面向智能化和可持續(xù)移動性的 RF-SOI 優(yōu)化襯底

圖1: 連接性賦能智慧出行

交通運輸行業(yè)正在經(jīng)歷根本性的變革，它欣然迎接可持續(xù)性和智能出行的概念，愈加關(guān)注消費者和全社會的需求、習慣與偏好（見圖1）。

新技術(shù)已然催生了第一波移動服務(wù)的浪潮，而無所不在的無線連接則在其中發(fā)揮著關(guān)鍵性作用。如今我們司空見慣的拼車和網(wǎng)約車等流行服務(wù)即得益于智能手機和其他移動互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備的廣泛應(yīng)用。

新興的 5G、Wi-Fi 6(E) 和V2X 以及其他連接系統(tǒng)正在助力移動服務(wù)范圍的進一步擴大。例如，它們通過提升車輛與道路基礎(chǔ)設(shè)施之間的無線交互來提高駕駛安全性，或是與其他車輛之間的無線交互來優(yōu)化交通條件。車載無線連接還可以輕松實現(xiàn)車內(nèi)的高質(zhì)量視頻與音頻娛樂內(nèi)容訪問，讓乘客體驗更加舒適。

在參考文獻【1】和【2】中，我們探討了 RF CMOS 技術(shù)和RF-SOI 優(yōu)化襯底不斷發(fā)展以提供高性能射頻(RF) 和毫米波前端(RFFE)，為新興應(yīng)用要求的可靠性和穩(wěn)健性奠定了基礎(chǔ)。本文將對 RF-SOI 技術(shù)在智能出行中的作用提供詳細的分析。

在此，我們尤其關(guān)注輕型乘用車，因為連接概念可以由此外推至商用和實用型車輛。

本文第 2節(jié)將介紹汽車網(wǎng)聯(lián)化的一般概念以及它所依賴的系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。第 3至 6節(jié)著重描述確保實現(xiàn)可持續(xù)、可靠和穩(wěn)健的汽車網(wǎng)聯(lián)化所需的多種射頻技術(shù)模塊。第 7 節(jié)則概述了最快被采用的車載免提系統(tǒng)之一：UWB。最后在第 8 節(jié)給出結(jié)論，總結(jié)了汽車網(wǎng)聯(lián)化如何依賴于眾多射頻技術(shù)與技巧，以及這些技術(shù)中的大多數(shù)是如何得益于我們在 CMOS 領(lǐng)域和 RF-SOI 前端（RFEE）發(fā)展中積淀多年的豐富專業(yè)知識。

1.網(wǎng)聯(lián)汽車

如參考文獻【3】、【4】以及圖2中所示，網(wǎng)聯(lián)汽車依賴于多個系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)，這些系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)提供如下的功能：

1. 連接到云- 遠程信息處理（Telematics）

● 通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星4G LTE、5G、Wi-Fi 等標準

2.連接到駕駛員/乘客- 信息娛樂（Infotainment）

● 通過Wi-Fi、Bluetooth?等標準

3. 連接到環(huán)境 – 車聯(lián)萬物（VehicletoEverything,V2X）

● 通過專用短程通信(DSRC)、蜂窩車聯(lián)網(wǎng)(C-V2X)、超寬帶(UWB) 等標準

a b c

圖2：車輛與(a) 云、(b) 駕駛員/乘客和(c) 周圍環(huán)境的連接

就硬件方面而言，全車無線連接需要多個天線與射頻前端(RFFE)。乘用車的天線常位于車頂，稱為鯊魚鰭天線。但隨著汽車美學(xué)的發(fā)展，集成在車身面板中的共形天線也越來越常見。但無論如何，天線都位于車輛表面附近，以避免汽車金屬車身產(chǎn)生的法拉第靜電屏蔽效應(yīng)。此外，為了盡量減少可能損害發(fā)送/接收信息完整性的損耗和干擾，原始設(shè)備制造商(OEM) 們大都選擇將射頻前端也放置在盡可能靠近天線的位置，如圖 5所示。

圖3. (a) 鯊魚鰭和(b) 保形面板車載天線及相應(yīng)射頻前端

下面，我們將詳細探討每種連接系統(tǒng)的特點及其射頻前端的獨特性。

2.遠程信息處理系統(tǒng)

圖4. 遠程信息處理控制單元(TCU) ，或稱遠程信息處理盒(T-BOX)

