汽車 RF 前端主要設(shè)計技巧

無線汽車設(shè)計愈來愈復(fù)雜。下面介紹如何解決此問題

誰能想象汽車生態(tài)系統(tǒng)如何演變？過去汽車只是一種簡單的運輸方式，如今演變成具有復(fù)雜的計算機系統(tǒng)，并且能夠?qū)⑵囎陨砼c我們及周圍的世界連接在一起?，F(xiàn)在，它可實現(xiàn)一定程度的自主駕駛，與網(wǎng)絡(luò)通信，并提供娛樂服務(wù)。分析師預(yù)測，這些發(fā)展趨勢日益強盛。據(jù)麥肯錫公司的報告，未來幾年，聯(lián)網(wǎng)汽車的數(shù)量將以每年 30% 的速度增長；到 2020 年，五分之一的汽車將接入互聯(lián)網(wǎng)。Strategy Analytics 預(yù)測，汽車處理和線性高級駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) RF 前端 (RFFE) 市場規(guī)模最大，復(fù)合年增長率 (CAGR) 達 17% (2017-2022)。

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

當(dāng)今的汽車格局：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，就會出現(xiàn)很多 RFFE 鏈。下圖顯示了一個通用系統(tǒng)的示例。

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

將多個支持不同標(biāo)準(zhǔn)的器件集成到汽車中，有時集成到一個模塊中

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，因為所有車輛設(shè)備都使用同一個電池電源

確保產(chǎn)品組件具有長期可靠性

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 元件時的一些基本設(shè)計技巧：

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)用級產(chǎn)品。

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

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)進行流傳輸正迅速成為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置。因此，在維護流媒體服務(wù)時，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，在以下頻率可能會增加共存問題：

2.4GHz:

Wi-Fi 和蜂窩通信，如 LTE 頻段 41

Wi-Fi 和藍牙

SDARS（衛(wèi)星數(shù)字音頻廣播服務(wù)）和 LTE

5GHz:

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(chǔ)設(shè)施）頻段，具體為 U-NII-3

相關(guān)博客文章：未來車聯(lián)網(wǎng)采用的 V2X

從 2.4 GHz 和 5 GHz 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(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) 或濾波器模塊中有助于簡化 RF 設(shè)計，如下一個框圖所示。

（額外的好處？集成正確的濾波器技術(shù)本質(zhì)上有助于解決我們前面討論過的共存問題，以及熱挑戰(zhàn)。)

汽車工程師過去只關(guān)注 GPS 和藍牙，但現(xiàn)在必須針對 C-V2X 等新無線標(biāo)準(zhǔn)，以及未來的 5G 新無線電 (NR) 進行設(shè)計。設(shè)計人員必須學(xué)習(xí)以下框圖中所示的所有技術(shù)，同時將其融入汽車設(shè)計中。很有可能是使用移動電話技術(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)計復(fù)雜性，并縮短上市時間。其中許多復(fù)雜模塊包括嵌入式濾波器，進一步降低了 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，但長距離布線會導(dǎo)致天線和 RFFE 之間產(chǎn)生插入損耗（增加鏈路預(yù)算）。這也會增加 LNA 輸入端的噪聲系數(shù) (Nf)，特別是在蜂窩和 Wi-Fi 場景中，并降低信號和接收器的靈敏度。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償器放大信號，并補償電纜長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)品會發(fā)熱，這種溫度升高現(xiàn)象會影響系統(tǒng)級 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)輻射熱量會增加。發(fā)熱也會影響汽車的可靠性，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)計人員可以使用一些傳導(dǎo)和對流冷卻的散熱方法，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 板布局文件和評估板。您最好獲取并使用制造商的設(shè)計，因為他們的布局經(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，特別是在運行發(fā)熱時。RFFE 性能不佳會影響整個汽車系統(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、智能手機連接、語音識別和無鑰門禁）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汽車的汽車遙控鑰匙。車主使用此功能是為了方便，但它會耗盡汽車電池。如果將遙控鑰匙靠近車輛或放在車內(nèi)，發(fā)射器和接收器會持續(xù)通信，對車輛進行 ping 操作。測試表明，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)進入汽車領(lǐng)域，采取以下措施來延長電池使用壽命至關(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)健的收入增長前景。ADAS、電動汽車、人機界面(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)計并且已經(jīng)通過 IATF 和 IEC 認(rèn)證測試的產(chǎn)品，有助于確保您的 RF 系統(tǒng)長期穩(wěn)定地工作。

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前進的動力

汽車制造商正以創(chuàng)紀(jì)錄的速度向前發(fā)展，以滿足消費者實現(xiàn)移動無線連接和更強自動駕駛汽車的期待。在這一發(fā)展進程中，汽車內(nèi)部和外部使用的 RF 技術(shù)也將日益重要。通過使用高度集成的 RF 組件并借助創(chuàng)新型智能手機技術(shù)，汽車制造商在未來開發(fā)互聯(lián)自動駕駛汽車方面將處于領(lǐng)先地位。

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審核編輯黃昊宇