[讨论] 汽车 RF 前端主要设计技巧

无线汽车设计愈来愈复杂。下面介绍如何解决此问题
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。据麦肯锡公司的报告，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，汽车处理和线性高级驾驶员辅助系统 (ADAS) RF 前端 (RFFE) 市场规模最大，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最大的 RF 挑战。
 
当今的汽车格局：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中
由于许多支持不同标准的器件相邻，存在共存问题
最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，务必最大限度地减少共存问题并降低线路损耗。
但是，最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 2.4 GHz 和 5 GHz 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最佳方法是什么？一些最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，进一步降低了 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，可以最大限度地减少 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) 置于最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。您最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最小或没有变化的 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 中保持最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。

电池使用寿命

2017 年，J.D. Power 汽车可靠性研究报告指出，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，电池是更换最频繁的部件，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最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 认证测试的产品，有助于确保您的 RF 系统长期稳定地工作。

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