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新型汽车天线系统结构、原理及应用指南

2016-06-30 11:32
雷本祖
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  “控制”

  至于起控制信号强度作用的放大器,主要有两个功能:

  1、将信号强度控制在一定程度内:正常情况下,天线所接收到的信号强度都无法满足信息处理的需要,所以需要放大器将信号强度提升到一定的程度,信号强度的绝对单位是dBm,0 dBm相当于1mW,10dBm相当于10mW,为对数增长关系;相对强度单位为dB,信号强度增大3dB相当于增大一倍。

  顾名思义,放大器中的信号放大单元会将信号的强度放大,然后交由车载信息娱乐系统处理,并保证导线中信号的衰减不会影响最后的信息读取。但根据特殊需要,放大器中会配置闭环回路,也能保证在接收到的信号强度过大时,将其削减到合理范围。

  2、匹配(compensation)天线和信息娱乐系统阻抗:简单来说,就是要将接收系统(天线和放大器)的阻抗调整到接近信息娱乐系统阻抗,这样可以将信号传输时的功率损失降到最小。通过一个阻抗转换单元,天线从高阻抗变为50欧姆左右的低阻抗。

  阻抗:是指电路中电阻、电感、电容等元件对交流电的阻碍作用,不仅描述电压和电流之间的振幅关系,也描述它们的相位关系。电阻就是电路在直流电(相位=0)下的阻抗。

  阻抗是天线领域内非常重要的概念,因为需要接收/发送的信号频率不同,接收系统电路的阻抗存在很大差异。如何在动态情况下实现功率匹配,一直是天线系统电子工程师们关注的话题。

  各个天线系统生产商所用的匹配方式也不尽相同,有无脑调试系统,使之接近50?的,因为50?是行业内“约定俗成”的目标阻抗;也有根据信号强度适当改变阻抗标准的。各有利弊,这里就不展开了。

  汽车天线系统变迁

  之前看过了新型天线,我们再来看看汽车天线系统外观的变迁。

传统天线(1辫子天线、2短杆天线)与新型天线(3鲨鱼鳍、4集成天线)

传统天线(1辫子天线、2短杆天线)与新型天线(3鲨鱼鳍、4集成天线)

  上图1是笔者的老福特车,传统的车载天线大多就是这样一根金属杆,有的还可以伸缩,位于车前、车顶或者车后,一不小心就被熊孩子拔下来当武器了。其功能也非常单一,无非是接收AM/FM广播模拟信号。

  之后出现了上图2中的短杆天线,缠绕在天线杆上的金属丝不仅能起到防止天线晃动、减小噪音的作用,同时也增加了天线的有效长度。两者属于所谓的传统天线。

  汽车天线系统发展到现在,各个不同的汽车制造公司都有他们自己的天线系统方案,比如宝马倾向于使用鲨鱼鳍天线(上图3),简约而不简单,低调而不低档,但其外形大同小异。

  更多的公司则兼容并包,比如捷豹路虎,在通过鲨鱼鳍天线实现GPS、LTE、卫星信号接收的同时,他们也选择集成天线(上图4),来接收AM/FM以及数字广播/电视信号。集成天线的位置不尽相同,玻璃、保险杠、定风翼等等,都可以是天线的载体;其外形也大相径庭,有时是细长的金属丝,有时是扁平的金属片。这哥俩属于所谓的新型天线。

  至于与天线相配套的放大器,也根据需要处理的信号不同,形成各自的结构,下图所展示的,是FM信号放大器的一部分电路图,以及TV/TS信号放大器的实物图。

FM信号放大器电路图

FM信号放大器电路图,及TV/TS信号放大器实物图

  红圈里是FM信号放大器的核心控制部分,其余的,则为匹配模块、防静电模块、控制模块等等。比如红圈以下的闭合回路就是AGC(Automatic Gain Control ,信号强度自动控制),当输入信号过高时,能够起到负反馈作用,削减信号强度。