與所有無線設(shè)備一樣，網(wǎng)聯(lián)汽車依賴多個射頻 IC 和射頻模塊來實現(xiàn)可靠的無線連接。大多數(shù)此類元件都包含在一個“盒子”中，通常稱為遠程信息處理盒（T-BOX），也稱為遠程信息處理控制單元（TCU）。如圖4 所示，TCU 中包含了用于傳感、定位以及數(shù)據(jù)存儲、處理與傳輸?shù)墓δ苣K。在這些模塊中，網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備（NAD）中又包含了確保蜂窩網(wǎng)絡(luò)（4G LTE 或5G）通信可靠與穩(wěn)健所需的所有電路，而圖5 提到的射頻前端即涵蓋在這其中，這也是本節(jié)重點關(guān)注的內(nèi)容。

圖5： 網(wǎng)絡(luò)接入設(shè)備(NAD) 蜂窩射頻前端和首選襯底材料

汽車型號及其可選功能通常針對不同的區(qū)域進行商品化，汽車 NAD 也需根據(jù)區(qū)域的不同遵守蜂窩連接條例與規(guī)則。如圖6 所示，3.5GHz 左右的中頻已成為全球最常用的蜂窩網(wǎng)絡(luò)頻譜；因此，許多NAD 提供商和用戶均選擇 C 頻段作為射頻前端工作的特許頻段也就不足為奇了。

C 頻段在覆蓋范圍與帶寬、以及數(shù)據(jù)速率之間進行了良好的平衡（見第 6節(jié)）。更重要的是，采用該頻段的NAD 彼此之間干擾最小，同時又能與其他連接系統(tǒng)（例如Wi-Fi 和C-V2X）共存；因此，射頻前端的線性度成為設(shè)計的關(guān)鍵要素。

圖6. 部分國家在 S 頻段和C 頻段的頻譜分配

如參考文獻【1】和【2】中所述，干擾可能出現(xiàn)在射頻前端無源器件（傳輸線、電感等）或有源電路（晶體管、二極管等）的任一點。而采用富陷阱的 RF-SOI 優(yōu)化襯底來構(gòu)建大部分的射頻前端電路，無論干擾發(fā)生在何處，都將被最小化。如圖7 所示，TCU 中使用的不同頻段相互彼此接近時，頻段泄漏將極大地影響相鄰頻段；而 RF-SOI 優(yōu)化襯底將有助于最大限度地減少這種泄漏。

圖7. 得益于射頻前端的高線性度，RF-SOI 可最大限度地減少干擾

如圖8 所示，采用富陷阱的RF-SOI 襯底（例如Soitec 的iFEM-SOI 和RFeSI 產(chǎn)品）可以最小化射頻信號的非線性二次和三次諧波。與非富陷阱的RF-SOI (HR-SOI) 襯底相比，這種改善非常顯著；我們用共面波導(dǎo)(CPW) 來表現(xiàn)典型的非線性射頻信號特性。

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圖8：(a) RFeSI 襯底上的共面波導(dǎo)（CPW）以及(b) 在不同RF-SOI 襯底上測得的二次和三次諧波

模塊化是NAD 設(shè)計的另一個關(guān)鍵要素，它提供的靈活性可用于滿足不同區(qū)域市場的需求。而將發(fā)射、接收和濾波功能集成在多個模塊中的射頻前端組件更具優(yōu)勢，因為它們可以快速更換，以適應(yīng)車輛所在的銷售區(qū)域，并滿足區(qū)域法規(guī)和當?shù)乜蛻舻钠谩?br />
如圖5 所示，RF-SOI 為射頻前端模塊(RF FEM) 提供了無可比擬的集成靈活度，這有助于將高性能低噪聲放大器(LNA)、開關(guān)和功率放大器(PA) 集成到單個芯片中，或集成到與濾波器和其他支持功能相關(guān)的高附加值多技術(shù)模塊中。

人們常常誤以為，集成了大型電池的汽車也必定能夠滿足電力需求大的系統(tǒng)。然而事實遠非如此，現(xiàn)代汽車對功效的要求與旗艦智能手機或其他任何現(xiàn)代便攜式無線設(shè)備一樣的高?，F(xiàn)代汽車需要容納越來越多的傳感器、MCU 和其他電子系統(tǒng)，這些系統(tǒng)的功耗必須得到最有效的優(yōu)化。

