新型汽车天线系统结构、原理及应用指南

2016-06-10 19:22:18来源: 互联网
    编者按:今天要介绍的,是汽车的一个部件,它就像是幽灵,有时出现在醒目的位置,有时无迹可寻;有些长了一副它该长的样子,另一些像是设计师宿醉的杰作。如果在过去,你一定会说它无足轻重,但放眼未来,尤其在自动驾驶领域,它必将扮演举足轻重的角色。

  今天要介绍的是--新型汽车天线系统。

  感谢电子通讯技术的发展,如今的汽车天线,已经脱离了当年笔直的外观限制,“进化”出了各种不同的外形和功能,它们也不再局限于收听广播,而是涵盖了无线遥控、GPS以及4G上网等多种功能。随着5G时代的临近,各种新技术很可能彻底颠覆现有汽车驾驶概念,所有这些新技术,包括车对车通讯,汽车AI等等,都离不开汽车与外界的通讯,而作为这条通讯生命线的唯一硬件基础--天线系统,其地位也将因此水涨船高。

  限于篇幅,本文只列举几款新型的汽车天线系统的结构和应用、简单原理,以及未来发展方向。力图在大家的脑海中,新建一个“汽车天线”文件夹。

  你以为天线是这样的:

  

  其实,天线可以是这样的:

  

  “完美隐藏”的天线

  上图给大家看的,不是汽车后挡风玻璃,也不是电加热系统的金属丝,而是一款集成在后窗玻璃中的天线(来源:笔者老爹的大众速腾),其中红色标注的部分是AM天线,蓝色是FM天线,绿色是FM/数字广播信号天线。

  如此汽车“天线”,有没有超出你的理解?

  这里的两个FM天线,组成了最简单的多源天线系统,广播会自动选择接收效果好的天线的信号作为信号源,或者简单地将两个信号叠加,提高信号强度。这样的系统并不需要额外加装一个“天线”,而是截取电热金属丝的其中一部分来当天线直接使用,如此巧妙地构思达到了让整个系统“大隐隐于市”的效果。

  集成在玻璃中的天线首先由慕尼黑联邦大学教授Heinz Lindenmeier发明的,随后就变成了汽车天线行业的标准技术。为了规避汽车发动机和其他电子设备的干扰,大部分天线选择集成在后窗玻璃或者侧面玻璃中。

  如果上图中的天线还算有迹可寻。那下图所展示的集成天线可真就是“难觅行踪”了。

  

  各种“隐型版”天线:棕色为金属线即天线,整个结构可以粘贴在汽车的各种特定的位置: 诸如保险杠、定风翼的内侧,后车箱盖、车门内等等

  虽然这非常符合设计者的初衷——在不影响车辆造型的前提下,力求获得完美的信号接收效果。但在某种程度上,这样的设计削减了汽车天线系统的存在感,连看都看不见,谁又会主动关注这样的天线呢?当然,也有“小隐隐于野”的办法,这种天线可能大家都见过,就是所谓的鲨鱼鳍天线。

  

  鲨鱼鳍天线分解图

  上图中这款为宝马设计的鲨鱼鳍天线,和乐高非常类似,电路板是底盘,各种天线系统模块可以像积木一样添加上去,以配合不同车型对天线的要求。可选择的功能有:AM/FM(短竿)、数字广播/电视(DAB/TV)、GPS、卫星信号(SDARS)、远程控制(TS)、近距离无线信号交流(Car2X)、LTE等等,典型的看菜吃饭。

  这样的设计可能会带来一定的空间浪费,但其节省了大量单独开发的时间和开支,结构更加坚固,维护更加简单,也保留了汽车天线系统升级的可能性。另外一点,它位于车子后顶部,具有很高的识别度,方便刷存在感……

  逐本溯源,汽车天线系统是什么?

