未來,一輛車子究竟需要使用多少天線,才能具備自動駕駛的能力?

這可不是在開玩笑的!根據愛爾蘭天線技術供應商——銳鋒(Taoglas)認為,在高度自動化車輛興起的時代,大約需要多達18根天線,才足以驅動下一代的連網車輛。當然,這是基於自動駕駛車都需要接取至5G網路的前提假設。

就算是在沒有5G網路的情況下,汽車製造商目前所設計的連網車輛也需要具有各種天線的解決方案,包括從連網用的蜂巢式天線、連接熱點的Wi-Fi以及導航用的GNSS,到緊急呼叫系統以及其他定位技術、衛星廣播、AM/FM、物件偵測用的雷達、智慧型手機與其他裝置用的藍牙,以及車對車與車對基礎設施(V2V/V2I)等應用的專用短距離通訊(DSRC)天線。

為此,Taoglas推出了名為Axiom的參考設計,可實現輕薄、小型的多天線(約有9根天線)解決方案。Taglas成立於2007年,專為工業市場供應天線;該公司有50%的業務來自交通運輸,包括卡車、公車和汽車。

20170613_antenna_NT01P1 Axiom的9合1天線參考設計(來源:Taoglas)

天線越多越好?

那麼,汽車OEM近來在連網能力方面的需求出現了什麼變化?Taoglas共同執行長Dermot O’Shea表示,天線的數量正呈指數級增加。汽車製造商不斷地增加車用天線,而非試圖減少使用量。但有些使用者並不需要AM/FM天線,因為他們用的是經由板載Wi-Fi傳送的網際網路廣播,或是訂閱衛星廣播服務。但汽車製造商基本上並不情願減少任何「功能」。

因此,天線供應商面對著巨大的挑戰。他們必須保持最小封裝、讓天線模組更易於組裝(最好是無需手動組裝),而且還要價格便宜。最重要的是,天線陣列必須「真正具備高性能」,O'Shea表示,雖然各種功能都做在一個小封裝中,但OEM仍期望所有的天線都能隨時正常作業。

已經習慣用一指搞定所有連網功能的智慧型手機用戶,遇到汽車一駛進地下停車場就失去GPS訊號的情況,可能會傷透腦筋。O'Shea說:「別擔心你的車子找不到GPS衛星訊號,因為當這種情況發生時,他們責怪的是汽車製造商,而不是天線供應商。」

IHS Markit車用電子首席分析師Luca De Ambroggi認同這個看法。「從五年前開始,連網能力所扮演的角色急劇變化,因為車輛需要越來越多的嵌入式解決方案與技術。因此,他們已經不再以智慧型手機為中心了,而是成為車載嵌入式電子產品的一部份。」

他指出,在汽車市場的搭售率可望進一步發展。「他們不僅可用於高階車輛,也出現在中階經濟型的細分市場中。」

據De Ambroggi的觀察,這種市場成長來自於一連串的驅動力量,包括技術成本降低,以及整合度更高(整合Wi-Fi、BT、NFC等多種無線技術的單晶片出現)。同時,汽車製造商為了因應更高的需求與功能條件,也從「簡單」的資訊娛樂功能(如熱點和手機配對)升級至複雜的要求,例如系統更新/升級、診斷等;預計在不久的將來,V2V和 V2I等與安全攸關的應用以及有關AI的資料收集也將進一步帶動成長。

簡言之,汽車OEM與一線供應商並非來自固有連網能力的工程環境,因此,他們在設計連網車輛所需的的資源與經驗方面「遠落於技術曲線之後」。因此,據O'Shea的觀察,「他們目前正面對必須加速設計的壓力。」

車用天線和手機天線有何不同?

由於智慧型手機供應商已經成功地在手機中整合多支天線,也許有人會問:在比手機更大的車子上整合多支天線還有什麼困難?

