【導(dǎo)讀】現(xiàn)代車輛能夠提供一系列令人眼花繚亂的駕駛員安全性、舒適性和信息娛樂(lè)等功能,其中許多都依賴于無(wú)線連接。集成有天線預(yù)認(rèn)證無(wú)線的模塊產(chǎn)品非常受市場(chǎng)歡迎,但它們卻不能為某些特定應(yīng)用提供可行的選擇方案。當(dāng)工程團(tuán)隊(duì)需要將天線作為設(shè)計(jì)的一部分時(shí),市場(chǎng)存在哪些選項(xiàng)?本文將討論這些問(wèn)題。為了幫助讀者,我們?cè)诒疚闹幸埠w了天線設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)知識(shí),并幫助解釋選擇天線時(shí)可能遇到的一些術(shù)語(yǔ)。本文還將重點(diǎn)介紹安裝在車輛外部的天線,例如用于 ADAS、GPS、V2X,以及安裝在 ECU 或信息娛樂(lè)系統(tǒng)內(nèi)部的天線,其目的是實(shí)現(xiàn)車載 Wi-Fi 和藍(lán)牙連接。
連接性和當(dāng)代汽車
從1970 年代使用的簡(jiǎn)單伸縮天線開(kāi)始,汽車天線已經(jīng)走過(guò)了很長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程。早期階段,在信息娛樂(lè)系統(tǒng)出現(xiàn)之前,我們需要天線的唯一目的是用于汽車收音機(jī)。而今,越來(lái)越多的功能需要天線。信息娛樂(lè)系統(tǒng)可單獨(dú)承載收音機(jī)、導(dǎo)航系統(tǒng)以及與智能手機(jī)的無(wú)線連接;高級(jí)駕駛員輔助系統(tǒng) (ADAS) 的某些方面還需要與其他基于云的服務(wù)進(jìn)行無(wú)線連接,以便查閱交通路線,實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的車對(duì)車 (V2V/C2C) 和車對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施 (V2X/C2X)通信功能。在車內(nèi),無(wú)線通信用于提供Wi-Fi,為乘客提供便利以及實(shí)現(xiàn)不同功能之間的通信,例如,可用于車門后視鏡中盲點(diǎn)檢測(cè)指示器。
現(xiàn)在已經(jīng)是汽車互連時(shí)代,不起眼的天線卻發(fā)揮著重要作用,能夠?yàn)檐噧?nèi)和車外服務(wù)提供可靠且靈活的無(wú)線通信。
選擇合適的天線需要充分了解應(yīng)用需求,其中工作頻率是基本參數(shù)。當(dāng)今的車載收音機(jī)調(diào)諧器很少有中波(530 ~ 1,700 kHz)或長(zhǎng)波(150 ~250 kHz)頻段選項(xiàng),而甚高頻 (VHF) 調(diào)頻 (FM) 廣播電臺(tái)(80 ~108 MHz)則最受歡迎。英國(guó)數(shù)字音頻廣播 (DAB)等更高質(zhì)量數(shù)字廣播已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn),它們使用 175 ~240 MHz 頻譜。
除了無(wú)線電廣播,其它主要的無(wú)線頻率范圍包括 Wi-Fi 和藍(lán)牙 - 2.4 GHz、GNSS - 1.1 ~ 1.6 GHz,以及手機(jī) - 700 MHz、850 MHz 和 1,700 ~ 2,100 MHz。此外,5G 蜂窩通信在之前的基礎(chǔ)上增加了 6 GHz。大多數(shù) V2X/V2V 應(yīng)用使用以 5.9 GHz 為中心的蜂窩通信方法。
天線類型
天線大致分為外部天線和內(nèi)部天線兩大類別。
外部天線通常安裝在車頂后方,以最大限度地減少來(lái)自發(fā)動(dòng)機(jī)的電氣干擾。除了天線的電氣特性(將在下一節(jié)介紹)之外,保護(hù)天線免受濕氣、灰塵和其他污染物進(jìn)入也至關(guān)重要。國(guó)際 IP 標(biāo)準(zhǔn)定義了入口的保護(hù)。天線由于暴露在惡劣的天氣條件下,需要在潮濕、結(jié)冰或遭受強(qiáng)風(fēng)等情況下可靠運(yùn)行。許多外部天線封裝在“鯊魚(yú)鰭”式塑料外殼內(nèi),以滿足車輛美學(xué)和環(huán)境條件要求。天線外殼為流線型,材質(zhì)也可噴涂為車輛顏色。其他外部天線包括“圓盤(pán)”式裝置,通常能夠以磁性方式附著在車身上。許多外部天線將多個(gè)天線組合在同一個(gè)外殼內(nèi),但都采用單獨(dú)布線,例如GNSS、蜂窩/5G 和 V2X/V2C等天線。
