新型汽車天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理及應(yīng)用指南

　　今天要介紹的是--新型汽車天線系統(tǒng)。

　　感謝電子通訊技術(shù)的發(fā)展，如今的汽車天線，已經(jīng)脫離了當年筆直的外觀限制，“進化”出了各種不同的外形和功能，它們也不再局限于收聽廣播，而是涵蓋了無線遙控、GPS以及4G上網(wǎng)等多種功能。隨著5G時代的臨近，各種新技術(shù)很可能徹底顛覆現(xiàn)有汽車駕駛概念，所有這些新技術(shù)，包括車對車通訊，汽車AI等等，都離不開汽車與外界的通訊，而作為這條通訊生命線的唯一硬件基礎(chǔ)--天線系統(tǒng)，其地位也將因此水漲船高。

　　限于篇幅，本文只列舉幾款新型的汽車天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用、簡單原理，以及未來發(fā)展方向。力圖在大家的腦海中，新建一個“汽車天線”文件夾。

　　你以為天線是這樣的：

　　其實，天線可以是這樣的：

　　“完美隱藏”的天線

　　上圖給大家看的，不是汽車后擋風玻璃，也不是電加熱系統(tǒng)的金屬絲，而是一款集成在后窗玻璃中的天線（來源：筆者老爹的大眾速騰），其中紅色標注的部分是AM天線，藍色是FM天線，綠色是FM/數(shù)字廣播信號天線。

　　如此汽車“天線”，有沒有超出你的理解？

　　這里的兩個FM天線，組成了最簡單的多源天線系統(tǒng)，廣播會自動選擇接收效果好的天線的信號作為信號源，或者簡單地將兩個信號疊加，提高信號強度。這樣的系統(tǒng)并不需要額外加裝一個“天線”，而是截取電熱金屬絲的其中一部分來當天線直接使用，如此巧妙地構(gòu)思達到了讓整個系統(tǒng)“大隱隱于市”的效果。

　　集成在玻璃中的天線首先由慕尼黑聯(lián)邦大學教授Heinz Lindenmeier發(fā)明的，隨后就變成了汽車天線行業(yè)的標準技術(shù)。為了規(guī)避汽車發(fā)動機和其他電子設(shè)備的干擾，大部分天線選擇集成在后窗玻璃或者側(cè)面玻璃中。

　　如果上圖中的天線還算有跡可尋。那下圖所展示的集成天線可真就是“難覓行蹤”了。

　　各種“隱型版”天線：棕色為金屬線即天線，整個結(jié)構(gòu)可以粘貼在汽車的各種特定的位置： 諸如保險杠、定風翼的內(nèi)側(cè)，后車箱蓋、車門內(nèi)等等

　　雖然這非常符合設(shè)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(shè)計削減了汽車天線系統(tǒng)的存在感，連看都看不見，誰又會主動關(guān)注這樣的天線呢？當然，也有“小隱隱于野”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(shè)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(tǒng)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?？蛇x擇的功能有：AM/FM（短竿）、數(shù)字廣播/電視（DAB/TV）、GPS、衛(wèi)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(shè)計可能會帶來一定的空間浪費，但其節(jié)省了大量單獨開發(fā)的時間和開支，結(jié)構(gòu)更加堅固，維護更加簡單，也保留了汽車天線系統(tǒng)升級的可能性。另外一點，它位于車子后頂部，具有很高的識別度，方便刷存在感……

　　逐本溯源，汽車天線系統(tǒng)是什么？

　　看完了幾款最新天線后，我們就要回歸本質(zhì)，聊一聊汽車天線系統(tǒng)到底是什么。

　　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(zhuǎn)化，使遠隔萬里的電子系統(tǒng)能夠互相交流。更重要的是，和電纜不同，天線系統(tǒng)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(tǒng)，到目前為止，依舊被稱為車載接收系統(tǒng)（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(jīng)由天線（Antenna）轉(zhuǎn)化為電信號，再由放大器（Amplifier）調(diào)整信號強度，隨后通過同軸電纜（Coaxial Cable），交由車載信息娛樂系統(tǒng)（Infotainment System）進行解碼和后期處理。這也是這篇文章主要介紹的部分。