  由于不是外观件,所以放大器外观的变化就不那么重要了。而放大器的个体大小和电子元件的大小密切相关,随着SMD(surface-mount device,表面粘贴元件)的出现,最新一代的车载放大器实物大约15cm长、5cm宽、5cm厚。但随着摩尔定律的逐渐失效,放大器的“减肥”过程也在逐渐放缓。

  天线和放大器,就组成了最简单的信号接收系统。

  如何调试一个新天线系统

  影响汽车天线系统功能的潜在因素实在不胜枚举:高楼、金属物体、风雨雷电,甚至阳光、路过的电瓶车。无人,我是说无人,可以断言任何一款车的天线系统的路上表现。因此调试是新天线系统走向应用的关键一步。笔者亲历过不少集成天线的调试过程,调试天线的方法有两种——软件模拟,或者实物测试。

  软件模拟没什么好说的,在RF(Radio Frequence)领域,ADS(Advanced Design System)和FEA(Finite-Element-Analyse,有限元分析)软件属于标准配置,前者和Labview类似,可以模拟天线系统自身的工作情况;后者则能够模拟天线周围的环境,预判其接收效果。略过不表。

  实物调试就比较有意思了,以下图车后玻璃集成天线为例,概括起来一个字——蒙!先别笑,这里的蒙是有技术含量的,并不是玩俄罗斯轮盘。

集成在后窗玻璃中的天线的实际调试

  第一蒙:基于几十年的经验,汽车天线工程师们大致可以根据要求和情况,估计集成天线在车辆的哪个部位的接收效果最好。大体上说,天线应该适当选择较高的位置,位置越高,能够接收到的信号强度越高,就越容易控制。

  这里谈论的车,可能在几年后才会上市,工程师只能根据厂家的车型介绍,结合现有的相似车型,提供天线位置的建议。当然,一些车辆制造商会直接给出汽车天线的位置要求,这倒是省了工程师不少事,毕竟不是每个设想都能被实现,其中有打自己脸还是打别人脸的区别。

  第二蒙:具体集成天线的结构。天线分几股?每股多长?距离多远?直线还是分叉等等。这个选天线的事情有可能“随意”到不像个正儿八经地科学测试……但是,评价一款接收系统好坏的标准非常简单——系统对目标信号的接收和放大能力,必须达到汽车厂商的要求。

  某一次,笔者和一个同事花了几个小时在调试集成在后窗玻璃上的天线,整个过程其实只是不断将3股天线中的某一根截短或加长,等待一个令人满意的结果“自动出现”,说是守株待兔也并不为过。

  当然,话要说回来,这个过程是遵循一定规律的,而这个规律,本身是不规律的,需要几十年的经验积累……

  因为——车内的任何金属部件,都有可能引起接收系统与信号的非正常共振,影响信号的输出强度,比如座椅中的金属支架、某一段特殊长度的导线;更麻烦的,是有电流通过的部件,诸如尾灯、刹车灯、整流器等等,一旦它们的电磁兼容(EMC)没有做到完美(一般情况下,不可能完美),汽车天线工程师可能就要死一大堆脑细胞了。更不用提正式上路之后,潜在的影响因素就更多了。

  再扯扯一些特别的技术要求,有一些FM天线直接将整个加热网作为天线本体,为了防止加热电流对高频信号产生影响,加热丝的两端要加装陷波器(Wavetrap),过滤掉直流的加热电流中的交流部分。将天线集成在某个位置的方式几乎适合所有车型,但是也有其局限性:对于AM/FM以及数字电视/广播信号的接收,信号在被接收后,必须马上经由放大器处理,否则导线的削减效果会让信号“消失”,所以在集成天线附近,需要给放大器预留位置。频率更高的信号(SDARS、LTE等)则需要直接接入放大器(如鲨鱼鳍天线中的情况),因为天线与放大器之间任何导线都可能造成高频信号的失真。

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