內(nèi)部天線則比較多樣化,通??砂惭b在 PCB 上或蝕刻為 PCB 金屬線跡。一些內(nèi)置天線設(shè)計(jì)安裝在所連接系統(tǒng)的外部,并且通常隨附一個(gè)自粘安裝墊和一條連接到嵌入式系統(tǒng)的同軸電纜。
天線基礎(chǔ)知識(shí)
在為您的應(yīng)用選擇天線時(shí),需要考慮幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。天線的性能包括幾個(gè)不同的屬性,可確保將射頻能量從發(fā)射器以最有效的方式傳輸?shù)教炀€,之后輻射到自由空間。發(fā)射器的信號(hào)輸出是沿傳輸線(例如同軸電纜)發(fā)送到天線。同樣,接收到的信號(hào)也需要被天線有效地拾取并傳輸?shù)浇邮掌?。天線是最簡(jiǎn)單形式的一段電線,其長(zhǎng)度由所需要的工作頻率決定。當(dāng)天線的長(zhǎng)度等于發(fā)射或接收信號(hào)的波長(zhǎng)時(shí),天線就會(huì)發(fā)生諧振。例如,頻率為 2.4GHz時(shí)的波長(zhǎng)為 12.5cm。
在大多數(shù)情況下,天線的效率僅限于較窄的頻率范圍。天線能夠以多種不同方式構(gòu)建,其中最簡(jiǎn)單的是偶極子。偶極子通常是根據(jù)它們的工作波長(zhǎng)來(lái)描述,即全波或半波偶極子等。
為了幫助選擇和閱讀天線數(shù)據(jù)表,以下是可能遇到的一些關(guān)鍵參數(shù)簡(jiǎn)要說(shuō)明:
回波損耗:該術(shù)語(yǔ)表示天線與發(fā)射器的輸出部分和傳輸線的匹配程度?;夭〒p耗以 dB 表示,表示由于不匹配而從天線和傳輸線反射發(fā)射器輸出信號(hào)的多少。大多數(shù)天線的阻抗為 50歐姆,因此它們需要與傳輸線和發(fā)射器末級(jí)相匹配。回波損耗以 dB 為單位,其值越高,反射功率越小。完美匹配會(huì)導(dǎo)致幾乎無(wú)限(infinite)的回波損耗。另一種測(cè)量回波損耗的方法是使用電壓駐波比 (VSWR),VSWR 表示發(fā)射器輸出功率與反射功率量之間的比率,完美的匹配可表示為 VSWR 1(也就是 1:1)。VSWR 或回波損耗參數(shù)都會(huì)在特定頻率或工作窄帶頻譜的天線數(shù)據(jù)表中指明。
VSWR 為 2 時(shí)表示回波損耗為 10dB,這些指標(biāo)可用作設(shè)計(jì)要達(dá)到的最佳實(shí)踐基準(zhǔn)。
數(shù)據(jù)表通常包括天線 VSWR 和回波損耗性能與頻率的關(guān)系圖。圖 1 說(shuō)明了 PulseLarsen 天線的 VSWR 圖表,其最佳工作頻率范圍為用于蜂窩或 ISM 通信的 650 ~ 880 MHz。
圖 1:PulseLarsen 薄型天線 ICEFIN 系列的 VSWR 圖表。(來(lái)源:PulseLarsen)
輻射方向圖和天線增益:圖 2 重點(diǎn)顯示了PulseLarsen ICEFIN 天線的輻射方向圖特性。一些天線的結(jié)構(gòu)使其在某些方向上比其他方向能夠更有效地輻射射頻能量。有時(shí)一個(gè)天線會(huì)出現(xiàn)某個(gè)特定增益,在給定方向上的輻射功率量大于天線的輸入功率。全向輻射圖被認(rèn)為是大多數(shù)實(shí)際應(yīng)用的理想選擇,并且平面特性(垂直/仰角或水平)對(duì)于某些應(yīng)用至關(guān)重要。請(qǐng)注意,天線特性中接收性能和發(fā)射性能同樣重要。
圖 2:PulseLarsen ICEFIN 天線的輻射特性。(來(lái)源:PulseLarsen)
