那么汽車(chē)RF工程師如何設計互聯(lián)汽車(chē)呢？讓我們先來(lái)看看如何克服汽車(chē)設計中的一些最大的RF挑戰。

 

當今汽車(chē)格局：復雜的標準和挑戰生態(tài)系統

 

當今的汽車(chē)有很多可與世界互聯(lián)的電子器件。對于RF系統，這意味著(zhù)隨著(zhù)汽車(chē)制造商在車(chē)內放置更多的電信設備，就會(huì )出現很多RFFE鏈。下圖顯示了一個(gè)通用系統的示例。

 

 

汽車(chē)RF生態(tài)系統的變化給RF系統設計人員帶來(lái)了多個(gè)挑戰：

 

● 將多個(gè)支持不同標準的器件集成到汽車(chē)中，有時(shí)集成到一個(gè)模塊。

● 由于許多支持不同標準的器件相鄰，存在共存問(wèn)題。

● 最大限度地減少電子部件發(fā)熱。

● 更加關(guān)注功耗，因為所有車(chē)輛設備都使用同一個(gè)電池電源。

● 確保產(chǎn)品組件具有長(cháng)期可靠性。

 

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

 

● 使用高度線(xiàn)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(guān)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(gè)封裝中整合傳輸、接收和過(guò)濾功能的組件。

● 使用符合IATF和IEC行業(yè)標準的汽車(chē)應用級產(chǎn)品。

 

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

 

解決RF共存問(wèn)題

 

需要流傳輸視頻的用戶(hù)希望在汽車(chē)中提供快速、可靠的服務(wù)，而在車(chē)輛內部通過(guò)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行流傳輸正迅速成為標準設置。因此，在維護流媒體服務(wù)時(shí)，務(wù)必最大限度地減少共存問(wèn)題并降低線(xiàn)路損耗。

但是，最大限度地支持無(wú)線(xiàn)頻段和標準之間的共存是一項艱巨的任務(wù)。如果未采用適當的濾波配置，在以下頻率可能會(huì )增加共存問(wèn)題：

 

2.4 GHz:

 

● 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(wù)）和LTE

 

5 GHz:

 

● Wi-Fi和V2X（802.11p和C-V2X）

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

● 從2.4GHz和5GHz頻譜圖中可看到，在車(chē)聯(lián)網(wǎng)中使用無(wú)線(xiàn)技術(shù)的帶寬是多么擁擠。

 

 

那么，緩解這些共存問(wèn)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(xiàn)性度有源器件。

 

● 濾波器可以減少無(wú)線(xiàn)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(chē)輛通信支持天線(xiàn)和收發(fā)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(yōu)化接收器靈敏度。

 

集成至關(guān)重要

 

移動(dòng)電話(huà)行業(yè)已經(jīng)從分立元件向高度集成的系統模塊過(guò)渡。隨著(zhù)汽車(chē)中整合更多連接性，汽車(chē)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(jiǎn)化RF設計，如下一個(gè)框圖所示。

 

 

汽車(chē)工程師過(guò)去只關(guān)注GPS和藍牙，但現在必須針對C-V2X等新無(wú)線(xiàn)標準，以及未來(lái)的 5G新無(wú)線(xiàn)電（NR）進(jìn)行設計。設計人員必須學(xué)習以下框圖中所示的所有技術(shù)，同時(shí)將其融入汽車(chē)設計中。很有可能是使用移動(dòng)電話(huà)技術(shù)作為跳板。

 

 

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

 

天線(xiàn)和RFFE

 

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

 

避免這種情況的一種方式是將鯊魚(yú)鰭模塊中的天線(xiàn)和RFFE組件安裝在車(chē)頂，盡可能靠近信號輸入，并設在任何布線(xiàn)之前。通過(guò)靠近天線(xiàn)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(jìn)天線(xiàn)的傳輸功能。減少布線(xiàn)并將功率放大器（PA）置于最接近天線(xiàn)的位置將有助于減少插入損耗和功耗。如果在發(fā)送信號之前，傳輸端需要更多的電源，也可以使用鯊魚(yú)鰭模塊中的補償器放大信號，并補償電纜長(cháng)度造成的損耗和鏈路預算。