　　必須強調(diào)的一點是，在天線這里不存在什么“兼聽則明，偏聽則暗”的說法，一種天線就應(yīng)該固定接收一定頻率范圍內(nèi)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(tǒng)的AM/FM模擬廣播信號，還有GPS、數(shù)字廣播/電視信號（DAB）、遠程控制（TS）、藍牙（Bluetooth）、衛(wèi)星信號（SDARS）、4G/5G、車對車通信（Car2Car/Car2X）等等，它們各自占據(jù)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(jīng)從今年1月1日起正式關(guān)閉了所有AM模擬信號電臺，轉(zhuǎn)而由AM數(shù)字信號代替；FM從87.5MHz到108MHz（日本為76MHz到95MHz）；數(shù)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干擾越大，發(fā)射需要的能耗也越大。所以，信號的頻率并不能無限提升，這也是為什么現(xiàn)在許多廠商宣稱的5G技術(shù)只能覆蓋小到只有一個物流工廠范圍的原因——為了提升數(shù)據(jù)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范圍則要大得多，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(tǒng)的存在價值。

　　汽車天線系統(tǒng)的工作原理

　　汽車天線系統(tǒng)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(shù)字信號的轉(zhuǎn)換（AC/DC），所以，要介紹的天線系統(tǒng)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(chǎn)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(jù)不同信號的不同頻率范圍，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(shù)字廣播信號天線的長度應(yīng)該在31到43厘米之間；對于AM模擬信號，天線長度理論上應(yīng)該在12到500米之間，但是，有誰見過半公里長的天線？更何況一輛汽車，如何裝載這么長的天線？

　　首先，在形狀上來說，天線并不一定是筆直的一根桿子。能和目標信號共振的天線，形狀五花八門，否則你以為現(xiàn)在的智能手機為什么都“沒有”天線？

　　智能手機天線圖（負責接收不同頻率信號的各個天線段）

　　其次，并不是說天線并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癥？舉個例子，F(xiàn)M標準天線為75厘米長，相當于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，天線的有效長度并不永遠受制于其物理長度。我們平時看到的長桿天線，都是被動的，單極的，其有效長度等于其物理長度，并且為高阻抗；但主動天線擁有以場效應(yīng)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厘米長的天線接收了。

　　至此，我們終于可以“隨心所欲”地設(shè)計天線了。

　　“控制”

　　至于起控制信號強度作用的放大器，主要有兩個功能：

　　1、將信號強度控制在一定程度內(nèi)：正常情況下，天線所接收到的信號強度都無法滿足信息處理的需要，所以需要放大器將信號強度提升到一定的程度，信號強度的絕對單位是dBm，0 dBm相當于1mW，10dBm相當于10mW，為對數(shù)增長關(guān)系；相對強度單位為dB，信號強度增大3dB相當于增大一倍。

　　顧名思義，放大器中的信號放大單元會將信號的強度放大，然后交由車載信息娛樂系統(tǒng)處理，并保證導(dǎo)線中信號的衰減不會影響最后的信息讀取。但根據(jù)特殊需要，放大器中會配置閉環(huán)回路，也能保證在接收到的信號強度過大時，將其削減到合理范圍。

　　2、匹配（compensation）天線和信息娛樂系統(tǒng)阻抗：簡單來說，就是要將接收系統(tǒng)（天線和放大器）的阻抗調(diào)整到接近信息娛樂系統(tǒng)阻抗，這樣可以將信號傳輸時的功率損失降到最小。通過一個阻抗轉(zhuǎn)換單元，天線從高阻抗變?yōu)?0歐姆左右的低阻抗。

　　阻抗：是指電路中電阻、電感、電容等元件對交流電的阻礙作用，不僅描述電壓和電流之間的振幅關(guān)系，也描述它們的相位關(guān)系。電阻就是電路在直流電（相位=0）下的阻抗。

　　阻抗是天線領(lǐng)域內(nèi)非常重要的概念，因為需要接收/發(fā)送的信號頻率不同，接收系統(tǒng)電路的阻抗存在很大差異。如何在動態(tài)情況下實現(xiàn)功率匹配，一直是天線系統(tǒng)電子工程師們關(guān)注的話題。

　　各個天線系統(tǒng)生產(chǎn)商所用的匹配方式也不盡相同，有無腦調(diào)試系統(tǒng)，使之接近50?的，因為50?是行業(yè)內(nèi)“約定俗成”的目標阻抗；也有根據(jù)信號強度適當改變阻抗標準的。各有利弊，這里就不展開了。

