【導讀】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，如今演變成具有復雜的計算機系統(tǒng)，并且能夠將汽車自身與我們及周圍的世界連接在一起。現在，它可實現一定程度的自主駕駛，與網絡通信，并提供娛樂服務。分析師預測，這些發(fā)展趨勢日益強盛。據麥肯錫公司的報告，未來幾年，聯(lián)網汽車的數量將以每年30%的速度增長；到 2020年，五分之一的汽車將接入互聯(lián)網。Strategy Analytics預測，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，復合年增長率（CAGR）達17%（2017-2022）。
那么汽車RF工程師如何設計互聯(lián)汽車呢？讓我們先來看看如何克服汽車設計中的一些最大的RF挑戰(zhàn)。
當今汽車格局：復雜的標準和挑戰(zhàn)生態(tài)系統(tǒng)
當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放置更多的電信設備，就會出現很多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)設計人員帶來了多個挑戰(zhàn)：
● 將多個支持不同標準的器件集成到汽車中，有時集成到一個模塊。
● 由于許多支持不同標準的器件相鄰，存在共存問題。
● 最大限度地減少電子部件發(fā)熱。
● 更加關注功耗，因為所有車輛設備都使用同一個電池電源。
● 確保產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連接性和移動設備等其他應用類似的戰(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計技巧：
● 使用高度線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)標準的汽車應用級產品。
下面我們更深入地探討RF共存、集成、天線設計、熱管理、電池使用壽命和汽車可靠性的設計考量。
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，而在車輛內部通過網絡進行流傳輸正迅速成為標準設置。因此，在維護流媒體服務時，務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準之間的共存是一項艱巨的任務。如果未采用適當的濾波配置，在以下頻率可能會增加共存問題：
2.4 GHz:
● Wi-Fi和蜂窩通信，如LTE頻段41
● Wi-Fi和藍牙
● SDARS（衛(wèi)星數字音頻廣播服務）和LTE
5 GHz:
● Wi-Fi和V2X（802.11p和C-V2X）
● V2X和U-NII（未經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，在車聯(lián)網中使用無線技術的帶寬是多么擁擠。
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。
集成至關重要
移動電話行業(yè)已經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化RF設計，如下一個框圖所示。
汽車工程師過去只關注GPS和藍牙，但現在必須針對C-V2X等新無線標準，以及未來的 5G新無線電（NR）進行設計。設計人員必須學習以下框圖中所示的所有技術，同時將其融入汽車設計中。很有可能是使用移動電話技術作為跳板。
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，有效地降低設計復雜性，并縮短上市時間。其中許多復雜模塊包括嵌入式濾波器，進一步降低 RF復雜度和總鏈路預算。
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，但長距離布線會導致天線和RFFE之間產生插入損耗（增加鏈路預算）。這也會增加LNA輸入端的噪聲系數（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算。
熱管理
在汽車應用中，關鍵的設計挑戰(zhàn)之一是車內和外部環(huán)境中的熱管理。汽車產品會發(fā)熱，這種溫度升高現象會影響系統(tǒng)級RF調諧和性能。
所有無線連接和電子器件仍處在較小的汽車空間內。有限的區(qū)域內輻射熱量會增加。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，但這些在汽車中的作用有限。而小尺寸的產品外形使這一熱挑戰(zhàn)變得更加復雜。以下技術有助于解決與熱有關的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計，因為他們的布局經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)，務必使用具有出色的溫度穩(wěn)定性、低插入損耗和高品質因數的溫度補償濾波器，如Qorvo的BAW技術產品，幫助解決與熱相關的問題（以及共存）。BAW技術的溫度穩(wěn)定性比SAW平均高50%。
● 使用高線性度前端產品。通過使用高線性度前端產品可提高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)處理器的工作負荷。而處理器高負荷工作反過來會導致發(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。據其研究結果顯示，電池是更換最頻繁的部件，與正常磨損無關。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，許多復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，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進入汽車領域，采取以下措施來延長電池使用壽命至關重要：
● 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半導體供應商提供了穩(wěn)健的收入增長前景。ADAS、電動汽車、人機界面（HMI）和互聯(lián)信息娛樂等應用領域中的創(chuàng)新技術正在推動半導體行業(yè)發(fā)展，汽車工程師必須使RF和其他子系統(tǒng)實現無縫協(xié)同工作。這些半導體還需要滿足汽車行業(yè)制定的嚴格可靠性要求。
使用商用部件而不是專用汽車應用級產品可能很有誘惑力。但是，選擇專為汽車應用而設計并且已經通過IATF和IEC認證測試的產品，有助于確保您的RF系統(tǒng)長期穩(wěn)定地工作。
來源：Qorvo半導體
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