NAD 設(shè)計人員應(yīng)密切關(guān)注射頻前端的電流消耗、功耗和整體功效。最小化射頻前端插入損耗和整體射頻鏈路預(yù)算是設(shè)計人員必須完成的任務(wù)。而高能效NAD 的射頻前端以熱量形式消耗的功率更少，因此可以極大地幫助確保整體NAD 高可靠的運行。

為了最大限度地降低超長連接器造成的損耗，NAD（也即它所屬的TCU）通常位于離天線不遠的位置，因而也暴露于車身所處的大溫度變化條件之下。而且眾所周知，集成PA 的模塊工作溫度可能會上升至 85°C 以上。這兩個因素的疊加會對汽車射頻前端可靠穩(wěn)健的運作帶來嚴峻挑戰(zhàn)，在設(shè)計早期，就應(yīng)審慎考慮以避免這些問題。

在寬溫度變化條件之下（見參考文獻【7】），提供穩(wěn)定線性性能的RF-SOI 襯底具備明顯的優(yōu)勢。它有助于確保溫升不會顯著增加射頻前端的非線性度、影響NAD 功能和/或干擾相鄰的無線系統(tǒng)。這也是基于 RF-SOI 襯底的射頻前端與其他汽車射頻前端之間最主要的區(qū)別。

隨溫度變化的低線性漂移特性（RFeSIxT）是Soitec 的RFeSI 系列產(chǎn)品中添加的一項新功能（見參考文獻 【8】）。如圖9(b) 所示，RFeSIxT 在超過85°C 的溫度下也能提供穩(wěn)定的線性性能，同時還保持所有其他RFeSI 襯底的優(yōu)勢（見參考文獻 【1】）。與之相比，圖9(a) 顯示的Soitec RFeSI（不具備RFeSIxT 功能）線性行為則隨溫度變化，因此更適用于消費級產(chǎn)品。

圖9： RFeSI 富陷阱 RF-SOI 系列產(chǎn)品隨溫度變化的線性性能：(a)不具有和(b)具有RFeSIxT隨溫度變化的低線性漂移特性

為汽車駕駛員和乘客提供安全性對所有的汽車系統(tǒng)都至關(guān)重要，其中也包括遠程信息處理系統(tǒng)。RFIC 是汽車應(yīng)急呼叫系統(tǒng)的重要組成部分，我們將在下節(jié)對其進行詳細討論。

2.1應(yīng)急與支持系統(tǒng)

汽車無線應(yīng)急系統(tǒng)的關(guān)鍵組成之一是在發(fā)生事故時向應(yīng)急響應(yīng)團隊（救護車、消防員等）提供關(guān)鍵信息的系統(tǒng)。關(guān)鍵信息包括車輛定位（例如GNSS 坐標）、事故發(fā)生時間、汽車/乘客的狀況（應(yīng)急呼叫的原因）和車輛識別，以及其他任何有助于在提供急救支持時能夠節(jié)省關(guān)鍵時間的信息（見圖 10）。

圖10: 應(yīng)急與支持連接系統(tǒng)

不同的地域和移動運營商有不同的策略來提供應(yīng)急連接。這類服務(wù)通常由私有運營商提供（見參考文獻【9】、【10】）；但在歐盟(EU) ，則由所有歐盟國家均可訪問的公共車輛應(yīng)急呼叫（eCall）響應(yīng)服務(wù)提供（見參考文獻【11】）。自2018 年3 月31 日起，歐盟銷售的所有新車都強制性要求安裝 eCall 系統(tǒng)。按照歐盟的規(guī)定，所有新車中的eCall 系統(tǒng)都必須具備以下功能：

● 能夠在碰撞中和碰撞后自動運行，無需汽車電池

● 能夠承受從-40°C 到+105°C 的極端溫度

●提供8 至10 分鐘的電話連接，電池壽命長達 10 年

● 通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)提供緊急服務(wù)回撥，時長達到 60 分鐘

● 符合國際標準化組織(ISO) 的 26262 汽車安全完整性等級(ASIL) A 標準。

在發(fā)生事故的時候，無論車輛處于何種狀態(tài)，若要確保需傳輸?shù)臄?shù)據(jù)能夠找到通向工作TCU 天線的路徑，并聯(lián)系到應(yīng)急響應(yīng)小組，這不是一件容易的事，它要求射頻開關(guān)異常穩(wěn)健。應(yīng)急呼叫射頻開關(guān)應(yīng)能夠在兼容蜂窩網(wǎng)絡(luò)的功率（達幾百毫瓦）下進行熱切換，并符合ASIL A 標準（見參考文獻【12】）。而 RF-SOI 技術(shù)是助力設(shè)計滿足這兩個要求的最常用的開關(guān)技術(shù)（見參考文獻【13】）。

