汽车电子设计连接汽车广场新需求

克里斯·安德森, CTO, 陶格斯 (Taoglas). 在功能条 无线, 设计 & 研发杂志, 卷. 25, 没有. 5

未来的汽车连接将有比以往更多的选择, 扩大超出基本信息娱乐和导航系统提供的安全功能的最新, < X < (在-nottoo遥远的未来) 自动驾驶. 更多的传感器和天线的需求,提供高带宽, 低延迟连接是看似与汽车制造商,更少的电缆和连接器的另一要求,即引起赔率的噪音和振动, 而被复杂和昂贵的安装. 在今天的互联汽车, 天线和电子设备越来越多地被迫在更靠近. 这是什么意思为设计工程师?

对于现代汽车, 电子代表多一点 30 车辆总费用的百分比, 而这一比例预计将上升. 越电子车辆部署, 对电力的更大需求, 系统组件, 并需要互联的系统组件. 电子连接 (是它的电源或控制线束), 数字通信连接, 或射频 (RF) 接口增加了复杂性, 成本, 和重量.

汽车设计者花费相当大的精力,以尽量减少这些因素. 消费者预期是这样的,即使基本型号的车辆,现在预计将有喜欢通过蓝牙智能电话连接功能, 娱乐, 安全系统,如事件数据记录或欧洲的eCall. 于是, 显著设计工作都在这个区域时都会要求所有车型. 旧车处理像电动车窗和座椅方面的权力和控制的需求, 使用非常复杂的分立布线系统. 它们的重量和成本保持在高档汽车这些功能.

博世创造了控制器局域网 (能够) 公交车在中- 1980s到解决这些问题. 今天, CAN允许电力和通信使用更简单,更便宜的连接器和接线. 一些新车的功能,如娱乐中心, 相机, 和蜂窝/互联网连接, 使用USB和以太网的变化. 然而, 这些都不解决需要奔波汽车无线电信号. GNSS接收机, eCall的蜂窝无线, SiriusXM接收器, 新的DSRC无线电 (对于交谈其他车辆和路边基础设施), 维护蜂窝无线电, 遥控无钥匙进入无线电, 和轮胎压力监测系统接收器都需要RF电缆, 连接器, 和天线.

 

策略高雅

在简化车辆互连的第一步是使用一个多点数字数据总线来代替离散的电线. 下一个重要步骤是巩固功能于电子集群. 这通常包括如GPS或蜂窝无线电系统的无线电通信设备. 一个折衷是如何有问题的无线电天线通常需要在其他地方进行远程安装在车上的适当的辐射图样以无线链路的另一端进行通信. GNSS或SiriusXM显然需要天空的清晰视图以查看卫星, 而蜂窝天线需要地平线的清晰视野.

这是物理学开始使问题复杂化. 围绕从无线电和天线汽车运行的射频信号通常与同轴传输线的电缆来完成. 更薄,更轻的电缆, 他们变得更便宜,更灵活. 不幸, 这也意味着牺牲性能和引入更多的信号损耗, 其正比于所述电缆的两个频率和长度.

在全球导航卫星系统的情况下,, 这种情况下使用有源天线可以很容易地解决. GNSS天线包含接收滤波器和低噪声放大器 (LNA), 这是由一个DC电压经由同轴电缆供电. 这消除了同轴电缆损耗和有助于保持最佳性能. 虽然这是正常的做法GNSS和SiriusXM只接收系统, 该方法是越来越困难与是双向的,并且还发送无线电系统做, 例如,蜂窝式, WiFi, 和蓝牙.

所述过滤器和LNA加入到仅接收无线电是在接收器已经部分复制.

在这种情况下, 他们是在如果同轴电缆损失足够低,需要以何种一个额外的费用. 对于发送无线电, 然而, 这种解决方案将需要发送和接收滤波器, 发射功率放大器有问题的信号足够大, 接收LNA, 一对RF开关的, 供电系统, 和专用的发射/从远程无线接收控制信号.

这个, 反过来, 将需要无线电之间的同轴电缆, 其有源天线, 并且还控制信号电缆. 正如GNSS, 这一切都已经内置到蜂窝无线, 所以这是一个很大的额外费用和复杂性,以减轻同轴电缆损失. 因此, 这是非常难得一见的有源天线蜂窝系统,因为增加的成本. 处理蜂窝或其他发射无线电同轴电缆损失的蛮力方法通常是用更低的损耗, 更高质量的同轴电缆作为传输线. 有取舍, 然而, 在性能更高的同轴电缆厚, 较重, 较硬, 和昂贵的.

