那么汽車RF工程師如何設(shè)計(jì)互聯(lián)汽車呢？讓我們先來看看如何克服汽車設(shè)計(jì)中的一些最大的RF挑戰(zhàn)。

 

當(dāng)今汽車格局：復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)和挑戰(zhàn)生態(tài)系統(tǒng)

 

當(dāng)今的汽車有很多可與世界互聯(lián)的電子器件。對(duì)于RF系統(tǒng)，這意味著隨著汽車制造商在車內(nèi)放置更多的電信設(shè)備，就會(huì)出現(xiàn)很多RFFE鏈。下圖顯示了一個(gè)通用系統(tǒng)的示例。

 

 

汽車RF生態(tài)系統(tǒng)的變化給RF系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員帶來了多個(gè)挑戰(zhàn)：

 

● 將多個(gè)支持不同標(biāo)準(zhǔn)的器件集成到汽車中，有時(shí)集成到一個(gè)模塊。

● 由于許多支持不同標(biāo)準(zhǔn)的器件相鄰，存在共存問題。

● 最大限度地減少電子部件發(fā)熱。

● 更加關(guān)注功耗，因?yàn)樗熊囕v設(shè)備都使用同一個(gè)電池電源。

● 確保產(chǎn)品組件具有長(zhǎng)期可靠性。

 

并非汽車行業(yè)才有這些挑戰(zhàn)，可以采用與Wi-Fi連接性和移動(dòng)設(shè)備等其他應(yīng)用類似的戰(zhàn)略克服這些挑戰(zhàn)。下面是選擇汽車RF元件時(shí)的一些基本設(shè)計(jì)技巧：

 

● 使用高度線性的有源或前端設(shè)備。

● 使用能夠盡量減少RFFE中的插入損耗和減少總RF鏈路預(yù)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、接收和過濾功能的組件。

● 使用符合IATF和IEC行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的汽車應(yīng)用級(jí)產(chǎn)品。

 

下面我們更深入地探討RF共存、集成、天線設(shè)計(jì)、熱管理、電池使用壽命和汽車可靠性的設(shè)計(jì)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(wù)，而在車輛內(nèi)部通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行流傳輸正迅速成為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。因此，在維護(hù)流媒體服務(wù)時(shí)，務(wù)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(biāo)準(zhǔn)之間的共存是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。如果未采用適當(dāng)?shù)臑V波配置，在以下頻率可能會(huì)增加共存問題：

 

2.4 GHz:

 

● Wi-Fi和蜂窩通信，如LTE頻段41

● Wi-Fi和藍(lán)牙

● SDARS（衛(wèi)星數(shù)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(guó)家信息基礎(chǔ)設(shè)施）頻段，具體為U-NII-3

● 從2.4GHz和5GHz頻譜圖中可看到，在車聯(lián)網(wǎng)中使用無線技術(shù)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(shè)計(jì)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(hào)之間的帶外干擾。

● 共存濾波器可以減輕傳輸信號(hào)可能存在的靈敏度降低現(xiàn)象。

 

如今的車輛通信支持天線和收發(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)電話行業(yè)已經(jīng)從分立元件向高度集成的系統(tǒng)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(yīng)轉(zhuǎn)變。將更多的功能集成到前端模塊（FEM）或?yàn)V波器模塊中有助于簡(jiǎn)化RF設(shè)計(jì)，如下一個(gè)框圖所示。

 

 

汽車工程師過去只關(guān)注GPS和藍(lán)牙，但現(xiàn)在必須針對(duì)C-V2X等新無線標(biāo)準(zhǔn)，以及未來的 5G新無線電（NR）進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員必須學(xué)習(xí)以下框圖中所示的所有技術(shù)，同時(shí)將其融入汽車設(shè)計(jì)中。很有可能是使用移動(dòng)電話技術(shù)作為跳板。

 

 

Qorvo工程師創(chuàng)建的RF Fusion™可幫助我們的客戶利用集成解決方案，有效地降低設(shè)計(jì)復(fù)雜性，并縮短上市時(shí)間。其中許多復(fù)雜模塊包括嵌入式濾波器，進(jìn)一步降低 RF復(fù)雜度和總鏈路預(yù)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(tǒng)車輛制造中使用電纜是很常見的做法，但長(zhǎng)距離布線會(huì)導(dǎo)致天線和RFFE之間產(chǎn)生插入損耗（增加鏈路預(yù)算）。這也會(huì)增加LNA輸入端的噪聲系數(shù)（Nf），特別是在蜂窩和Wi-Fi場(chǎng)景中，并降低信號(hào)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(huì)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(hào)輸入，并設(shè)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(hào)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(fā)送信號(hào)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(bǔ)償器放大信號(hào)，并補(bǔ)償電纜長(zhǎng)度造成的損耗和鏈路預(yù)算。

