汽车天线系统结构、原理及应用指南

　　电子通讯技术的发展，如今的，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（），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。

　　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（ 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。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，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。

　　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。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，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。，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

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，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？