  看完了几款最新天线后,我们就要回归本质,聊一聊汽车天线系统到底是什么。

  首先说说天线,它的最大功能就是完成电路中的电信号与空间中的电磁信号的相互转化,使远隔万里的电子系统能够互相交流。更重要的是,和电缆不同,天线系统信息传递的两端可以自由移动,这完美契合了汽车这种交通工具的使用限定。

  汽车天线系统,到目前为止,依旧被称为车载接收系统(Automotive Reception System),因为其功能还集中在接收信号方面。空间中的电磁信号经由天线(Antenna)转化为电信号,再由放大器(Amplifier)调整信号强度,随后通过同轴电缆(Coaxial Cable),交由车载信息娱乐系统(Infotainment System)进行解码和后期处理。这也是这篇文章主要介绍的部分。

  必须强调的一点是,在天线这里不存在什么“兼听则明,偏听则暗”的说法,一种天线就应该固定接收一定频率范围内的电磁信号,因此天线就是通过选择性接收不同的信号频率。除了传统的AM/FM模拟广播信号,还有GPS、数字广播/电视信号(DAB)、远程控制(TS)、蓝牙(Bluetooth)、卫星信号(SDARS)、4G/5G、车对车通信(Car2Car/Car2X)等等,它们各自占据不同的频率段,如下图所示。

  

  车载不同信号的频率段分布(来源:Karsten Ropers, Fuba Automotive Electronics)

  AM模拟信号这个夕阳频率从153kHz到6.2MHz,德国等多个欧洲国家已经从今年1月1日起正式关闭了所有AM模拟信号电台,转而由AM数字信号代替;FM从87.5MHz到108MHz(日本为76MHz到95MHz);数字广播从174MHz到240MHz;GPS信号从1574.397MHz到1576.443MHz等等。

  大体上,电磁信号的频率越高,其在空间中传输信息的速率越快,但在传播时,折射反射衍射等对信号的干扰越大,发射需要的能耗也越大。所以,信号的频率并不能无限提升,这也是为什么现在许多厂商宣称的5G技术只能覆盖小到只有一个物流工厂范围的原因——为了提升数据交换速度(信号频率),信号的广度被牺牲了。

  而频率较低的信号的覆盖范围则要大得多,比如在德国,能收到波兰,甚至英国的AM模拟信号。

  以上也是广义的,天线系统的存在价值。

  汽车天线系统的工作原理

  汽车天线系统只是承担接收信号,控制信号强度的工作。此工作不涉及编码/解码(Modulation/Demodulation)或者模拟/数字信号的转换(AC/DC),所以,要介绍的天线系统原理,也只涉及如何接收信号,以及如何控制信号强度。

  “接收”

  从最简单的理论上来说,当天线和空间中的某个电磁信号产生共振时,电磁信号会被“接收”为电信号,使下一步的信息提取成为可能,如下图。而此信号携带的信息不会丢失——即所谓的信号不失真——的前提,是天线的有效长度达到信号波长的4分之1。

  所以,根据不同信号的不同频率范围,我们可以大概估计出接收此信号的天线的最短长度(波长=光速/频率,天线长度≈波长/4),比如数字广播信号天线的长度应该在31到43厘米之间;对于AM模拟信号,天线长度理论上应该在12到500米之间,但是,有谁见过半公里长的天线?更何况一辆汽车,如何装载这么长的天线?

  首先,在形状上来说,天线并不一定是笔直的一根杆子。能和目标信号共振的天线,形状五花八门,否则你以为现在的智能手机为什么都“没有”天线?

  

  智能手机天线图(负责接收不同频率信号的各个天线段)

  其次,并不是说天线并不是只在完美共振的情况下才能接收信号,否则要是想听所有FM频道,岂不是就要得天线密集恐惧症?举个例子,FM标准天线为75厘米长,相当于100MHz信号波长的4分之1,但它被用作整个FM频率段(87.5至108MHz)的标准天线,可以接收FM频率段的所有信号。

  再次,也是最重要的,天线的有效长度并不永远受制于其物理长度。我们平时看到的长杆天线,都是被动的,单极的,其有效长度等于其物理长度,并且为高阻抗;但主动天线拥有以场效应管(FET)和电源为主体的特殊电路,能让天线接收信号的有效长度,突破其物理长度的限制;也就是说,原本需要500米长的天线接收的信号,也可以用20厘米长的天线接收了。