　　汽車天線系統(tǒng)變遷

　　之前看過了新型天線，我們再來看看汽車天線系統(tǒng)外觀的變遷。

　　傳統(tǒng)天線（1辮子天線、2短桿天線）與新型天線（3鯊魚鰭、4集成天線）

　　上圖1是筆者的老福特車，傳統(tǒng)的車載天線大多就是這樣一根金屬桿，有的還可以伸縮，位于車前、車頂或者車后，一不小心就被熊孩子拔下來當武器了。其功能也非常單一，無非是接收AM/FM廣播模擬信號。

　　之后出現(xiàn)了上圖2中的短桿天線，纏繞在天線桿上的金屬絲不僅能起到防止天線晃動、減小噪音的作用，同時也增加了天線的有效長度。兩者屬于所謂的傳統(tǒng)天線。

　　汽車天線系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在，各個不同的汽車制造公司都有他們自己的天線系統(tǒng)方案，比如寶馬傾向于使用鯊魚鰭天線（上圖3），簡約而不簡單，低調(diào)而不低檔，但其外形大同小異。

　　更多的公司則兼容并包，比如捷豹路虎，在通過鯊魚鰭天線實現(xiàn)GPS、LTE、衛(wèi)星信號接收的同時，他們也選擇集成天線（上圖4），來接收AM/FM以及數(shù)字廣播/電視信號。集成天線的位置不盡相同，玻璃、保險杠、定風翼等等，都可以是天線的載體；其外形也大相徑庭，有時是細長的金屬絲，有時是扁平的金屬片。這哥倆屬于所謂的新型天線。

　　至于與天線相配套的放大器，也根據(jù)需要處理的信號不同，形成各自的結(jié)構(gòu)，下圖所展示的，是FM信號放大器的一部分電路圖，以及TV/TS信號放大器的實物圖。

　　FM信號放大器電路圖，及TV/TS信號放大器實物圖

　　紅圈里是FM信號放大器的核心控制部分，其余的，則為匹配模塊、防靜電模塊、控制模塊等等。比如紅圈以下的閉合回路就是AGC（Automatic Gain Control ，信號強度自動控制），當輸入信號過高時，能夠起到負反饋作用，削減信號強度。

　　由于不是外觀件，所以放大器外觀的變化就不那么重要了。而放大器的個體大小和電子元件的大小密切相關(guān)，隨著SMD（surface-mount device，表面粘貼元件）的出現(xiàn)，最新一代的車載放大器實物大約15cm長、5cm寬、5cm厚。但隨著摩爾定律的逐漸失效，放大器的“減肥”過程也在逐漸放緩。

　　天線和放大器，就組成了最簡單的信號接收系統(tǒng)。

　　如何調(diào)試一個新天線系統(tǒng)

　　影響汽車天線系統(tǒng)功能的潛在因素實在不勝枚舉：高樓、金屬物體、風雨雷電，甚至陽光、路過的電瓶車。無人，我是說無人，可以斷言任何一款車的天線系統(tǒng)的路上表現(xiàn)。因此調(diào)試是新天線系統(tǒng)走向應(yīng)用的關(guān)鍵一步。筆者親歷過不少集成天線的調(diào)試過程，調(diào)試天線的方法有兩種——軟件模擬，或者實物測試。

　　軟件模擬沒什么好說的，在RF（Radio Frequence）領(lǐng)域，ADS（Advanced Design System）和FEA（Finite-Element-Analyse，有限元分析）軟件屬于標準配置，前者和Labview類似，可以模擬天線系統(tǒng)自身的工作情況；后者則能夠模擬天線周圍的環(huán)境，預(yù)判其接收效果。略過不表。

　　實物調(diào)試就比較有意思了，以下圖車后玻璃集成天線為例，概括起來一個字——蒙！先別笑，這里的蒙是有技術(shù)含量的，并不是玩俄羅斯輪盤。

　　集成在后窗玻璃中的天線的實際調(diào)試

　　第一蒙：基于幾十年的經(jīng)驗，汽車天線工程師們大致可以根據(jù)要求和情況，估計集成天線在車輛的哪個部位的接收效果最好。大體上說，天線應(yīng)該適當選擇較高的位置，位置越高，能夠接收到的信號強度越高，就越容易控制。

