汽车RF工程师如何设计互联汽车？

    谁能想象汽车生态系统如何演变？过去汽车只是一种简单的运输方式，如今演变成具有复杂的计算机系统，并且能够将汽车自身与我们及周围的世界连接在一起。现在，它可实现一定程度的自主驾驶，与网络通信，并提供娱乐服务。分析师预测，这些发展趋势日益强盛。据麦肯锡公司的通知，未来几年，联网汽车的数量将以每年30%的速度增长；到 2020年，五分之一的汽车将接入互联网。Strategy Analytics预测，汽车处理和线性高等驾驶员辅助系统（ADAS）RF前端（RFFE）市场规模很大，复合年增长率（CAGR）达17%（2017-2022）。

    那么汽车RF工程师如何设计互联汽车呢？让我们先来看看如何克服汽车设计中的一些很大的RF挑战。

    当今汽车格局：复杂的标准和挑战生态系统

    当今的汽车有很多可与世界互联的电子器件。对于RF系统，这意味着随着汽车制造商在车内放置更多的电信设备，就会出现很多RFFE链。下图显示了一个通用系统的示例。

    汽车RF生态系统的变化给RF系统设计人员带来了多个挑战：

    将多个支持不同标准的器件集成到汽车中，有时集成到一个模块。

    由于许多支持不同标准的器件相邻，存在共存问题。

    很大限度地减少电子部件发热。

    更加关注功耗，因为所有车辆设备都使用同一个电池电源。

    确保产品组件具有长期可靠性。

    并非汽车行业才有这些挑战，可以采用与Wi-Fi连接性和移动设备等其他应用类似的战略克服这些挑战。下面是选择汽车RF元件时的一些基本设计技巧：

    使用高度线性的有源或前端设备。

    使用能够尽量减少RFFE中的插入损耗和减少总RF链路预算的组件。

    关注RFFE的效率、电流消耗和功耗。

    使用高性能RF滤波器，以尽量减少插入损耗、温度漂移和干扰。

    考虑使用在单个封装中整合传输、接收和过滤功能的组件。

    使用符合IATF和IEC行业标准的汽车应用级产品。

    下面我们更深入地探讨RF共存、集成、天线设计、热管理、电池使用寿命和汽车可靠性的设计考量。

    解决RF共存问题

    需要流传输视频的用户希望在汽车中提供快速、可靠的服务，而在车辆内部通过网络进行流传输正迅速成为标准设置。因此，在维护流媒体服务时，务必很大限度地减少共存问题并降低线路损耗。

    但是，很大限度地支持无线频段和标准之间的共存是一项艰巨的任务。如果未采用适当的滤波配置，在以下频率可能会增加共存问题：

    2.4 GHz:

    Wi-Fi和蜂窝通信，如LTE频段41

    Wi-Fi和蓝牙

    SDARS（卫星数字音频广播服务）和LTE

    5 GHz:

    Wi-Fi和V2X（802.11p和C-V2X）

    V2X和U-NII（未经许可的国家信息基础设施）频段，具体为U-NII-3

    从2.4GHz和5GHz频谱图中可看到，在车联网中使用无线技术的带宽是多么拥挤。

    那么，缓解这些共存问题的很佳方法是什么？一些很佳做法是在设计中使用高性能RF滤波器和高线性度有源器件。

    滤波器可以减少无线电信号之间的带外干扰。

    共存滤波器可以减轻传输信号可能存在的灵敏度降低现象。

    如今的车辆通信支持天线和收发器之间的许多传输和接收路径，而隔离这些路径需要使用滤波器。这些滤波器必须：

    隔离共存频段。

    具有较低的插入损耗，以尽量减少传输功耗。

    优化接收器灵敏度。

    集成至关重要

    移动电话行业已经从分立元件向高度集成的系统模块过渡。随着汽车中整合更多连接性，汽车制造商也必须随之相应转变。将更多的功能集成到前端模块（FEM）或滤波器模块中有助于简化RF设计，如下一个框图所示。

    汽车工程师过去只关注GPS和蓝牙，但现在必须针对C-V2X等新无线标准，以及未来的 5G新无线电（NR）进行设计。设计人员必须学习以下框图中所示的所有技术，同时将其融入汽车设计中。很有可能是使用移动电话技术作为跳板。

    Qorvo工程师创建的RF Fusion?可帮助我们的客户利用集成解决方案，有效地降低设计复杂性，并缩短上市时间。其中许多复杂模块包括嵌入式滤波器，进一步降低 RF复杂度和总链路预算。