如果NAD 集成了eCall 系統(tǒng)，則NAD 本身也應(yīng)通過ASIL 認證。因此，部分制造商會選擇將eCall 系統(tǒng)置于NAD 之外，這樣仍然可以通過汽車消費級認證，但又降低與認證相關(guān)的設(shè)計復(fù)雜性與成本。此時，基于RF-SOI 襯底的CMOS 技術(shù)發(fā)揮了重要作用，它推動了模塊化的TCU 設(shè)計，有助于實現(xiàn)靈活的TCU + eCall 設(shè)計，如圖11(a) 所示。而且如前所述，RF-SOI 是eCall 開關(guān)不同拓撲的首選技術(shù)，如圖11(b) 所示。

圖11：TCU (a) 安全認證分區(qū)示例和(b) (c) 集成在RF-SOI 中的不同應(yīng)急開關(guān)拓撲

如果要在提供應(yīng)急服務(wù)的同時還提供常規(guī)服務(wù)（例如固件更新），汽車OEM 有時會與移動網(wǎng)絡(luò)運營商（MNO）合作（見參考文獻【14】），但這讓車主對他們的蜂窩網(wǎng)絡(luò)運營商幾乎沒有選擇權(quán)。為了給車主提供更多選擇移動運營商的靈活性，部分汽車OEM 采取了雙卡雙待(DSDA) 的系統(tǒng)方法（見參考文獻【15】），2.2節(jié)中會詳細討論。

2.2 DSDA 雙卡雙待

用戶識別模塊，即 SIM 卡，用于存儲國際移動用戶識別碼(IMSI) 和任何蜂窩網(wǎng)絡(luò)用戶獨有的其他數(shù)據(jù)。它是將設(shè)備連接到蜂窩網(wǎng)絡(luò)的必需元件。

顧名思義，DSDA 配置依賴兩張SIM 卡，并且需要兩個單獨的收發(fā)器，以及與之關(guān)聯(lián)的RFFE 發(fā)送器(Tx) 和接收器(Rx)，以便連接兩個現(xiàn)有運營商。采用 DSDA 系統(tǒng)，汽車OEM 可以繼續(xù)依賴其合作伙伴運營商，同時也為車主提供了靈活性。車主可以同時使用他們自己想用的運營商，并受益于家庭數(shù)據(jù)套餐等個性化服務(wù)。

然而，使用兩個RF 路徑雖具備一定的優(yōu)勢，但同時也增加了NAD 功耗和RFFE 的復(fù)雜性。因此，線性度和相關(guān)的功耗效率成為DSDA 系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)計考量因素。上文已提到，RF-SOI 具備明顯的線性優(yōu)勢，并有助于降低NAD RFFE 的功耗。而且，借助NAD 的模塊化，我們更可以設(shè)想出一種替代方法，例如采用 2x2 MIMO 分集架構(gòu)，取代之前圖5 中描述的4x4 分集架構(gòu)，從而選擇性地降低蜂窩（4G LTE 或5G）DSDA NAD 的功耗與復(fù)雜性，如圖12 所示。

圖12: 具有 2x2MIMO分集架構(gòu)的 DSDANAD

3.信息娛樂系統(tǒng)

圖13：(a) 移動信息娛樂系統(tǒng)以及(b) 憑借RF-SOI 實現(xiàn)的連接標準共存

汽車用戶常常認為，車就是家的延伸，他們已經(jīng)開始期待在車上享有與家中相同的連接水平。車載信息娛樂系統(tǒng)（Infotainment）通常依賴Wi-Fi 和藍牙協(xié)議來提供對應(yīng)用的訪問，例如高清音頻和視頻、互聯(lián)網(wǎng)瀏覽等(見圖13(a))。

