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??臻g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(dān)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(dāng)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(biāo)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?
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(biāo)準天線為75厘米長,相當(dāng)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(biāo)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。
評論
查看更多