互联汽车对车辆电子设计提出新要求 

作者:陶格斯首席技术官 Chris Anderson文章发布在《无线设计与开发》杂志第 25 卷第 5 期中

”陶格斯互联汽车天线"
未来,互联汽车将具有比以往更多的选项,不仅能提供基本的信息娱乐和导航系统,还能提供最新安全功能,并在不久的将来实现自动驾驶。要获得高带宽、低延迟连接,需要使用更多的传感器和天线,而这又与汽车制造商的另一个要求相冲突,即需要使用越来越少的电缆和连接器,因为电缆和连接器会产生噪音和振动,且安装起来又复杂,成本又高。在当今互联汽车中,天线和电子设备的安装位置又不得不越来越靠近。这对设计工程师意味着什么呢?

目前,汽车电子设备占车辆总成本 30% 以上,预计这一占比还会上升。  汽车使用的电子设备越多,所需电能越大,系统元件越多,越需要将这些系统元件互连起来。电源或控制线束的电子连接、数字通信连接、或射频(RF)接口的复杂性、成本和重量都会增加。

汽车设计师需要花费相当大的精力来减少这些因素的影响。消费者希望,即使是基本款汽车,也能有望享受通过蓝牙连接智能手机、娱乐、以及安全系统(事件数据记录仪或欧洲 eCall 等)等功能。因此,每次设计时都需在这方面执行大量的工作,所有型号都是如此。老式汽车通过非常复杂的离散布线系统来解决电动车窗和座位等方面的电源和控制需求问题。而在高档汽车中也保留了他们的重量和成本。

”互联汽车天线"

Bosch 在 20 世纪 80 年代中期创建了控制器局域网(CAN)总线来解决这些问题。今天,CAN 可通过更简单、更便宜的控制器和布线实现电源和通信。娱乐中心、摄像头、蜂窝/互联网连接等一些新的汽车功能将通过使用各种 USB 和以太网来实现。然而,这些都无法解决在汽车周围运行无线电信号的需求。GNSS 接收机、eCall 蜂窝无线电、SiriusXM 接收机、新的 DSRC 无线电(用于与其他汽车和路边基础设施通话)、维护蜂窝网无线电、远程无钥匙进入无线电、以及轮胎压力监测系统都需要使用射频电缆、连接器和天线。

优雅的策略

简化汽车内部互联的第一步是使用多点数字数据总线替代离散导线。  第二步是将功能整合到电子设备集群中。这通常包括 GPS 或蜂窝无线电系统等无线电通信设备。需要权衡的一个问题通常是如何将相关无线电天线远程安装在汽车中,以获得正确的辐射方向图,从而实现与无线电链路另一端的通信。GNSS 或 SiriusXM 必须有一个空旷的视野,以看到卫星,而蜂窝天线则需要清晰的水平视野。

这就是物理学开始让事情变得复杂的地方。通常,使用同轴传输线电缆可以从无线电和天线获得汽车周围的射频信号。这些电缆越薄,越轻,价格就越便宜,越灵活。遗憾的是,这也意味着性能的降低以及更多信号的损耗,这与电缆的频率和长度成正比。

如果是 GNSS,可以使用有源天线轻松解决这一问题。GNSS 天线配有一个接收滤波器和一个低噪声放大器(LNA)。后者通过同轴电缆的直流电压供电。这可以消除同轴电缆的损耗,协助保持最佳性能。虽然这是 GNSS 和 SiriusXM 接收系统的常规做法,但是,采用蜂窝、WiFi 和蓝牙等可以进行发送操作的双向无线电系统解决这一过程就变得越来越困难。

添加到接收无线电的滤波器和 LNA 是对接收机中已有零部件的重复。

在这种情况下,如果同轴电缆损耗足够低,则会产生一笔额外的费用。然而,要发送无线电,这种解决方案需要使用发送和接收滤波器、发射功率放大器(能处理相关信号)、接收 LNA、一对射频开关、电源系统、以及源自远程无线电的专用发送/接收控制信号。

反之,这需要使用同轴电缆(在无线电之间)、有源天线以及控制信号电缆。就像 GNSS 一样,所有这些都已内置到蜂窝无线电中,因此,要降低同轴电缆损耗,就会产生额外的费用,也会更复杂。所以,考虑到成本的增加,很少见到在蜂窝系统中使用有源天线的情况。解决蜂窝或其他发送无线电中同轴电缆损耗的最粗暴的方式是使用低损耗、高品质的同轴电缆充当传输线。但是,需要权衡的是,高性能同轴电缆会更厚,更重,更硬,且更贵。