而通過 5G 連接的 NAD，汽車用戶能夠訪問全新的寬帶頻道，并享有它所具有的數(shù)千兆比特的數(shù)據(jù)速率與低延遲。

在火車和公共汽車等公共交通工具中，乘客也開始期待在通勤時可以有高數(shù)據(jù)速率的連接。5G 毫米波（mmW）連接無疑是一個很好的選擇，但考慮到復(fù)雜的通信環(huán)境，它同時也頗具挑戰(zhàn)。在參考文獻【16】中，作者即展示了如何通過軟件控制、機器學(xué)習和人工智能(AI) 以及適當?shù)?G 毫米波蜂窩網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施來實現(xiàn)每秒數(shù)千兆比特的數(shù)據(jù)速率。

5G 毫米波大規(guī)模MIMO 天線陣列系統(tǒng)(AAS) 中眾多的RFFE 推動了高性價比的大集成水平，也鞏固了RF-SOI 作為5G 賦能技術(shù)的地位。圖14(a) 顯示了在RF-SOI 雙極化（水平H 和垂直V）毫米波前端上的全集成CMOS，它具有開關(guān)、PA、LNA、移相器、可變增益放大器(VGA)，同時支持控制、偏置、內(nèi)存及電源組合等功能（見參考文獻【17】）。

圖14：(a) RF-SOI 中的毫米波前端 IC 集成為實現(xiàn)(b) 更高的功率放大器(PA) 功率附加效率(PAE) 提供了更簡便的途徑

5G 毫米波 PA 寬帶調(diào)制帶寬要求線性度非常高的節(jié)能技術(shù)。簡而言之，這種PA 的設(shè)計及其集成被認為是5G 毫米波射頻前端設(shè)計中最具挑戰(zhàn)性的任務(wù)之一。

圖14(b) 中的數(shù)據(jù)來自參考文獻【18】，它展示了采用不同技術(shù)提供的移動應(yīng)用所需的典型毫米波前端PA 飽和功率(Psat) 水平；根據(jù)AAS 的輻射元件數(shù)量不同，Psat 從10 到 20dBm 以上不等。更重要的是，該圖突顯了RF-SOI 憑借其集成能力能夠提供更簡便的支持功能集成途徑，從而助力實現(xiàn)最高的功效，并最大限度地延長電池壽命（見參考文獻【17】）。

另一方面，F(xiàn)D-SOI（見參考文獻【3】）還為更多的數(shù)字和模擬混合信號內(nèi)容集成提供了極為有效且高效的途徑。它常被用于收發(fā)器(TRX) 與射頻前端的集成，但會犧牲一些Psat 以減小占板面積。如圖14(b) 所示，氮化鉀（見參考文獻【3】）等第三代半導(dǎo)體在Psat 水平約為30dBm 或更高時表現(xiàn)出極佳的性能。

由于車艙內(nèi)需要共存的Wi-Fi 連接設(shè)備越來越多，需求也愈加多樣化，通過Wi-Fi 熱點在車內(nèi)分配寬帶接入資源也變得越來越困難。

如參考文獻【2】中所描述，采用RF-SOI 技術(shù)設(shè)計的 Wi-Fi 6 和Wi-Fi 6E 兼容系統(tǒng)，更擅長為大量的連接設(shè)備提供設(shè)備所需的數(shù)據(jù)有效負載，同時還具有出色的功耗。而且，RF-SOI 所具有的線性度有助于確保蜂窩網(wǎng)絡(luò)和Wi-Fi 系統(tǒng)共存，同時還不會產(chǎn)生有害干擾（如圖13(b)所示）。

但要注意，車載信息娛樂系統(tǒng)需要通過AECQ 認證，而供應(yīng)鏈供應(yīng)商則需要通過IATF 16949 認證（見參考文獻【19】）。

4.V2X 車連萬物

通過前兩節(jié)的描述可以得知，遠程信息處理系統(tǒng)和信息娛樂系統(tǒng)可以通過蜂窩網(wǎng)絡(luò)為車輛提供連接。不僅如此，V2X 系統(tǒng)還可以使用蜂窩網(wǎng)絡(luò)作為中介(V2N) 將車輛間接連接到其他任何對象；或者，無需中介，通過不同類型的鏈路提供直接連接：