 

熱管理

 

在汽車(chē)應用中，關(guān)鍵的設計挑戰之一是車(chē)內和外部環(huán)境中的熱管理。汽車(chē)產(chǎn)品會(huì )發(fā)熱，這種溫度升高現象會(huì )影響系統級RF調諧和性能。

 

所有無(wú)線(xiàn)連接和電子器件仍處在較小的汽車(chē)空間內。有限的區域內輻射熱量會(huì )增加。發(fā)熱也會(huì )影響汽車(chē)的可靠性，從而影響汽車(chē)的安全性能。若要緩解發(fā)熱問(wèn)題，需要注意以下關(guān)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(chē)中的作用有限。而小尺寸的產(chǎn)品外形使這一熱挑戰變得更加復雜。以下技術(shù)有助于解決與熱有關(guān)的RF問(wèn)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(jīng)過(guò)了散熱和熱效率優(yōu)化。

 

● 使用隨溫度條件變化最小或沒(méi)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(chē)系統，務(wù)必使用具有出色的溫度穩定性、低插入損耗和高品質(zhì)因數的溫度補償濾波器，如Qorvo的BAW技術(shù)產(chǎn)品，幫助解決與熱相關(guān)的問(wèn)題（以及共存）。BAW技術(shù)的溫度穩定性比SAW平均高50%。

 

● 使用高線(xiàn)性度前端產(chǎn)品。通過(guò)使用高線(xiàn)性度前端產(chǎn)品可提高PA效率，從而優(yōu)化系統效率并減少熱量。在RFFE中保持最小插入損耗至關(guān)重要，特別是在運行發(fā)熱時(shí)。RFFE性能不佳會(huì )影響整個(gè)汽車(chē)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(guò)來(lái)會(huì )導致發(fā)熱，系統性能降低，并消耗車(chē)輛電池電量。

 

 

電池使用壽命

 

2017年，J.D. Power汽車(chē)可靠性研究報告指出，電池故障首次成為車(chē)主面臨的十大問(wèn)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(wú)關(guān)。在使用了3年的汽車(chē)中，更換電池的比例為6.1%，比2016年增加了1.3%。他們發(fā)現，許多復雜的新型車(chē)載電子系統（如信息娛樂(lè )、智能手機連接、語(yǔ)音識別和無(wú)鑰門(mén)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(dòng)汽車(chē)的汽車(chē)遙控鑰匙。車(chē)主使用此功能是為了方便，但它會(huì )耗盡汽車(chē)電池。如果將遙控鑰匙靠近車(chē)輛或放在車(chē)內，發(fā)射器和接收器會(huì )持續通信，對車(chē)輛進(jìn)行 ping操作。測試表明，將遙控鑰匙靠近車(chē)輛，相比放在車(chē)外，電池消耗得更快。

 

隨著(zhù)新的無(wú)線(xiàn)和有線(xiàn)技術(shù)進(jìn)入汽車(chē)領(lǐng)域，采取以下措施來(lái)延長(cháng)電池使用壽命至關(guān)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(méi)有變化的濾波器。

 

可靠性和長(cháng)期性能

 

汽車(chē)電子行業(yè)為RF半導體供應商提供了穩健的收入增長(cháng)前景。ADAS、電動(dòng)汽車(chē)、人機界面（HMI）和互聯(lián)信息娛樂(lè )等應用領(lǐng)域中的創(chuàng )新技術(shù)正在推動(dòng)半導體行業(yè)發(fā)展，汽車(chē)工程師必須使RF和其他子系統實(shí)現無(wú)縫協(xié)同工作。這些半導體還需要滿(mǎn)足汽車(chē)行業(yè)制定的嚴格可靠性要求。

 

使用商用部件而不是專(zhuān)用汽車(chē)應用級產(chǎn)品可能很有誘惑力。但是，選擇專(zhuān)為汽車(chē)應用而設計并且已經(jīng)通過(guò)IATF和IEC認證測試的產(chǎn)品，有助于確保您的RF系統長(cháng)期穩定地工作。

 

來(lái)源：Qorvo半導體

 

 

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