未来天线

由于成本、重量、复杂性和射频性能的好处远远超出另外设计和开发的复杂程度,因此,无线电及其天线仍会继续并置在一起。但是,在某些情况下,因为增加了其他天线,需要天线之间保持一定的最小间隔。这可能会导致大多数天线都会装在汽车的单个区域中。此外,还需要更多的空间来部署天线。这里的一个示例是需要将四根蜂窝天线、GNSS、DSRC、SiriusXM、两根 WiFi 天线全部装在车顶上的一个外壳中。虽然直径为 400 毫米的圆顶可能是用于解决这一问题的最佳解决方案,但是,汽车设计人员可能无法接受,因此,需要花费更多的精力去理解将这些天线及其无线电之间的相互作用,并利用它们。一些天线公司已生产此类产品用于其他市场。虽然将所有汽车天线装到一起会更好,但是,仍需使用同轴电缆将少量天线安装在距离主天线群较远的位置,例如,因尺寸以及通常需要安装两根才能接收分集等原因的 AM/FM 天线。另一个示例是需要物理隔离才能确保获得最大 MIMO 吞吐量性能的蜂窝天线。即使在这种情况下,最有可能的是相关无线电可能仍会集成到 TCU 型解决方案中,且天线的位置会被限制,以便使用较短的同轴电缆。从长远来看,为 FM 广播电台、GNSS 和其他无线电创建一个数字接口标准是有道理的,这样,无线电就可直接集成到相应天线中。这样一来,那些无线电和天线单元就可分布到汽车设计人员在汽车周围为其预留的位置,从而满足无线电的性能要求,同时尽可能减少同轴电缆和射频互连的使用。连接仅限于高速数字数据和电源,以及相关的低成本布线和连接器。大家正在讨论的一种趋势是采用同一根导线来运行电源和通信。以往,汽车电源系统都被视为一个极其嘈杂的系统,想要尝试在相同导线上进行通信是非常不可靠的。利用新的数字扩频通信技术,人们已经创建出了可行的解决方案,并终将实现只需两根,甚至是一根导线即可实现汽车系统的互连。

跟着天线走

随着汽车中使用的无线电系统的增加,解决同轴电缆问题的最好办法是将无线电定位在距离其天线极近的位置。这样,无线电就可进入到组合式电子套件中。其中一个示例是远程信息处理控制单元(TCU)。然后,无论 TCU 位于汽车任何位置,实际都会距离天线极近。

这会产生很多效应:

  1. 过去在无线电和天线之间使用的较长的同轴电缆现在已被 TCU 和汽车剩余系统之间较便宜的数字通信线路有效取代。
  2. 无线电和天线之间使用的传输线很短,以至于产生的损耗可以忽略不计,因此,不再需要使用有源天线。
  3. 所有天线都必须大致放在汽车的同一区域,否则,上述优势都将失去。
  4. 无线电天线共并置在一起后,使无线电系统之间产生干扰的可能性增加,设计时必须注意。当天线进一步隔开后,这一问题通常可以忽略。
  5. 无线电电子设备与其天线并置在一起后,这些电子设备有更多发射射频的机会,进而干扰无线电接收性能。这需要另外进行设计和测试。

TCU 电子设备与天线并置在一起后,需要创建新的射频互连。最显而易见的解决方案是使用小而短的同轴电缆将 TCU 无线电和天线连接起来,但是,从长远看,所有这些连接器都可能会出现故障。一旦 TCU 及其天线系统之间采用的同轴电缆连接达到 8 至 10 处时,就可能会出现组装错误,并且组装人工成本也不低。

大多数射频连接器系统都会几十年不换。在较小的物理空间中,两个电子板之间必须连接 8 到 10 个射频馈源阵列的情况很少见。因此,很少有产品能够满足这种需求,尤其是在低成本、高密度、高振动的环境中。大多数这些接口都有专门定制的解决方案,通常都并非成品。因为此类射频连接器接口两侧都是专为可部署到上面的产品而设计的,因此,无需制定互连标准。连接器和天线公司当前的研究重点是找出适用于此应用的通用解决方案,这样,未来产品只需重复使用已知的良好解决方案即可。

研究中最有趣的领域之一是使用选择的由导电弹性体材料制成的轴来创建一个看起来像简单橡胶层的 PCB 板间互连。仍有许多重要问题需要解决,例如,插入损耗、隔离和串扰,但是,这一概念看起来很有希望。

最新的汽车设备布线技术集中在减少汽车中使用的电缆数,缩短电缆长度。这样,可将电子设备整合到汽车中具有相似物理需求的套件中。未来的汽车布线将继续推动高速数据总线的使用,减少互连,而非电源和数据。所有这些都使汽车电子系统的设计和测试更加复杂化。这种额外的复杂性凸显了与拥有无线电电子设备和天线方面专业知识和经验的专家进行合作的必要。

请阅读《无线设计与开发》杂志上发表的原文

SiteLock