無線汽車設計複雜度與日俱增
過去單純的交通運輸模式，已經轉變為具有複雜電腦系統的車輛，能夠讓車輛本身及我們與周遭世界連結在一起。現在車輛不但能夠自動駕駛、透過網路通訊，還可提供娛樂功能，而分析師預測，上述趨勢只會繼續成長。
根據McKinsey & Company的資料顯示，未來幾年內聯網車輛的數量每年將增加30%；於2020年前，有1/5的車輛能連上網際網路。
Strategy Analytics預測車輛處理及先進駕駛輔助系統(ADAS)RF前端(RFFE)市場，將以17%的年複合成長率(2017~2022)成為最大市場。所以汽車RF工程師要如何設計聯網車輛？首先探討的是如何克服一些汽車設計中最大的RF挑戰。
現今車輛配備許多電子裝置與世界連線。對RF系統而言，代表出現大量RFFE鏈，因車輛製造商在汽車設置更多的電信設備。圖1為一般系統範例。
汽車RF生態系統的變化，對RF系統設計人員造成以下幾項挑戰：
．整合眾多標準至車輛之中，有時需要整合為單一模組。
．因應共存疑慮，因為上述許多標準彼此之間非常接近。
．盡可能減少電子元件散發的熱能。
．因應更高的耗電量疑慮，因為所有車輛設備都使用相同的電瓶電源。
．確保產品元件具備長期可靠度。
以上挑戰不僅只存在於汽車業，而克服挑戰的策略則與其他應用類似，例如 Wi-Fi連線及行動裝置。
以下提出部分基本設計訣竅，以選擇適合汽車的RF元件：
．使用高度線性的主動或前端裝置。
．使用的元件要能在RFFE盡量降低插入損耗，並降低整體RF鏈路預算。
．留意RFFE效率、電流消耗及功率消耗等問題。
．使用高效能RF濾波器盡量減少插入損耗、溫度漂移及干擾。
．考慮使用能在單一封裝整合發射、接收及濾波功能的元件。
．使用符合汽車規範且遵循IATF及IEC業界標準的產品。
接下來將更深入探討各項設計考量因素，範圍涵蓋RF共存、整合、天線設計、熱管理、電瓶續航力及車輛可靠度。
設計無線汽車 RF共存問題待解決
串流影片使用者期望在車內享有快速可靠的服務，由網路及車內串流正迅速成為標準需求。因此重要的是盡可能減少共存問題，並在維持串流服務時降低線路損耗。不過在無線頻段及標準之間達到最大程度的共存非常困難。如果沒有使用適當的濾波功能，就會增加以下頻率發生共存問題的機率。
2.4GHz：Wi-Fi及行動通訊，例如LTE頻段41；Wi-Fi及藍牙；SDARS(衛星數位音訊無線電服務)及LTE。5GHz：Wi-Fi及V2X(802.11p及C-V2X)；V2X及U-NII(非正式國家資訊基礎建設)頻段，尤其是U-NII-3。在2.4GHz(圖2)及5GHz(圖3)頻譜圖之中，顯示聯網汽車使用的無線技術頻寬有多麼擁擠。所以減輕以上共存問題的最佳方式為何？部分最佳實務包括在設計中使用高效能RF濾波器，以及高度線性的主動裝置。
．濾波器可減少無線電訊號之間的頻外干擾。
．共存濾波器可針對發射訊號減輕可能的減敏作用。
現今車輛通訊可在天線與收發器之間支援許多發射及接收路徑，而隔離這些路徑需要使用濾波器。這類濾波器必須由共存頻帶提供隔離、具備低插入損耗，盡可能降低發射耗電量；以及最佳化接收器靈敏度。
整合為RF設計要素
行動電話產業已由獨立元件轉為高度整合的系統模組。由於汽車在相同的整體車輛體積之中納入更多連線功能，汽車製造商也必須進行相同的轉移程序。
將更多功能整合至前端模組(FEM)或濾波器模組，有助於簡化RF設計(圖4)。
這有什麼好處？整合適當的濾波器技術，可在本質上協助處置前述的共存問題，以及熱能挑戰。
車輛工程師過去只需要擔心GPS及藍牙，但現在設計時必須遵循C-V2X等新的無線標準，未來則需要因應5G新無線電(NR)規範。設計人員必須瞭解圖5顯示的所有技術，同時將其納入汽車設計之中。其中最可能的方式，就是將行動電話技術當作跳板。為此，Qorvo工程師打造RF Fusion協助客戶利用整合式解決方案，可有效降低設計複雜度，加速上市時間。許多這類複雜模組都包括嵌入式濾波器，可進一步降低RF複雜度及整體鏈路預算。
RFFE靠近天線有助提升訊號
