未来,一辆车子究竟需要使用多少天线,才能具备自动驾驶的能力?

这可不是在开玩笑的!根据爱尔兰天线技术供应商——锐锋(Taoglas)认为,在高度自动化车辆兴起的时代,大约需要多达18根天线,才足以驱动下一代的连网车辆。当然,这是基于自动驾驶车都需要接取至5G网络的前提假设。

就算是在没有5G网络的情况下,汽车制造商目前所设计的连网车辆也需要具有各种天线的解决方案,包括从连网用的蜂窝天线、连接热点的Wi-Fi以及导航用的GNSS,到紧急呼叫系统以及其他定位技术、卫星广播、AM/FM、对象侦测用的雷达、智能手机与其他装置用的蓝牙,以及车对车与车对基础设施(V2V/V2I)等应用的专用短距离通讯(DSRC)天线。

为此,Taoglas推出了名为Axiom的参考设计,可实现轻薄、小型的多天线(约有9根天线)解决方案。Taglas成立于2007年,专为工业市场供应天线;该公司有50%的业务来自交通运输,包括卡车、公交车和汽车。 20170613_antenna_NT01P1 Axiom的9合1天线参考设计(来源:Taoglas)

天线越多越好?

那么,汽车OEM近来在连网能力方面的需求出现了什么变化?Taoglas共同执行长Dermot O’Shea表示,天线的数量正呈指数级增加。汽车制造商不断地增加车用天线,而非试图减少使用量。但有些用户并不需要AM/FM天线,因为他们用的是经由板载Wi-Fi传送的互联网广播,或是订阅卫星广播服务。但汽车制造商基本上并不情愿减少任何“功能”。

因此,天线供应商面对着巨大的挑战。他们必须保持最小封装、让天线模块更易于组装(最好是无需手动组装),而且还要价格便宜。最重要的是,天线数组必须“真正具备高性能”,O'Shea表示,虽然各种功能都做在一个小封装中,但OEM仍期望所有的天线都能随时正常作业。

已经习惯用一指搞定所有连网功能的智能手机用户,遇到汽车一驶进地下停车场就失去GPS信号的情况,可能会伤透脑筋。O'Shea说:“别担心你的车子找不到GPS卫星信号,因为当这种情况发生时,他们责怪的是汽车制造商,而不是天线供应商。”

IHS Markit车用电子首席分析师Luca De Ambroggi认同这个看法。“从五年前开始,连网能力所扮演的角色急剧变化,因为车辆需要越来越多的嵌入式解决方案与技术。因此,他们已经不再以智能手机为中心了,而是成为车载嵌入式电子产品的一部份。”

他指出,在汽车市场的搭售率可望进一步发展。“他们不仅可用于高阶车辆,也出现在中阶经济型的细分市场中。”

据De Ambroggi的观察,这种市场成长来自于一连串的驱动力量,包括技术成本降低,以及整合度更高(整合Wi-Fi、BT、NFC等多种无线技术的单芯片出现)。同时,汽车制造商为了因应更高的需求与功能条件,也从“简单”的信息娱乐功能(如热点和手机配对)升级至复杂的要求,例如系统更新/升级、诊断等;预计在不久的将来,V2V和 V2I等与安全攸关的应用以及有关AI的数据收集也将进一步带动成长。

简言之,汽车OEM与一线供应商并非来自固有连网能力的工程环境,因此,他们在设计连网车辆所需的的资源与经验方面“远落于技术曲线之后”。因此,据O'Shea的观察,“他们目前正面对必须加速设计的压力。”

车用天线和手机天线有何不同?

由于智能手机供应商已经成功地在手机中整合多支天线,也许有人会问:在比手机更大的车子上整合多支天线还有什么困难?