  至此,我们终于可以“随心所欲”地设计天线了。

  “控制”

  至于起控制信号强度作用的放大器,主要有两个功能:

  1、将信号强度控制在一定程度内:正常情况下,天线所接收到的信号强度都无法满足信息处理的需要,所以需要放大器将信号强度提升到一定的程度,信号强度的绝对单位是dBm,0 dBm相当于1mW,10dBm相当于10mW,为对数增长关系;相对强度单位为dB,信号强度增大3dB相当于增大一倍。

  顾名思义,放大器中的信号放大单元会将信号的强度放大,然后交由车载信息娱乐系统处理,并保证导线中信号的衰减不会影响最后的信息读取。但根据特殊需要,放大器中会配置闭环回路,也能保证在接收到的信号强度过大时,将其削减到合理范围。

  2、匹配(compensation)天线和信息娱乐系统阻抗:简单来说,就是要将接收系统(天线和放大器)的阻抗调整到接近信息娱乐系统阻抗,这样可以将信号传输时的功率损失降到最小。通过一个阻抗转换单元,天线从高阻抗变为50欧姆左右的低阻抗。

  阻抗:是指电路中电阻、电感、电容等元件对交流电的阻碍作用,不仅描述电压和电流之间的振幅关系,也描述它们的相位关系。电阻就是电路在直流电(相位=0)下的阻抗。

  阻抗是天线领域内非常重要的概念,因为需要接收/发送的信号频率不同,接收系统电路的阻抗存在很大差异。如何在动态情况下实现功率匹配,一直是天线系统电子工程师们关注的话题。

  各个天线系统生产商所用的匹配方式也不尽相同,有无脑调试系统,使之接近50?的,因为50?是行业内“约定俗成”的目标阻抗;也有根据信号强度适当改变阻抗标准的。各有利弊,这里就不展开了。

  汽车天线系统变迁

  之前看过了新型天线,我们再来看看汽车天线系统外观的变迁。

  

  传统天线(1辫子天线、2短杆天线)与新型天线(3鲨鱼鳍、4集成天线)

  上图1是笔者的老福特车,传统的车载天线大多就是这样一根金属杆,有的还可以伸缩,位于车前、车顶或者车后,一不小心就被熊孩子拔下来当武器了。其功能也非常单一,无非是接收AM/FM广播模拟信号。

  之后出现了上图2中的短杆天线,缠绕在天线杆上的金属丝不仅能起到防止天线晃动、减小噪音的作用,同时也增加了天线的有效长度。两者属于所谓的传统天线。

  汽车天线系统发展到现在,各个不同的汽车制造公司都有他们自己的天线系统方案,比如宝马倾向于使用鲨鱼鳍天线(上图3),简约而不简单,低调而不低档,但其外形大同小异。

  更多的公司则兼容并包,比如捷豹路虎,在通过鲨鱼鳍天线实现GPS、LTE、卫星信号接收的同时,他们也选择集成天线(上图4),来接收AM/FM以及数字广播/电视信号。集成天线的位置不尽相同,玻璃、保险杠、定风翼等等,都可以是天线的载体;其外形也大相径庭,有时是细长的金属丝,有时是扁平的金属片。这哥俩属于所谓的新型天线。

  至于与天线相配套的放大器,也根据需要处理的信号不同,形成各自的结构,下图所展示的,是FM信号放大器的一部分电路图,以及TV/TS信号放大器的实物图。

  

  FM信号放大器电路图,及TV/TS信号放大器实物图

  红圈里是FM信号放大器的核心控制部分,其余的,则为匹配模块、防静电模块、控制模块等等。比如红圈以下的闭合回路就是AGC(Automatic Gain Control ,信号强度自动控制),当输入信号过高时,能够起到负反馈作用,削减信号强度。

  由于不是外观件,所以放大器外观的变化就不那么重要了。而放大器的个体大小和电子元件的大小密切相关,随着SMD(surface-mount device,表面粘贴元件)的出现,最新一代的车载放大器实物大约15cm长、5cm宽、5cm厚。但随着摩尔定律的逐渐失效,放大器的“减肥”过程也在逐渐放缓。

