汽车天线进化史：那些不得不说的故事

21ic电子网 · 公众号 · 半导体 · 2024-12-05 16:49

正文

20世纪30年代初，收音机首次被引入汽车(感谢摩托罗拉)，当时它们只是基本的AM波段设备。电源使用6伏汽车电池(12伏直到20世纪50年代初才成为标准)，其利用真空管将适中的直流电压升压为所需的板电压，方法是先通过振荡器将其斩波为方波，然后通过变压器，最后使用专用电子管进行整流。

虽然实施起来很复杂，但有一个方面并不复杂：天线。对于仅能接收AM信号的收音机，覆盖范围约为550至1600kHz，所需的只是一个基本的¼波长鞭状天线(正式名称为单极天线)，使用汽车的金属车身作为接地平面。

这种方法效果很好，价格便宜，只需要一根RF引入线，虽然它可能会被折断(意外或其他原因)，但也很容易更换。它通常安装在挡风玻璃附近，但有时也安装在车身上，沿着车门、后备箱或后保险杠的边缘(图1)。

图1：那些日子早已一去不复返了，那时只需在车身上安装一根简单的鞭状(单极)天线即可连接AM收音机。资料来源：Unsplash、维基百科

当然，AM收音机已经足够用了，但这只是暂时的。到了20世纪60年代，汽车上有了FM收音机，有些汽车上还安装了民用波段(CB)双向收音机，甚至还有业余无线电爱好者想在车里使用移动设备。天线的情况变得复杂，出现了定制化的极端例子(图2)。

图2：这种DIY的多频段、多天线方法显然不是解决该问题的大众市场解决方案。来源：Front Seat Driver/英国

快进到21世纪，人们对无线连接的期望大幅提高。我们有了全球导航卫星系统(GNSS)、4G、5G、汽车雷达等等。显然，将汽车变成一个拥有大量天线的天线“农场”既不可取，也不现实，因为每个天线都针对特定频段、带宽、波束宽度、增益和方向性进行了优化和定位。

当然，在汽车环境中提供所有这些连接功能是极具挑战性的。由于存在多种电气、射频、机械、坚固性、外观和成本问题，各种需求会相互重叠和冲突。

许多汽车供应商采用的一种解决方案是独特的“鲨鱼鳍”天线，通常位于车顶线的后部。这种鳍片允许将部分(但不是全部)所需天线放在一起，基本的鲨鱼鳍通常能支持三种无线功能(图3)。

图3：鲨鱼鳍天线外壳的外观独特而清晰(上图)，您可以花一点钱购买带有电缆和连接器的三频售后设备，用于GPS、FM收音机和Wi-Fi(下图)。资料来源：亚马逊

鲨鱼鳍设计可适应不同的连接布置。它既是一种机械解决方案和布局方案，也是一种天线布置方案(图4)。

图4：这款代表性的汽车鲨鱼鳍天线(尺寸单位为毫米)包括4G主天线、4G分集天线、导航天线和FM天线，主天线和分集天线均具有全向辐射模式，并且是完全集成到PCB中的平面印刷天线。来源：IEEE

然而，鲨鱼鳍并不适合所有的多天线布局，所以问题是下一步该怎么做。有哪些替代方案？

一种可能的解决方案来自Harman International (哈曼国际常以哈曼卡顿而闻名)，现在是三星的子公司。在2018年至2020年期间，他们开发并推出了共形智能天线(图5)。

图5：共形智能天线采用与汽车表面齐平的物理架构。来源：Harman

与遵循汽车轮廓的基本共形平面系统不同，共形智能天线更进一步。它不仅包括接收和发射天线元件，还包括传统远程信息处理控制单元(TCU)的所有电子元件，包含应用处理器、内存、汽车有线接口，所有这些使这种天线成为一种“智能”设备(图6)。

图6：远程信息处理控制单元(TCU)允许设计人员混合和更改天线模块。来源：Harman

哈曼等供应商认为，与传统的汽车天线相比，平面结构能够集成更多的无线电技术。这是因为天线元件之间的距离可以得到优化，从而使不同的无线电技术能够在较小的占地面积内更好地共存，这是一个非常重要的考虑因素。

此外，共形智能天线使电子元件非常靠近天线元件，从而将天线和无线电芯片组之间的连接长度降至最低。该公司指出，它可以将多达14个天线集成到单个设备中，并且已经进行了测试。

还有其他考虑因素：

现代汽车中的传统远程信息处理系统在车顶安装有四到六根天线，TCU安装在仪表板下方的某处。由于每多一米长的电缆都会导致更多的信号丢失和失真，因此共形智能天线可提供优化的性能，提供更大的传输功率以及更好的接收器SNR。

汽车制造商是否已经接受了这种不同的做法？遗憾的是，我没有找到答案，因为各个网站上都没有相关信息。这里的部分困难可能来自于时间，因为汽车供应商需要三到五年的时间来评估、决定并将新的先进技术纳入其产品设计和生产流程。

您对这种在汽车上安装大量天线的做法有何评价？除了鲨鱼鳍天线(鲨鱼鳍天线不仅物理空间不足，而且性能受限)，您认为还有什么替代方案？您是否参与过需要在同一位置安装独立天线进行接收和发射的设计？您又遇到了哪些意想不到的问题？

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