天线的未来

潮流协同定位的无线电装置和它们的天线只会继续, 为代价, 重量, 复杂, 和射频性能好处远远大于增加的设计和开发的复杂性. 在某些情况下,, 然而, 作为额外的天线被添加, 需要天线之间存在一定的最小间隔. 这很可能是最天线推入车内的单个区域. 它也将需要一个天线展开面积将占用更多的空间. 这里有一个例子是,需要有四个蜂窝天线, GNSS, DSRC, SiriusXM, 和两个WiFi天线都设在一个机箱上的车顶. 汽车设计师不太可能接受400毫米直径的穹顶,这将是这个最佳规模的解决方案, 所以很多的努力将进入了解协同定位所有这些天线的复杂的相互作用,并使用它们的无线电. 一些天线公司已经在做这种产品在其它市场. 虽然这将是很好得到所有的汽车天线集成到单个封装, 天线一些较小的数量将仍然需要从与同轴电缆主天线簇位于远; 例如, 用于目标检测的雷达天线, 因为它们的大小和共同需要有他们两个的接收分集. 另一个例子是需要在物理上分离,以确保最大MIMO吞吐量性能蜂窝天线. 即使在这种情况下,, 这是最有可能有问题的无线电设备仍然会得到集成到TCU型解决方案和天线的位置约束到的地方,保持同轴短期运行. 从长期来看, 这将是有意义的创造FM广播电台的数字接口标准, GNSS, 和其他无线电,使得无线电设备能够直接与它们的天线集成. 这将允许那些在无线电和天线单元周围的任何地方车辆设计者必须把他们线与广播的性能需求,同时也尽量减少使用同轴电缆和RF互连的地方的车分布. 的连接将被限制到高速数字数据和功率, 和成本较低的电缆和连接器,其涉及. 这已经在讨论的一个趋势运行的电力和通信在同一条线路. 历史上在车辆中的电力系统被看作是如此嘈杂,为了在相同的导线作任何尝试在通信将是非常不可靠. 使用新的数字扩频通信技术, 可行的解决方案已经创建,可能有一天允许车辆系统的互联,只有两个甚至一个线(小号).

去那里的天线

由于无线电系统的汽车数量增长, 到同轴电缆问题更好的整体解决方案是简单地找到收音机非常接近它们的天线. 这导致在无线电移动成组合电子器件封装. 中的一个例子被称为信息系统控制单元 (TCU). TCU处于然后物理上位于天线附近, 无论他们放置在车辆.

这有很多的影响:

  1. 所使用从无线电到天线去同轴电缆的更长距离的现在有效地与TCU和汽车系统的其余部分之间的廉价数字通信线路所取代.
  2. 不再需要的有源天线,因为无线电和天线之间的传输线是如此之短, 他们的损失可以忽略不计.
  3. 天线都需要在大约汽车的同一区域, 或上述好处都将丢失.
  4. 共定位无线电天线产生了对必须围绕精心设计的无线系统之间的干扰的可能性更大. 当天线分别相距较远, 这个问题可能常常被忽略.
  5. 共同定位接近它们的天线的无线电电子创造了从那些电子射频辐射更多的机会与无线电接收性能干扰. 这需要额外的设计工作和测试.

TCU电子和天线的这种协同定位也产生了对新的RF互连. 虽然使用小, 短同轴电缆连接TCU无线电设备和天线是一个明显的解决方案, 所有这些连接器是潜在的长期的故障点. 当可以有多达八个或 10 哄TCU和它的天线系统之间的连接, 也有潜在的组装错误和组装劳动力成本不平凡的量.

大多数RF连接器系统没有改变几十年来. 这是罕见的具有八个阵列连接到 10 RF在一个小的物理空间的两个电子板之间馈送. 因此, 再也没有出现过很多的产品,以满足这方面的需要, 尤其是在低价, 高密度, highvibration环境. 大多数这些接口仍然不常用的现成的专有定制的解决方案. 由于这样的RF连接器和接口的两侧是特定于产品与它们正在被部署, 有一个互连标准没有必要开车. 此应用程序的通用解决方案是用于连接器和天线公司研究当前点,以便未来的产品可以简单地重复使用已知的良好解决方案.

一个调查的最有趣的领域之一是利用传导的弹性体材料的选择性轴的与什么样子橡胶的简单层创建PCB板对板互连. 有要解决的仍然显著问题, 如插入损耗, 隔离, 和串扰, 但这个概念看起来很有希望.

的状态的最先进的布线中的汽车电子对焦在车辆最小化所有的电缆的数量和长度. 这导致了电子的整合与在车上相似的物理需求的软件包. 在汽车布线的未来将继续推向更高速度的数据总线和减少互连比功率和数据等. 这一切都密谋车辆电子系统的设计和测试,以进一步复杂化. 这额外的复杂性凸显了有经验的专家合作伙伴的需求,当涉及到像无线电电子和天线特色.

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