  天线和放大器,就组成了最简单的信号接收系统。

  如何调试一个新天线系统

  影响汽车天线系统功能的潜在因素实在不胜枚举:高楼、金属物体、风雨雷电,甚至阳光、路过的电瓶车。无人,我是说无人,可以断言任何一款车的天线系统的路上表现。因此调试是新天线系统走向应用的关键一步。笔者亲历过不少集成天线的调试过程,调试天线的方法有两种——软件模拟,或者实物测试。

  软件模拟没什么好说的,在RF(Radio Frequence)领域,ADS(Advanced Design System)和FEA(Finite-Element-Analyse,有限元分析)软件属于标准配置,前者和Labview类似,可以模拟天线系统自身的工作情况;后者则能够模拟天线周围的环境,预判其接收效果。略过不表。

  实物调试就比较有意思了,以下图车后玻璃集成天线为例,概括起来一个字——蒙!先别笑,这里的蒙是有技术含量的,并不是玩俄罗斯轮盘。

  

  集成在后窗玻璃中的天线的实际调试

  第一蒙:基于几十年的经验,汽车天线工程师们大致可以根据要求和情况,估计集成天线在车辆的哪个部位的接收效果最好。大体上说,天线应该适当选择较高的位置,位置越高,能够接收到的信号强度越高,就越容易控制。

  这里谈论的车,可能在几年后才会上市,工程师只能根据厂家的车型介绍,结合现有的相似车型,提供天线位置的建议。当然,一些车辆制造商会直接给出汽车天线的位置要求,这倒是省了工程师不少事,毕竟不是每个设想都能被实现,其中有打自己脸还是打别人脸的区别。

  第二蒙:具体集成天线的结构。天线分几股?每股多长?距离多远?直线还是分叉等等。这个选天线的事情有可能“随意”到不像个正儿八经地科学测试……但是,评价一款接收系统好坏的标准非常简单——系统对目标信号的接收和放大能力,必须达到汽车厂商的要求。

  某一次,笔者和一个同事花了几个小时在调试集成在后窗玻璃上的天线,整个过程其实只是不断将3股天线中的某一根截短或加长,等待一个令人满意的结果“自动出现”,说是守株待兔也并不为过。

  当然,话要说回来,这个过程是遵循一定规律的,而这个规律,本身是不规律的,需要几十年的经验积累……

  因为——车内的任何金属部件,都有可能引起接收系统与信号的非正常共振,影响信号的输出强度,比如座椅中的金属支架、某一段特殊长度的导线;更麻烦的,是有电流通过的部件,诸如尾灯、刹车灯、整流器等等,一旦它们的电磁兼容(EMC)没有做到完美(一般情况下,不可能完美),汽车天线工程师可能就要死一大堆脑细胞了。更不用提正式上路之后,潜在的影响因素就更多了。

  再扯扯一些特别的技术要求,有一些FM天线直接将整个加热网作为天线本体,为了防止加热电流对高频信号产生影响,加热丝的两端要加装陷波器(Wavetrap),过滤掉直流的加热电流中的交流部分。将天线集成在某个位置的方式几乎适合所有车型,但是也有其局限性:对于AM/FM以及数字电视/广播信号的接收,信号在被接收后,必须马上经由放大器处理,否则导线的削减效果会让信号“消失”,所以在集成天线附近,需要给放大器预留位置。频率更高的信号(SDARS、LTE等)则需要直接接入放大器(如鲨鱼鳍天线中的情况),因为天线与放大器之间任何导线都可能造成高频信号的失真。

  汽车为何需要“新型”天线系统?

  新型天线的优点,首先当然是它能满足汽车本身对各种新兴信号的接收要求:数字广播信号的音质,和CD无异,我们不再需要忍受模拟信号无尽的背景杂音了;GPS信号提供车辆定位、紧急情况处理服务;远程控制信号能实现汽车预加热/制冷、发动机提前启动等等功能,这是传统天线可望而不可及的。

  其次,新型天线不像传统天线一样容易损坏,因为它们体积更小,结构更坚固,甚至有些位于车体内,受到的外界环境威胁(比如熊孩子)要小得多。最后,就是“新型天线在美学上的功用”,说得直白一点:好看!如果还要形象一点,那我们就用手机作个比方吧。自己用上了智能机,那就别让自己的爱车用大哥大了嘛!