 

熱管理

 

在汽車應(yīng)用中，關(guān)鍵的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)之一是車內(nèi)和外部環(huán)境中的熱管理。汽車產(chǎn)品會(huì)發(fā)熱，這種溫度升高現(xiàn)象會(huì)影響系統(tǒng)級(jí)RF調(diào)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(nèi)。有限的區(qū)域內(nèi)輻射熱量會(huì)增加。發(fā)熱也會(huì)影響汽車的可靠性，從而影響汽車的安全性能。若要緩解發(fā)熱問題，需要注意以下關(guān)鍵參數(shù)：

 

● RFFE效率

● 電流消耗

● 功耗

 

設(shè)計(jì)人員可以使用一些傳導(dǎo)和對(duì)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(chǎn)品外形使這一熱挑戰(zhàn)變得更加復(fù)雜。以下技術(shù)有助于解決與熱有關(guān)的RF問題：

 

● 使用組件制造商提供的PC板布局文件和評(píng)估板。您最好獲取并使用制造商的設(shè)計(jì)，因?yàn)樗麄兊牟季纸?jīng)過了散熱和熱效率優(yōu)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(duì)于汽車系統(tǒng)，務(wù)必使用具有出色的溫度穩(wěn)定性、低插入損耗和高品質(zhì)因數(shù)的溫度補(bǔ)償濾波器，如Qorvo的BAW技術(shù)產(chǎn)品，幫助解決與熱相關(guān)的問題（以及共存）。BAW技術(shù)的溫度穩(wěn)定性比SAW平均高50%。

 

● 使用高線性度前端產(chǎn)品。通過使用高線性度前端產(chǎn)品可提高PA效率，從而優(yōu)化系統(tǒng)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(yùn)行發(fā)熱時(shí)。RFFE性能不佳會(huì)影響整個(gè)汽車系統(tǒng)的電流消耗，并增加系統(tǒng)處理器的工作負(fù)荷。而處理器高負(fù)荷工作反過來會(huì)導(dǎo)致發(fā)熱，系統(tǒng)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(bào)告指出，電池故障首次成為車主面臨的十大問題之一。據(jù)其研究結(jié)果顯示，電池是更換最頻繁的部件，與正常磨損無關(guān)。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(fā)現(xiàn)，許多復(fù)雜的新型車載電子系統(tǒng)（如信息娛樂、智能手機(jī)連接、語音識(shí)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(dòng)汽車的汽車遙控鑰匙。車主使用此功能是為了方便，但它會(huì)耗盡汽車電池。如果將遙控鑰匙靠近車輛或放在車內(nèi)，發(fā)射器和接收器會(huì)持續(xù)通信，對(duì)車輛進(jìn)行 ping操作。測(cè)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(shù)進(jìn)入汽車領(lǐng)域，采取以下措施來延長(zhǎng)電池使用壽命至關(guān)重要：

 

● 使用功耗低的設(shè)備解決方案。

● 了解空閑和運(yùn)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(zhǎng)期性能

 

汽車電子行業(yè)為RF半導(dǎo)體供應(yīng)商提供了穩(wěn)健的收入增長(zhǎng)前景。ADAS、電動(dòng)汽車、人機(jī)界面（HMI）和互聯(lián)信息娛樂等應(yīng)用領(lǐng)域中的創(chuàng)新技術(shù)正在推動(dòng)半導(dǎo)體行業(yè)發(fā)展，汽車工程師必須使RF和其他子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無縫協(xié)同工作。這些半導(dǎo)體還需要滿足汽車行業(yè)制定的嚴(yán)格可靠性要求。

 

使用商用部件而不是專用汽車應(yīng)用級(jí)產(chǎn)品可能很有誘惑力。但是，選擇專為汽車應(yīng)用而設(shè)計(jì)并且已經(jīng)通過IATF和IEC認(rèn)證測(cè)試的產(chǎn)品，有助于確保您的RF系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。

 

來源：Qorvo半導(dǎo)體

 

 

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