阻抗匹配:如前所述,大多數(shù)天線提供 50 歐姆的阻抗。天線需要與發(fā)射器和傳輸線的輸出阻抗相匹配。對(duì)于一根同軸電纜,其阻抗對(duì)于外部天線來(lái)說(shuō)是匹配的,但如果您必須添加電纜,則必須同樣與天線的阻抗相匹配。對(duì)于 PCB 天線,可能需要在收發(fā)器 IC 和印刷或表面安裝天線之間創(chuàng)建一個(gè)匹配電路,該電路通常由電感器和電容器組成,其阻抗隨頻率變化。天線的阻抗和回波損耗/VSWR 特性可使用一種稱為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA) 的專業(yè)測(cè)試工具進(jìn)行測(cè)量,矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可作為獨(dú)立儀器使用,或集成到高端射頻頻譜分析儀中一起使用。
矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀通常包含許多帶有圖形顯示的測(cè)試功能,例如 VSWR、回波損耗和阻抗等。天線阻抗通常顯示為史密斯圓圖(Smith chart),請(qǐng)參見(jiàn)圖 3。
圖 3:Taoglas MA310 GNSS 天線的阻抗史密斯圓圖。(來(lái)源 :Taoglas)
簡(jiǎn)而言之,圖表的中心線(紅色)是電阻阻抗。在上方,它是電感性,在下方,為電容性。右邊是開(kāi)路情況,左邊是短路情況。綠色曲線突出顯示了天線阻抗隨頻率的變化。紅線上的 1.0 位置表示天線阻抗的完美匹配。
示例天線
如圖 4所示,Taoglas Raptor 3是一個(gè)外部安裝“鯊魚(yú)鰭”型IP67 級(jí)天線示例。該天線適用于汽車和商用車等應(yīng)用,并可把多個(gè)天線集成在一個(gè)封裝中,可提供 GNSS、4G/5G 蜂窩 MIMO、雙頻 Wi-FI、有源 AM/FM 天線和 TETRA(集群無(wú)線電)。
圖4 :Taoglas Raptor 3 “鯊魚(yú)鰭”型外置天線。(來(lái)源:Taoglas)
對(duì)于 GNSS 應(yīng)用,內(nèi)部安裝的嵌入貼片式Taoglas GPDF357 支持所有 GPS 和伽利略頻段,并可提供良好的增益和全向功能。此外,該緊湊型天線(請(qǐng)參見(jiàn)圖 5)適用于智能農(nóng)業(yè)和公共安全領(lǐng)域的一系列高精度定位應(yīng)用。
圖 5:Taoglas GPDF357 GNSS 天線。(來(lái)源:Taoglas)
另一種多頻段天線是外部安裝的 4 合 1 Taoglas MA354 ,這種扁平緊湊型 IP65 級(jí)天線具有集成的磁性安裝座,可在車輛上快速免鉆孔安裝。五個(gè)內(nèi)置天線支持雙頻 Wi-Fi、兼容3G/2G的4G/5G和GNSS。
圖 6 :Taoglas MA354緊湊型外置磁性安裝天線。(來(lái)源:Taogla)
另一種外部安裝的 IP67 級(jí)多頻天線是 PulseLarsen IceFin系列,請(qǐng)參見(jiàn)圖 7。該系列能夠提供的天線工作頻率范圍是 698 ~ 6000MHz。
圖 7:PulseLarsen IceFin 多頻天線。(來(lái)源:PulseLarsen)
PulseLarsen 還提供一系列天線套件,包含用于原型設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)目的各種嵌入式、內(nèi)部和外部天線。該套件可提供三個(gè)版本:工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 (ISM) 天線套件、LoRa 天線套件和物聯(lián)網(wǎng) (IoT)。其中一個(gè)例子是物聯(lián)網(wǎng)天線套件,它包含 26 種不同的天線,適用于各種采用雙頻 Wi-Fi、蜂窩和 GNSS 連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用,天線類型包括陶瓷、螺旋(helical)、PCB、棒型和刀片變體型等等。
可靠連接需要合適的天線
在本文中,我們總結(jié)了能夠幫助您進(jìn)行天線選擇的基本信息,其中也介紹了一些流行的天線類型,并舉例說(shuō)明了一些示例。為了幫助理解數(shù)據(jù)表信息,我們還簡(jiǎn)要討論了一些需要注意的重要天線參數(shù),這些或許能幫助您針對(duì)具體應(yīng)用選擇適合的天線。
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