● 車輛到車輛（V2V），如用于避免碰撞

● 車輛到基礎(chǔ)設(shè)施（V2I），如用于動態(tài)控制交通信號

● 車輛到行人（V2P），如向行人和其他易受傷害的道路使用者提供警報信號

V2X 目前采用了兩個專用標準：專用短程通信（DSRC）和蜂窩車聯(lián)萬物（C-V2X），并在特許智能交通系統(tǒng)(ITS) 頻段5.9GHz 附近運行。

專用短程通信(DSRC) （即IEEE 802.11p）是Wi-Fi 協(xié)議的一個專用版本。該版本消除了設(shè)備之間對任何中間系統(tǒng)的需求，因而實現(xiàn)了低延遲通信。與此同時，與蜂窩系統(tǒng)不同，DSRC 具備自我管理功能，還可以通過4G LTE 和/或5G 提供蜂窩網(wǎng)絡(luò)訪問。

蜂窩車聯(lián)萬物(C-V2X) 由專為蜂窩通信開發(fā)協(xié)議的 3GPP 定義。與DSRC 不同，C-V2X 使用蜂窩協(xié)議，因此我們有理由相信，將車輛集成到由5G 新無線電支持的新興垂直領(lǐng)域中，C-V2X 有潛力發(fā)揮更加積極的作用（見參考文獻【20】）。

車輛安全是V2X 系統(tǒng)的一個目標應(yīng)用，因此也需要符合ISO26262 標準（見參考文獻【13】）。在文獻【21】中，作者得出的結(jié)論是，V2X 處理以及與外部系統(tǒng)的接口都需要達到ASIL B級別；而一旦V2X 可以影響車輛控制，則其余V2X 功能均需要達到ASIL A 級別。

第一種方法是將V2X 系統(tǒng)集成到TCU 中，并將其中一部分 RFFE 集成到TCU 的NAD 中，這種方法具有明顯的成本與節(jié)能優(yōu)勢。例如，具有集成GNSS 接收器的TCU 蜂窩調(diào)制解調(diào)器可用于V2X 的定位功能。通過使用射頻路由開關(guān)，連接NAD 的天線可用作V2X 5.9GHz ITS 信號的輻射路徑。這些優(yōu)勢雖頗具吸引力，但設(shè)計人員仍然要考慮，一旦NAD 集成V2X 系統(tǒng)，則NAD 本身也應(yīng)根據(jù)ISO26262 認證標準獲得ASIL-B 或ASIL-A 認證。

鑒于包含了蜂窩、遠程信息處理和信息娛樂系統(tǒng)的 NAD 頗具復(fù)雜性，通過ISO26262 認證將非常具有挑戰(zhàn)性，而且會增加汽車消費級產(chǎn)品的成本。

圖15: 車聯(lián)萬物（V2X）系統(tǒng)

大多數(shù)汽車高級駕駛輔助系統(tǒng)(ADAS) 和TCU OEM 都采用包含兩個獨立子系統(tǒng)的模塊化方法：一個汽車消費級子系統(tǒng)和一個通過ISO26262 認證的子系統(tǒng)，如圖11(a) 所示。采用兩個獨立但互補的復(fù)雜系統(tǒng)會給功耗指標帶來極大的壓力，因此兩個子系統(tǒng)都應(yīng)具備高度優(yōu)化的功耗。如前所述，RF-SOI 具有的顯著優(yōu)勢可以幫助最大限度地降低射頻前端中的損耗，從而降低功耗。

除了連接性之外，被稱為車聯(lián)網(wǎng)(IoV) 的新功能也越來越多地被采用來提升車輛的舒適性和安全性。其中，最為常見的是免提接入系統(tǒng)。

5.免提接入系統(tǒng)

汽車免提接入通常使用三種連接標準：藍牙(BT)、超寬帶(UWB) 和近場通信(NFC)。

智能手機中被廣泛采用的藍牙技術(shù)，如今也成為許多銷售車輛中免提接入設(shè)備的標配。但是，盡管藍牙無鑰匙接入中使用了加密協(xié)議，它仍然很容易受到射頻干擾和中間人攻擊（見參考文獻【22】）。