　　這里談?wù)摰能嚕赡茉趲啄旰蟛艜鲜?，工程師只能根?jù)廠家的車型介紹，結(jié)合現(xiàn)有的相似車型，提供天線位置的建議。當然，一些車輛制造商會直接給出汽車天線的位置要求，這倒是省了工程師不少事，畢竟不是每個設(shè)想都能被實現(xiàn)，其中有打自己臉還是打別人臉的區(qū)別。

　　第二蒙：具體集成天線的結(jié)構(gòu)。天線分幾股？每股多長？距離多遠？直線還是分叉等等。這個選天線的事情有可能“隨意”到不像個正兒八經(jīng)地科學測試……但是，評價一款接收系統(tǒng)好壞的標準非常簡單——系統(tǒng)對目標信號的接收和放大能力，必須達到汽車廠商的要求。

　　某一次，筆者和一個同事花了幾個小時在調(diào)試集成在后窗玻璃上的天線，整個過程其實只是不斷將3股天線中的某一根截短或加長，等待一個令人滿意的結(jié)果“自動出現(xiàn)”，說是守株待兔也并不為過。

　　當然，話要說回來，這個過程是遵循一定規(guī)律的，而這個規(guī)律，本身是不規(guī)律的，需要幾十年的經(jīng)驗積累……

　　因為——車內(nèi)的任何金屬部件，都有可能引起接收系統(tǒng)與信號的非正常共振，影響信號的輸出強度，比如座椅中的金屬支架、某一段特殊長度的導(dǎo)線；更麻煩的，是有電流通過的部件，諸如尾燈、剎車燈、整流器等等，一旦它們的電磁兼容（EMC）沒有做到完美（一般情況下，不可能完美），汽車天線工程師可能就要死一大堆腦細胞了。更不用提正式上路之后，潛在的影響因素就更多了。

　　再扯扯一些特別的技術(shù)要求，有一些FM天線直接將整個加熱網(wǎng)作為天線本體，為了防止加熱電流對高頻信號產(chǎn)生影響，加熱絲的兩端要加裝陷波器（Wavetrap），過濾掉直流的加熱電流中的交流部分。將天線集成在某個位置的方式幾乎適合所有車型，但是也有其局限性：對于AM/FM以及數(shù)字電視/廣播信號的接收，信號在被接收后，必須馬上經(jīng)由放大器處理，否則導(dǎo)線的削減效果會讓信號“消失”，所以在集成天線附近，需要給放大器預(yù)留位置。頻率更高的信號（SDARS、LTE等）則需要直接接入放大器（如鯊魚鰭天線中的情況），因為天線與放大器之間任何導(dǎo)線都可能造成高頻信號的失真。

　　汽車為何需要“新型”天線系統(tǒng)？

　　新型天線的優(yōu)點，首先當然是它能滿足汽車本身對各種新興信號的接收要求：數(shù)字廣播信號的音質(zhì)，和CD無異，我們不再需要忍受模擬信號無盡的背景雜音了；GPS信號提供車輛定位、緊急情況處理服務(wù)；遠程控制信號能實現(xiàn)汽車預(yù)加熱/制冷、發(fā)動機提前啟動等等功能，這是傳統(tǒng)天線可望而不可及的。

　　其次，新型天線不像傳統(tǒng)天線一樣容易損壞，因為它們體積更小，結(jié)構(gòu)更堅固，甚至有些位于車體內(nèi)，受到的外界環(huán)境威脅（比如熊孩子）要小得多。最后，就是“新型天線在美學上的功用”，說得直白一點：好看！如果還要形象一點，那我們就用手機作個比方吧。自己用上了智能機，那就別讓自己的愛車用大哥大了嘛！