    天线和RFFE

    想象一下将鲨鱼鳍天线连接到电缆，然后连接到汽车其他地方（通常在仪表盘中）的低噪声放大器（LNA）。虽然在传统车辆制造中使用电缆是很常见的做法，但长距离布线会导致天线和RFFE之间产生插入损耗（增加链路预算）。这也会增加LNA输入端的噪声系数（Nf），特别是在蜂窝和Wi-Fi场景中，并降低信号和接收器的灵敏度。如果天线能接收到较低的功率电平，其灵敏度就会提高。

    避免这种情况的一种方式是将鲨鱼鳍模块中的天线和RFFE组件安装在车顶，尽可能靠近信号输入，并设在任何布线之前。通过靠近天线集成RFFE，可以很大限度地减少NF并提高信号性能，而保持低NF也有助于提高接收器灵敏度。

    此方法也可用于改进天线的传输功能。减少布线并将功率放大器（PA）置于很接近天线的位置将有助于减少插入损耗和功耗。如果在发送信号之前，传输端需要更多的电源，也可以使用鲨鱼鳍模块中的补偿器放大信号，并补偿电缆长度造成的损耗和链路预算。

    热管理

    在汽车应用中，关键的设计挑战之一是车内和外部环境中的热管理。汽车产品会发热，这种温度升高现象会影响系统级RF调谐和性能。

    所有无线连接和电子器件仍处在较小的汽车空间内。有限的区域内辐射热量会增加。发热也会影响汽车的可靠性，从而影响汽车的安全性能。若要缓解发热问题，需要注意以下关键参数：

    RFFE效率

    电流消耗

    功耗

    设计人员可以使用一些传导和对流冷却的散热方法，但这些在汽车中的作用有限。而小尺寸的产品外形使这一热挑战变得更加复杂。以下技术有助于解决与热有关的RF问题：

    使用组件制造商提供的PC板布局文件和评估板。您很好获取并使用制造商的设计，因为他们的布局经过了散热和热效率优化。

    使用随温度条件变化很小或没有变化的RF滤波器。如下图所示，由于温度变化，滤波器向左或向右漂移。对于汽车系统，务必使用具有出色的温度稳定性、低插入损耗和高品质因数的温度补偿滤波器，如Qorvo的BAW技术产品，帮助解决与热相关的问题（以及共存）。BAW技术的温度稳定性比SAW平均高50%。

    使用高线性度前端产品。通过使用高线性度前端产品可提高PA效率，从而优化系统效率并减少热量。在RFFE中保持很小插入损耗至关重要，特别是在运行发热时。RFFE性能不佳会影响整个汽车系统的电流消耗，并增加系统处理器的工作负荷。而处理器高负荷工作反过来会导致发热，系统性能降低，并消耗车辆电池电量。

    2017年，J.D. Power汽车可靠性研究通知指出，电池故障首次成为车主面临的十大问题之一。据其研究结果显示，电池是更换很频繁的部件，与正常磨损无关。在使用了3年的汽车中，更换电池的比例为6.1%，比2016年增加了1.3%。他们发现，许多复杂的新型车载电子系统（如信息娱乐、智能手机连接、语音识别和无钥门禁）消耗的电流增加，使电池使用寿命缩短。

    例如用于解锁和起动汽车的汽车遥控钥匙。车主使用此功能是为了方便，但它会耗尽汽车电池。如果将遥控钥匙靠近车辆或放在车内，发射器和接收器会持续通信，对车辆进行 ping操作。测试表明，将遥控钥匙靠近车辆，相比放在车外，电池消耗得更快。

    随着新的无线和有线技术进入汽车领域，采取以下措施来延长电池使用寿命至关重要：

    使用功耗低的设备解决方案。

    了解空闲和运行期间的RFFE功耗。

    使用随温度条件变化很小或没有变化的滤波器。

    可靠性和长期性能

    汽车电子行业为RF半导体供应商提供了稳健的收入增长前景。ADAS、电动汽车、人机界面（HMI）和互联信息娱乐等应用领域中的创新技术正在推动半导体行业发展，汽车工程师必须使RF和其他子系统实现无缝协同工作。这些半导体还需要满足汽车行业制定的严格可靠性要求。

    使用商用部件而不是专用汽车应用级产品可能很有诱惑力。但是，选择专为汽车应用而设计并且已经通过IATF和IEC认可测试的产品，有助于确保您的RF系统长期稳定地工作。