為了應(yīng)對可能出現(xiàn)的攻擊，很多汽車OEM 開始采用超寬帶技術(shù)（UWB）作為比藍牙 （BT）更安全的替代方案。UWB 技術(shù)采用的短時域脈沖可以實現(xiàn)精確的飛行時間(ToF) 和到達角(AoA) 測量（見參考文獻【23】）。結(jié)合使用ToF 和AoA能夠以更高精度確定發(fā)射器的位置。例如，只有當用戶走向車輛并靠近它時，才能解鎖車門。
隨著 UWB 在智能手機和密鑰卡中越來越多的應(yīng)用，不難相信，這項技術(shù)終將取代藍牙來實現(xiàn)無鑰匙接入。不過，由于 UWB 感知范圍較小，當距離車輛超過10 米時，藍牙仍可作為追蹤用戶的一個補充系統(tǒng)來使用。

如果密鑰卡或智能手機電池耗盡，還可以使用NFC 備用系統(tǒng)。只要無源/ULP（超低功耗）NFC 鑰匙與車體某個部分（例如要打開的門）中的有源讀取器保持緊密接觸，即可授予車輛用戶接入權(quán)限。

圖16: 汽車免提接入系統(tǒng)

現(xiàn)在成功的 UWB 生態(tài)系統(tǒng)可以通過 SoC 以及射頻前端得到實現(xiàn)。為最大限度降低插入損耗并確保高隔離度，射頻前端可采用基于 RF-SOI 的 RF開關(guān)。在配備了UWB 的智能手機等高性能設(shè)備中，低噪聲放大器(LNA) 也可以與射頻前端中的開關(guān)集成在一起（見參考文獻【24】），以最大限度地降低損耗，從而提高靈敏度。

6.車聯(lián)網(wǎng)的射頻挑戰(zhàn)與解決方案總結(jié)

鑒于全球和地區(qū)安全法規(guī)是推動更高車輛連接性的關(guān)鍵驅(qū)動因素之一，毫無疑問，未來幾年我們將持續(xù)看到蜂窩、V2X 和其他互補連接系統(tǒng)更多地應(yīng)用于汽車當中。

目前仍有一些汽車供應(yīng)鏈參與者認為，連接性對任務(wù)關(guān)鍵型安全應(yīng)用來說是不可靠的；但隨著5G 增強功能（例如低延遲）的出現(xiàn)，這種看法正在改變。而且，隨著5G 的不斷部署以及運營商網(wǎng)絡(luò)的密集化，更大的帶寬、更高的數(shù)據(jù)速率和更佳的覆蓋范圍也指日可待。再加上用于連接管理和前瞻性覆蓋的新軟件、新硬件不斷出現(xiàn)，以及 MNO 和 OEM 提供的新功能，諸如雙卡雙待等多 SIM卡 解決方案，這些都必將強力推動乘用車和實用車采用更高的連接性。

得益于過去幾十年中積累的大量IP 組合與專有技術(shù)（見參考文獻 【1】、【2】），基于 RF-SOI 優(yōu)化襯底的CMOS 現(xiàn)在已是一項成熟且可靠的技術(shù)。下表總結(jié)了本文討論過的一些汽車RFIC 需求，以及Soitec RF-SOI 優(yōu)化襯底如何滿足這些要求。

7.結(jié)論

智能手機為人們提供了越來越多的服務(wù)。隨著汽車逐漸發(fā)展成為主要的連接設(shè)備，它們有能力提供更多新的服務(wù)，為整個移動生態(tài)系統(tǒng)創(chuàng)造巨大的價值。為實現(xiàn)其巨大潛力，汽車連接依賴眾多的連接協(xié)議和能夠共存但互不干擾的頻段。

而且，隨著用戶和政府不斷推動使用更環(huán)保的車輛，所有汽車系統(tǒng)的功耗都需要被優(yōu)化，包括連接系統(tǒng)在內(nèi)。

安全也是用戶和政府關(guān)注的主要問題，V2X 必然會在全球范圍內(nèi)得到廣泛的采用，這進一步推動了多連接協(xié)議共存和延長電池壽命的需求。

綜上所述，我們需要了解汽車行業(yè)的穩(wěn)健性和可靠性要求，并選擇一種能夠應(yīng)對所有這些挑戰(zhàn)的連接技術(shù)，同時保證供應(yīng)并提供完善的發(fā)展路線圖來滿足當前和未來的需求，這一點非常重要。

8.參考文獻

[1]L.Andia,Y.Morandini,J-M.LeMeil,“RF-SOIEngineeredSubstratesattheHeartofModernRF&mmWFront-ends -Part1:5G,”SoitecWhitepaper,November 2020.
[2]L.Andia,Y.Morandini,J-M.LeMeil,“RF-SOIEngineeredSubstratesattheHeartofModernRF&mmWFront-ends -Part2:Wi-Fi,”SoitecWhitepaper,February2021.