請想像一具鯊魚鰭天線連接至纜線，而纜線則連往汽車其他位置的低雜訊放大器(LNA，通常位於儀表板)。使用纜線連接是傳統車輛製造普遍的實務作法，不過長距離的纜線連接，可能在天線與RFFE之間造成插入損耗(增加鏈路預算)。這種作法也會在LNA輸入增加雜訊指數(NF)，尤其是行動通訊及Wi-Fi環境，並會降低訊號及接收器靈敏度。如果天線能夠接收更低的功率位準，就代表靈敏度提升。
對抗這項問題的方式之一，就是讓車頂鯊魚鰭內部的天線及RFFE元件盡可能靠近訊號輸入，並位在任何纜線之前。將RFFE整合靠近天線，就可以盡量減少 NF及提升訊號效能，而降低NF也有助於接收器靈敏度(圖6)。
同樣方法也可用於加強天線的發射功能。減少纜線連接，並將功率放大器(PA) 設置在最靠近天線的位置，將有助於降低插入損耗及耗電量。如果發射側在傳送訊號之前需要更多功率，也可以在鯊魚鰭使用補償器放大訊號，補償纜線長度造成的損耗及鏈路預算。
克服熱能挑戰需留意三大關鍵參數
溫度是車輛主要關鍵設計挑戰之一，包含車內及外部環境，當車輛溫度升高，將會影響系統層級的RF調校及效能。所有無線連線及電子裝置在同樣狹小的車輛體積中持續運作，因此會在受限區域內增加輻射熱。
熱能也會影響可靠度，可能危害汽車的各項安全功能。嘗試減輕熱能問題時，需要留意以下關鍵參數，分別為RFFE效率、電流消耗與功率消耗。
設計人員可使用的部分散熱方法為傳導及對流冷卻，不過僅限於車內使用。產品的精巧外型則讓熱能挑戰更加複雜。以下技巧可協助處置與熱有關的RF問題：
1.使用元件製造商提供的PC板布局檔案及評估板。最理想的作法就是要求及使用製造商設計，因為其布局在散熱及熱效率方面經過最佳化處理。
2.使用最低或沒有溫度偏移的RF濾波器。對汽車系統而言，必須使用具備出色溫度穩定度、低插入損耗及高品質因數的溫度補償濾波器(例如Qorvo的BAW技術)，協助對抗各項熱(及共存)相關問題。BAW技術的溫度穩定度平均比SAW高出50%。
3.使用高度線性的前端產品。使用高度線性的前端產品可維持PA效率，有助於最佳化系統效率並減少產生熱能。請務必讓RFFE的插入損耗維持在最低程度，尤其是在高溫運作時。RFFE效能不彰會影響整個汽車系統的電流消耗，加重系統處理器的工作負擔，進而產生熱能、系統退化及消耗車輛電瓶等問題。
三大方法延長電瓶續航力
2017年的J.D. Power車輛可靠度研究(J.D. Power Vehicle Dependability Study)指出，電瓶故障首次名列車主面對的前十大問題。其中的調查結果顯示，在無關一般磨耗的部分，電瓶是最常更換的元件，三年車齡的車輛中有6.1%更換電瓶，比2016年增加了1.3%。這項研究認為，眾多新型複雜的車載電子系統(例如車用資訊娛樂系統、智慧型手機連線、語音辨識及免鑰匙系統)所增加的電流消耗，拖累了電瓶續航力。解鎖及啟動車輛的遙控鑰匙(Key Fob)就是其中一個例子。車主為了便利使用這項技術，卻可能耗盡汽車電瓶。如果遙控鑰匙放在車輛附近或內部，發射器及接收器就會持續通訊，對車輛進行回音檢查。測試顯示如果將遙控鑰匙放在車輛附近，電瓶電量耗盡的速度會比放在車外更快。隨著各種新型的無線及有線技術進軍汽車領域，請務必採取下列作法延長電瓶續航力：
．使用低耗電量的目標裝置解決方案。
．瞭解閒置及運作期間的RFFE耗電量。
．使用最低或沒有溫度偏移的濾波器。
通過認證確保RF可靠度及長期效能
對RF半導體供應商而言，汽車電子裝置部門提供穩固的營收成長前景。像是ADAS、電動車、人機介面(HMI)及連網車用資訊娛樂系統等應用的創新成果，正帶動半導體領域提供更豐富的產品，而汽車工程師必須讓RF及其他子系統緊密地配合運作。這類半導體產品也用於因應汽車業嚴格的可靠度要求。使用商用零件取代符合汽車規範的專屬產品，或許是很吸引人的作法。不過選擇專為汽車應用設計，並且通過IATF及IEC認證測試的產品，可協助確保RF系統能夠長期運作。
總而言之，汽車製造商以破紀錄的飛快速度演進發展，因應消費者在外行動的無線連線需求，並打造更能自主操作的汽車。在這項演進發展過程中，車輛內外的RF技術將更為重要。汽車製造商使用高度整合的RF元件，並以創新的智慧型手機技術為跳板，就可享有優勢開發未來的連網自駕車。
(本文由Qorvo提供)