  敢问路在何方?

  随着无人驾驶等等技术的出现,汽车天线系统在原本接收信号的基础上,也必定需要具备发射信号的功能,因为汽车将不再是独立的个体,而是整个交通网络的组成部分,需要与周围的事物实时“交流”。比如新兴的“Car2X”概念,就是说要让车和其他的电子设备进行实时沟通,比如其它车、行人的手机、信号灯、交通控制网络等等,就是要赋予车“自我感知和判断”的能力——简单的例子,“低头族”正在一边玩着手机一边过马路,汽车天线系统能够通过定位手机,预判行人走向,从而自动调节车辆制动和方向系统,避免悲剧发生,判断的依据,将会是汽车天线系统所提供的位置信息。

  “Car2X”天线系统是所有汽车生产商关注的对象,这也给汽车天线系统的生产厂商提出了新的要求——在不久的将来,交通系统将成为一张网络,作为其主体组成的汽车、火车、飞机等交通工具,必须协调运作,优化效率,这通通取决于相互的信息交流,汽车天线系统作为信息交流的媒介,任重道远。

  比如炙手可热的毫米波雷达,顾名思义,就是波长在毫米等级的信号发射/接收系统,其超高的频率(30至300GHz)带来了超快的信息交流速度,以及短距离内较强的穿透力(但是一旦下雨,就完全失效)。毫米波雷达被用来探测车辆周围的环境,使车辆能够对快速的环境变化作出及时的“反应”。

  设想一下,如果你的车能够与交通网络“交流”,一路绿灯将不再是梦想;与行人“交流”,能够避免多少车祸;与其它的车“交流”,省去了刮擦的危险等等,也许某一天,驾照将不再是驾车的前提,甚至你的爱车会“独自”上路,购买生活用品,接送孩子上下,画美不看。当然,实现这一切,只靠汽车天线系统的发展是远远不够的,毕竟小编不能像推销脑白金一样介绍汽车天线系统不是吗?

  汽车天线行业现状

  目前市面上主要的汽车接收系统生产商有德国的福霸(Fuba)、凯瑟琳(Kathrein),美国的莱尔德(Liard)以及日本的原田(Harada)。国内有苏中天线,几乎是处于垄断地位。作为万年被忽视的汽车部件,汽车天线行业并没有自暴自弃,相反地,正因为其“不入法眼”,导致行业竞争异常血腥——除非有好的口碑,否则就等着被淘汰吧,再仰望下整车制造厂商,真可谓“人为刀俎,我为鱼肉”,鱼还游在鱼塘里。

  汽车天线行业的利润产生方式也比较特殊——给迈凯轮、法拉利、宾利供货只是吹嘘技术水平的资本,即便一个天线卖上500欧元,这些高端车的年销售量只有几千,利润远远不及10欧元一个给福特福克斯(focus)的天线,因为它的年销售量接近百万。对于汽车零部件行业从业人员来说,还有另外一个得瑟的机会:产品需要在样车上进行路上测试,500+ps的跑车经常会出现在公司车库里,小编目测这些车是自己奋斗一辈子也买不起,那就开去测试过个瘾。这里放个车内的视角,实在是车子还没上市,不方便透露外观。

  

  某500+ps跑车

  此外,对天线系统元件的成本压缩也是盈利的重要方式,1个电阻便宜1分钱,1个产品上有5个相同电阻,产品的生命周期为500万件……这个成本不得不算,这也导致汽车天线行业的无数专利,都只能贴在墙上。目前行业的热点,就是“Car2X”,谁走在“Car2X”研发的前列,谁就可以统领未来的汽车天线市场,毕竟,这是个求盈利的行业,技术垄断就是市场垄断,不是吗?

关键字:汽车电子  汽车天线  车联网

编辑:鲁迪 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/qcdz/article_2016061015649.html
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