[3]Soitec,“Soitec’sengineeredsubstratesforautomotivemegatrends,”May2020[Online],AvailableasDecember2021.https://www.soitec.com/en/investors/investors-material

[4]L.Miller,“Connectedcarsfordummies,”2018.

[5]P.Morgan,“V2XAutomatedDrivingStartsNow,”O(jiān)ctober2017.

[6]Beyond5Project-ECSELgrantNo876124.

[7]A.Sunawar,I.GarniwaandC.Hudaya,“Thecharacteristicsofheatinsideaparkedcarasenergysourceforthermoelectric generators,”Int.J.EnergyEnvironEng.10,pp.347–356,July,2019.

[8]F. Allibert, L.Andia, Y.MorandiniandC.Veytizou, Soitec,Bernin, France,M. Rack, L. NyssensandJ.
P.Raskin,“EngineeringSOISubstratesforRFtommWFront-Ends”,MicrowaveJournalvol.63,no.10,pp.72-84,October2020.

[9]“OnStar:In-VehicleSafetyandSecuritySystem,”[Online].AvailableasDecember2021.https://www.onstar.com/us/en/home

[10]“ToyotaConnected,”[Online].AvailableasDecember2021.https://www.toyotaconnected.com/

[11]“eCallemergencyassistancefromyourvehicle”[Online].AvailableasDecember2021.https://europa.eu/youreurope/citizens/travel/security-and-emergencies/emergency-assistance-vehicles-ecall/index_en.htm

[12]ISO26262-9:2018.Roadvehicles—Functionalsafety—Part9:Automotivesafetyintegritylevel(ASIL)-orientedandsafety-orientedanalyses.

[13]“FullyIntegratedeCallSwitchKeepsCarsConnectedinEmergencies,”[Online].AvailableasDecember2021.https://www.qorvo.com/newsroom/news/2021/qorvo-launches-integrated-automotive-ecall-switch-with-industry-leading-reliability-performance

[14]“Can You Unlock GM’s 4G LTE and Use Mobile Carriers Besides AT&T?,” [Online]. Available asDecember2021.https://www.caranddriver.com/news/a15354359/can-you-unlock-gms-4g-lte-and-use-mobile-carriers-besides-att/

[15]“BMW Group and Telekom integrate 5G and Personal eSIM networking into a vehicle,” [Online]Available as December 2021. https://www.press.bmwgroup.com/global/article/detail/T0341433EN/bmw-group-and-telekom-integrate-5g-and-personal-esim-networking-into-a-vehicle

[16]MobileExperts,“MakingmmWaveWorkintheCar,”O(jiān)ctober2021

[17]J. Madden, A. Bandyopadhyay, N. Cahoon and H. Krishnaswamy, “RF SOI can Save $Billions in 5GmmWaveNetworkCostswithEfficientPAs,”MicrowaveJournal,vol.63,no.4,pp.20-30,April2020.

AmplifiersPerformanceSurvey2000-Present,"[Online].AvailableasDecember2021.https://gems.ece.gatech.edu/PA_survey.html

[19]Soitec QHSE Policy. Available online as December 2021. https://www.soitec.com/en/company/qhse-policy

[20]“IsC-V2XOvertakingDSRCinVehicle-to-VehicleCommunications?”[Online].AvailableasDecember2021. https://www.allaboutcircuits.com/news/is-c-v2x-overtaking-dsrc-in-vehicle-to-vehicle-communications-platform/
[21]Autotalks,“FunctionalSafetyforEnablingPresentandFutureV2XUse-Cases,”July,2021.

Pairing,"20084thInternationalConferenceonWirelessCommunications,NetworkingandMobileComputing,2008,pp.1-5,18November2008,Dalian,China.

[23]C. Zorn and R. Al-Kadi, “Enhancing security of passive keyless entry with UWB technology,” June2020.

[24]J.Yoshida,“iPhone11,Watch5:What’sNew,What’sDropped,”EETimesEurope,May2019.

GHzWi-Fi6Applications,"2021IEEERFIC,2021,pp.59-62,July,2021,Atlanta,GA,USA.