新型汽車天線系統結構、原理及應用指南

2020-12-08 OFweek維科網

　　雖然這非常符合設計者的初衷——在不影響車輛造型的前提下，力求獲得完美的信號接收效果。但在某種程度上，這樣的設計削減了汽車天線系統的存在感，連看都看不見，誰又會主動關注這樣的天線呢？當然，也有「小隱隱於野」的辦法，這種天線可能大家都見過，就是所謂的鯊魚鰭天線。

鯊魚鰭天線分解圖

　　上圖中這款為寶馬設計的鯊魚鰭天線，和樂高非常類似，電路板是底盤，各種天線系統模塊可以像積木一樣添加上去，以配合不同車型對天線的要求。可選擇的功能有：AM/FM（短竿）、數字廣播/電視（DAB/TV）、GPS、衛星信號（SDARS）、遠程控制（TS）、近距離無線信號交流（Car2X）、LTE等等，典型的看菜吃飯。

　　這樣的設計可能會帶來一定的空間浪費，但其節省了大量單獨開發的時間和開支，結構更加堅固，維護更加簡單，也保留了汽車天線系統升級的可能性。另外一點，它位於車子後頂部，具有很高的識別度，方便刷存在感……

　　逐本溯源，汽車天線系統是什麼？

　　看完了幾款最新天線後，我們就要回歸本質，聊一聊汽車天線系統到底是什麼。

　　首先說說天線，它的最大功能就是完成電路中的電信號與空間中的電磁信號的相互轉化，使遠隔萬裡的電子系統能夠互相交流。更重要的是，和電纜不同，天線系統信息傳遞的兩端可以自由移動，這完美契合了汽車這種交通工具的使用限定。

　　汽車天線系統，到目前為止，依舊被稱為車載接收系統（Automotive Reception System），因為其功能還集中在接收信號方面。空間中的電磁信號經由天線（Antenna）轉化為電信號，再由放大器（Amplifier）調整信號強度，隨後通過同軸電纜（Coaxial Cable），交由車載信息娛樂系統（Infotainment System）進行解碼和後期處理。這也是這篇文章主要介紹的部分。

　　必須強調的一點是，在天線這裡不存在什麼「兼聽則明，偏聽則暗」的說法，一種天線就應該固定接收一定頻率範圍內的電磁信號，因此天線就是通過選擇性接收不同的信號頻率。除了傳統的AM/FM模擬廣播信號，還有GPS、數字廣播/電視信號（DAB）、遠程控制（TS）、藍牙（Bluetooth）、衛星信號（SDARS）、4G/5G、車對車通信（Car2Car/Car2X）等等，它們各自佔據不同的頻率段，如下圖所示。

車載不同信號的頻率段分布（來源：Karsten Ropers， Fuba Automotive Electronics）

　　AM模擬信號這個夕陽頻率從153kHz到6.2MHz，德國等多個歐洲國家已經從今年1月1日起正式關閉了所有AM模擬信號電臺，轉而由AM數位訊號代替；FM從87.5MHz到108MHz（日本為76MHz到95MHz）；數字廣播從174MHz到240MHz；GPS信號從1574.397MHz到1576.443MHz等等。

　　大體上，電磁信號的頻率越高，其在空間中傳輸信息的速率越快，但在傳播時，折射反射衍射等對信號的幹擾越大，發射需要的能耗也越大。所以，信號的頻率並不能無限提升，這也是為什麼現在許多廠商宣稱的5G技術只能覆蓋小到只有一個物流工廠範圍的原因——為了提升數據交換速度（信號頻率），信號的廣度被犧牲了。

　　而頻率較低的信號的覆蓋範圍則要大得多，比如在德國，能收到波蘭，甚至英國的AM模擬信號。

　　以上也是廣義的，天線系統的存在價值。

　　汽車天線系統的工作原理

　　汽車天線系統只是承擔接收信號，控制信號強度的工作。此工作不涉及編碼/解碼（Modulation/Demodulation）或者模擬/數位訊號的轉換（AC/DC），所以，要介紹的天線系統原理，也只涉及如何接收信號，以及如何控制信號強度。

　　「接收」

　　從最簡單的理論上來說，當天線和空間中的某個電磁信號產生共振時，電磁信號會被「接收」為電信號，使下一步的信息提取成為可能，如下圖。而此信號攜帶的信息不會丟失——即所謂的信號不失真——的前提，是天線的有效長度達到信號波長的4分之1。

　　所以，根據不同信號的不同頻率範圍，我們可以大概估計出接收此信號的天線的最短長度（波長=光速/頻率，天線長度≈波長/4），比如數字廣播信號天線的長度應該在31到43釐米之間；對於AM模擬信號，天線長度理論上應該在12到500米之間，但是，有誰見過半公裡長的天線？更何況一輛汽車，如何裝載這麼長的天線？

　　首先，在形狀上來說，天線並不一定是筆直的一根杆子。能和目標信號共振的天線，形狀五花八門，否則你以為現在的智慧型手機為什麼都「沒有」天線？

智慧型手機天線圖（負責接收不同頻率信號的各個天線段）

　　其次，並不是說天線並不是只在完美共振的情況下才能接收信號，否則要是想聽所有FM頻道，豈不是就要得天線密集恐懼症？舉個例子，FM標準天線為75釐米長，相當於100MHz信號波長的4分之1，但它被用作整個FM頻率段（87.5至108MHz）的標準天線，可以接收FM頻率段的所有信號。

　　再次，也是最重要的，天線的有效長度並不永遠受制於其物理長度。我們平時看到的長杆天線，都是被動的，單極的，其有效長度等於其物理長度，並且為高阻抗；但主動天線擁有以場效應管（FET）和電源為主體的特殊電路，能讓天線接收信號的有效長度，突破其物理長度的限制；也就是說，原本需要500米長的天線接收的信號，也可以用20釐米長的天線接收了。

　　至此，我們終於可以「隨心所欲」地設計天線了。

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