事实上,这可是个大工程。O’Shea提出了几点原因:首先,针对车用天线进行安全、温度与振动等标准测试的要求更严格。O’Shea解释,目前智能手机所用的安全标准并不直接适用于车规。

其次,当今的车子不再是简单地用铁打造,这表示车用天线可以从车顶移至车内。也许这对安装天线来说是个好消息,但却让OEM在决定天线安装的位置时一下子有了更多的选择。

因此,天线模块供应商不能再只提供一种“放诸四海皆准”的通用解决方案,而是必须考虑到天线模块是否适合安装在车顶或后视镜、行李厢或保险杆,甚至是仪表板内。O’Shea指出,无论天线模块最终安装在哪里,汽车制造商的每一个选择都会让天线模块供应商的设计与工程决定变得更复杂。

此外,De Ambroggi补充道:“车辆对于服务质量与可靠度的需求也相当高,毕竟连网能力还可能影响到车子的‘安全与防护’功能。”例如,eCall与V2X的应用就是最佳写照。

有鉴于车辆必须达到的关键标准要求,它所面对的“温度、严苛环境与电磁兼容性(EMC)”挑战就更重大了。例如,De Ambroggi说,如果天线位于车顶,“我们就必须考虑高达105℃的高温要求,振动则是另一项变量。还有,EMC与频率干扰也十分重要。很遗憾地,车子的引擎仍然会发出大量‘奇怪且扰人的’频率。最后,车子一直处于移动中,时快时慢,这也影响到信号接收/传送的困难度。”

O’Shea总结道:“如何以具竞争力的成本让多支天线能有效率地在小空间中运作,这正是目前汽车制造商的射频(RF)团队所面临的最大挑战。”

因此,他坦承,每一家制造商都需要具差异化的解决方案,提供多天线的参考设计,能让他们能看到“如何进行布局及其对于性能的影响,而不必等待好几个月的客制方案测试。”

智能天线?

De Ambroggi指出,Taoglas更像是一家传统的“被动式”天线供应商。不过,目前的市场上开始出现各种“智能天线”,其译码各种不同信号(Cell、Wi-Fi、GPS等)的芯片就位于天线的实体位置。

相较于这一类新兴的智能天线,O'Shea指出:“Taoglas的天线可以是被动式、主动式或甚至做成智能天线,主要取决于设计项目、汽车制造商以及涉入程度。”

他坦承,该公司刚推出的参考设计是纯天线设计,而且是被动式天线。然而,同时也是特别之处在于其GNSS通常也整合了主动式或智能天线模块。

他说:“在OEM汽车领域,Taoglas并不像Laird和Peiker等公司介入电子组件开发过程,而只是协助将天线整合于车内或电子组件中。Taoglas目前也与Laird和Peiker等公司合作这一类的设计项目。”

值得注意的是,无论是否具备智能化,天线的性能取决于其质量。O'Shea指出,Taoglas自行开发出电陶瓷配方,用于天线材料中,让天线能够承受温度和循环测试,并在77MHz~3.7GHz的宽广频谱范围内展现高度稳定的性能。O'Shea说:“你无法超越实体极限,但Taoglas开发的材料能补偿天线接近的不利影响。”目前,Taoglas在其位于台湾的制造厂生产天线。

对5G的胃口大开

许多人将5G视为最终实现安全、高度自动驾驶的关键。

Taoglas认为,汽车制造商目前对于5G连网汽车的“胃口大开”,O'Shea说,“他们想看到5G在自动驾驶车的使用案例,并着手测试其性能。”大家都很关切5G连网能力的可靠度,毕竟,5G预计将在安全的自动驾驶技术上发挥更关键的作用。

遗憾的是,5G标准至今尚未到位,Taoglas也还没准备好在其参考设计中加进5G天线。

O’Shea说:“我们目前所掌握到的是美国所使用的频率。Verizon将采用28GHz,而AT&T则是39GHz。其他的细节就不得而知了。”

O’Shea说,以28GHz及其以上的5G毫米波(mmWave)频谱来看,我们将采用支持大量天线数组的MIMO系统。但5G究竟需要多少天线、配备5G的车辆之间如何在行驶中同步通讯,以及与5G有关的基地台、交通号志与设备等细节目前仍不清楚。他强调,“这一切至少还需要2~3年的时间进行测试。”

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