濾波器，進一步降低了 RF 復雜度和總鏈路預算。

天線和 RFFE

想象一下將鯊魚鰭天線連接到電纜，然后連接到汽車其他地方（通常在儀表盤中）的低噪聲放大器 (LNA)。雖然在傳統車輛制造中使用電纜是很常見的做法，但長距離布線會導致天線和 RFFE 之間產生插入損耗（增加鏈路預算）。這也會增加 LNA 輸入端的噪聲系數 (Nf)，特別是在蜂窩和 Wi-Fi 場景中，并降低信號和接收器的靈敏度。如果天線能接收到較低的功率電平，其靈敏度就會提高。

避免這種情況的一種方式是將鯊魚鰭模塊中的天線和 RFFE 組件安裝在車頂，盡可能靠近信號輸入，并設在任何布線之前。通過靠近天線集成 RFFE，可以最大限度地減少 NF 并提高信號性能，而保持低 NF 也有助于提高接收器靈敏度。

此方法也可用于改進天線的傳輸功能。減少布線并將功率放大器 (PA) 置于最接近天線的位置將有助于減少插入損耗和功耗。如果在發送信號之前，傳輸端需要更多的電源，也可以使用鯊魚鰭模塊中的補償器放大信號，并補償電纜長度造成的損耗和鏈路預算。

熱管理

在汽車應用中，關鍵的設計挑戰之一是車內和外部環境中的熱管理。汽車產品會發熱，這種溫度升高現象會影響系統級 RF 調諧和性能。

所有無線連接和電子器件仍處在較小的汽車空間內。有限的區域內輻射熱量會增加。發熱也會影響汽車的可靠性，從而影響汽車的安全性能。

若要緩解發熱問題，需要注意以下關鍵參數：

RFFE 效率

電流消耗

功耗

設計人員可以使用一些傳導和對流冷卻的散熱方法，但這些在汽車中的作用有限。而小尺寸的產品外形使這一熱挑戰變得更加復雜。以下技術有助于解決與熱有關的 RF 問題：

使用組件制造商提供的 PC 板布局文件和評估板。您最好獲取并使用制造商的設計，因為他們的布局經過了散熱和熱效率優化。

使用隨溫度條件變化最小或沒有變化的 RF 濾波器。如下圖所示，由于溫度變化，濾波器向左或向右漂移。對于汽車系統，務必使用具有出色的溫度穩定性、低插入損耗和高品質因數的溫度補償濾波器，如 Qorvo 的 BAW 技術產品，幫助解決與熱相關的問題（以及共存）。BAW 技術的溫度穩定性比 SAW 平均高 50%。

使用高線性度前端產品。通過使用高線性度前端產品可提高 PA 效率，從而優化系統效率并減少熱量。在 RFFE 中保持最小插入損耗至關重要，特別是在運行發熱時。RFFE 性能不佳會影響整個汽車系統的電流消耗，并增加系統處理器的工作負荷。而處理器高負荷工作反過來會導致發熱，系統性能降低，并消耗車輛電池電量。

電池使用壽命

2017 年，J.D. Power 汽車可靠性研究報告指出，電池故障首次成為車主面臨的十大問題之一。據其研究結果顯示，電池是更換最頻繁的部件，與正常磨損無關。在使用了 3 年的汽車中，更換電池的比例為 6.1%，比 2016 年增加了 1.3%。他們發現，許多復雜的新型車載電子系統（如信息娛樂、智能手機連接、語音識別和無鑰門禁）消耗的電流增加，使電池使用壽命縮短。

例如用于解鎖和起動汽車的汽車遙控鑰匙。車主使用此功能是為了方便，但它會耗盡汽車電池。如果將遙控鑰匙靠近車輛或放在車內，發射器和接收器會持續通信，對車輛進行 ping 操作。測試表明，將遙控鑰匙靠近車輛，相比放在車外，電池消耗得更快。

隨著新的無線和有線技術進入汽車領域，采取以下措施來延長電池使用壽命至關重要：

使用功耗低的設備解決方案。

了解空閑和運行期間的 RFFE 功耗。

使用隨溫度條件變化最小或沒有變化的濾波器。

可靠性和長期性能

汽車電子行業為RF半導體供應商提供了穩健的收入增長前景。ADAS、電動汽車、人機界面(HMI)和互聯信息娛樂等應用領域中的創新技術正在推動半導體行業發展，汽車工程師必須使RF和其他子系統實現無縫協同工作。這些半導體還需要滿足汽車行業制定的嚴格可靠性要求。

使用商用部件而不是專用汽車應用級產品可能很有誘惑力。但是，選擇專為汽車應用而設計并且已經通過 IATF 和 IEC 認證測試的產品，有助于確保您的 RF 系統長期穩定地工作。

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前進的動力

汽車制造商正以創紀錄的速度向前發展，以滿足消費者實現移動無線連接和更強自動駕駛汽車的期待。在這一發展進程中，汽車內部和外部使用的 RF 技術也將日益重要。通過使用高度集成的 RF 組件并借助創新型智能手機技術，汽車制造商在未來開發互聯自動駕駛汽車方面將處于領先地位。

車聯網 ForDummies?

審核編輯黃昊宇