　　敢問路在何方？

　　隨著無人駕駛等等技術(shù)的出現(xiàn)，汽車天線系統(tǒng)在原本接收信號的基礎(chǔ)上，也必定需要具備發(fā)射信號的功能，因為汽車將不再是獨立的個體，而是整個交通網(wǎng)絡(luò)的組成部分，需要與周圍的事物實時“交流”。比如新興的“Car2X”概念，就是說要讓車和其他的電子設(shè)備進行實時溝通，比如其它車、行人的手機、信號燈、交通控制網(wǎng)絡(luò)等等，就是要賦予車“自我感知和判斷”的能力——簡單的例子，“低頭族”正在一邊玩著手機一邊過馬路，汽車天線系統(tǒng)能夠通過定位手機，預(yù)判行人走向，從而自動調(diào)節(jié)車輛制動和方向系統(tǒng)，避免悲劇發(fā)生，判斷的依據(jù)，將會是汽車天線系統(tǒng)所提供的位置信息。

　　“Car2X”天線系統(tǒng)是所有汽車生產(chǎn)商關(guān)注的對象，這也給汽車天線系統(tǒng)的生產(chǎn)廠商提出了新的要求——在不久的將來，交通系統(tǒng)將成為一張網(wǎng)絡(luò)，作為其主體組成的汽車、火車、飛機等交通工具，必須協(xié)調(diào)運作，優(yōu)化效率，這通通取決于相互的信息交流，汽車天線系統(tǒng)作為信息交流的媒介，任重道遠。

　　比如炙手可熱的毫米波雷達，顧名思義，就是波長在毫米等級的信號發(fā)射/接收系統(tǒng)，其超高的頻率（30至300GHz）帶來了超快的信息交流速度，以及短距離內(nèi)較強的穿透力（但是一旦下雨，就完全失效）。毫米波雷達被用來探測車輛周圍的環(huán)境，使車輛能夠?qū)焖俚沫h(huán)境變化作出及時的“反應(yīng)”。

　　設(shè)想一下，如果你的車能夠與交通網(wǎng)絡(luò)“交流”，一路綠燈將不再是夢想；與行人“交流”，能夠避免多少車禍；與其它的車“交流”，省去了刮擦的危險等等，也許某一天，駕照將不再是駕車的前提，甚至你的愛車會“獨自”上路，購買生活用品，接送孩子上下，畫美不看。當然，實現(xiàn)這一切，只靠汽車天線系統(tǒng)的發(fā)展是遠遠不夠的，畢竟小編不能像推銷腦白金一樣介紹汽車天線系統(tǒng)不是嗎？

　　汽車天線行業(yè)現(xiàn)狀

　　目前市面上主要的汽車接收系統(tǒng)生產(chǎn)商有德國的福霸（Fuba）、凱瑟琳（Kathrein），美國的萊爾德（Liard）以及日本的原田（Harada）。國內(nèi)有蘇中天線，幾乎是處于壟斷地位。作為萬年被忽視的汽車部件，汽車天線行業(yè)并沒有自暴自棄，相反地，正因為其“不入法眼”，導(dǎo)致行業(yè)競爭異常血腥——除非有好的口碑，否則就等著被淘汰吧，再仰望下整車制造廠商，真可謂“人為刀俎，我為魚肉”，魚還游在魚塘里。

　　汽車天線行業(yè)的利潤產(chǎn)生方式也比較特殊——給邁凱輪、法拉利、賓利供貨只是吹噓技術(shù)水平的資本，即便一個天線賣上500歐元，這些高端車的年銷售量只有幾千，利潤遠遠不及10歐元一個給福特?？怂梗╢ocus）的天線，因為它的年銷售量接近百萬。對于汽車零部件行業(yè)從業(yè)人員來說，還有另外一個得瑟的機會：產(chǎn)品需要在樣車上進行路上測試，500+ps的跑車經(jīng)常會出現(xiàn)在公司車庫里，小編目測這些車是自己奮斗一輩子也買不起，那就開去測試過個癮。這里放個車內(nèi)的視角，實在是車子還沒上市，不方便透露外觀。

　　某500+ps跑車

　　此外，對天線系統(tǒng)元件的成本壓縮也是盈利的重要方式，1個電阻便宜1分錢，1個產(chǎn)品上有5個相同電阻，產(chǎn)品的生命周期為500萬件……這個成本不得不算，這也導(dǎo)致汽車天線行業(yè)的無數(shù)專利，都只能貼在墻上。目前行業(yè)的熱點，就是“Car2X”，誰走在“Car2X”研發(fā)的前列，誰就可以統(tǒng)領(lǐng)未來的汽車天線市場，畢竟，這是個求盈利的行業(yè)，技術(shù)壟斷就是市場壟斷，不是嗎？