我最近在一個當地的古董車展上走了一圈,那些車至少有25歲。轉了一圈,我發現幾乎每輛車都有一根簡單的鞭狀天線,通常安裝在靠近駕駛側的車身面板上。

但當今時代,大多數的汽車上都沒有這種鞭狀天線了。取而代之的,我們開始有一種天線「農場」:AM廣播波段收音機(通常內建在擋風玻璃層之間),用於GPS、Wi-Fi、FM廣播、蜂巢等的鯊魚鰭天線,如圖1。

20171206NT01P1 圖1 使用不同頻段的多個天線共用一個位置並不罕見,特別是在固定位置安裝。(圖片來源:Pinterest)

與固定場所(在家庭業餘無線電,軍事基站等)使用的固定天線陣列不同,這個天線農場在使用時處於移動狀態,所以突起和抗風力是一個考量因素,如圖2。這意味著業界在強制進行簡化,雖然突起的天線設計方便,又利於射頻性能。

20171206NT01P2 圖2 隨著汽車無線連接數量的增加,它們看起來就和固定場所的陣列天線一樣多,但由於自身的移動性,它們隨著車輛速度的增加會產生嚴重的後果。(圖片來源:WA8LMF網站)

因此,就射頻需求和約束而言,自動天線設計和佈局將變得更像飛機設計。隨著所有汽車設計師必須適應的所有新的無線需求,例如各種蜂巢頻帶、Wi-Fi、甚至5G及其MIMO要求、車對車(V2V)、雷達(77GHz等)等。而且,隨著汽車未來“自主駕駛”,其射頻連接需求可能會增加。

一種選擇是盡可能使用多頻帶天線。當然,這種方法有其自己的權衡。多頻段天線節省了空間、佈線和電子元件,但是對前端放大器提出了寬頻前端問題,與最佳化的單頻段天線相比,性能往往會降低。

鈑金車身對汽車的挑戰越來越大。一方面,它有可能成為一種接地層(不一定非常好,但這是一個開始),因此即使它們看起來不像那些天線,也可以使用一些鞭狀的非平衡天線。另一方面,金屬表面會有遮罩作用,扭曲射頻場且阻擋訊號,因此提供所需的方向性(全方位或其他)可能是一個令設計者真正頭痛問題。

好消息是,電磁場建模和模擬套裝軟體,尤其是那些具有重要天線建模工具的套裝軟體,正在變得越來越好(由於我最近沒有使用過任何一個,所以就不做推薦了)。儘管自由空間模擬是困難的,但它的確是可行的,同時也提供了適應車輛各種表面的良好模型和工具,馬達缸體、變速箱等——這很難。

如果在用戶期望、外觀、里程、風噪、成本等因素方面,汽車設計只有其他幾個限制條件,那麼天線「農場」的挑戰可能更容易解決,但事實上還有更多的其他限制和要求。只要想想與這些天線、射頻前端、金屬和類似天線罩的車身面板,特殊連接器等相關的維修成本,定會讓客戶目瞪口呆的!

如果在幾年之內,汽車會包括更多的射頻透明表面(微型天線罩),以及使用不導電的流線型車身,我不會感到驚訝。

下一個十年,汽車天線佈局圖會像飛機那樣複雜嗎?如圖3。我們正在接近這種情況。如果標準的天線套件被開發出來,供不同的製造商使用,以降低成本並簡化替換,那將是一件好事,但我懷疑這是否會發生。

20171206NT01P3 圖3 一架波音787的天線設計。為所需的許多射頻鏈路提供精心佈置、高度最佳化,以及令人震驚的多樣化天線。(圖片來源:波音)

越來越多的無線鏈路、更多的頻段、增加的不同頻寬——對於汽車天線的這些演進趨勢,您有什麼感覺?由於必須進行折衷,這些解決方案到底行不行?最終會不會出現一個相當不錯的汽車天線「農場」?

(參考原文: Considering the Car as a Mobile Antenna “Farm”,by Bill Schweber,EDN China胡安編譯)