事實上,這可是個大工程。O’Shea提出了幾點原因:首先,針對車用天線進行安全、溫度與振動等標準測試的要求更嚴格。O’Shea解釋,目前智慧型手機所用的安全標準並不直接適用於車規。

其次,當今的車子不再是簡單地用鐵打造,這表示車用天線可以從車頂移至車內。也許這對安裝天線來說是個好消息,但卻讓OEM在決定天線安裝的位置時一下子有了更多的選擇。

因此,天線模組供應商不能再只提供一種「放諸四海皆準」的通用解決方案,而是必須考慮到天線模組是否適合安裝在車頂或後視鏡、行李廂或保險桿,甚至是儀表板內。O’Shea指出,無論天線模組最終安裝在哪裡,汽車製造商的每一個選擇都會讓天線模組供應商的設計與工程決定變得更複雜。

此外,De Ambroggi補充道:「車輛對於服務品質與可靠度的需求也相當高,畢竟連網能力還可能影響到車子的『安全與防護』功能。」例如,eCall與V2X的應用就是最佳寫照。

有鑑於車輛必須達到的關鍵標準要求,它所面對的「溫度、嚴苛環境與電磁相容性(EMC)」挑戰就更重大了。例如,De Ambroggi說,如果天線位於車頂,「我們就必須考慮高達105℃的高溫要求,振動則是另一項變數。還有,EMC與頻率干擾也十分重要。很遺憾地,車子的引擎仍然會發出大量『奇怪且擾人的』頻率。最後,車子一直處於移動中,時快時慢,這也影響到訊號接收/傳送的困難度。」

O’Shea總結道:「如何以具競爭力的成本讓多支天線能有效率地在小空間中運作,這正是目前汽車製造商的射頻(RF)團隊所面臨的最大挑戰。」

因此,他坦承,每一家製造商都需要具差異化的解決方案,提供多天線的參考設計,能讓他們能看到「如何進行佈局及其對於性能的影響,而不必等待好幾個月的客製方案測試。」

智慧天線?

De Ambroggi指出,Taoglas更像是一家傳統的「被動式」天線供應商。不過,目前的市場上開始出現各種「智慧天線」,其解碼各種不同訊號(Cell、Wi-Fi、GPS等)的晶片就位於天線的實體位置。

相較於這一類新興的智慧天線,O'Shea指出:「Taoglas的天線可以是被動式、主動式或甚至做成智慧天線,主要取決於設計專案、汽車製造商以及涉入程度。」

他坦承,該公司剛推出的參考設計是純天線設計,而且是被動式天線。然而,同時也是特別之處在於其GNSS通常也整合了主動式或智慧天線模組。

他說:「在OEM汽車領域,Taoglas並不像Laird和Peiker等公司介入電子元件開發過程,而只是協助將天線整合於車內或電子元件中。Taoglas目前也與Laird和Peiker等公司合作這一類的設計專案。」

值得注意的是,無論是否具備智慧化,天線的性能取決於其品質。O'Shea指出,Taoglas自行開發出電陶瓷配方,用於天線材料中,讓天線能夠承受溫度和循環測試,並在77MHz~3.7GHz的寬廣頻譜範圍內展現高度穩定的性能。O'Shea說:「你無法超越實體極限,但Taoglas開發的材料能補償天線接近的不利影響。」目前,Taoglas在其位於台灣的製造廠生產天線。

對5G的胃口大開

許多人將5G視為最終實現安全、高度自動駕駛的關鍵。

Taoglas認為,汽車製造商目前對於5G連網汽車的「胃口大開」,O'Shea說,「他們想看到5G在自動駕駛車的使用案例,並著手測試其性能。」大家都很關切5G連網能力的可靠度,畢竟,5G預計將在安全的自動駕駛技術上發揮更關鍵的作用。

遺憾的是,5G標準至今尚未到位,Taoglas也還沒準備好在其參考設計中加進5G天線。

O’Shea說:「我們目前所掌握到的是美國所使用的頻率。Verizon將採用28GHz,而AT&T則是39GHz。其他的細節就不得而知了」

O’Shea說,以28GHz及其以上的5G毫米波(mmWave)頻譜來看,我們將採用支援大量天線陣列的MIMO系統。但5G究竟需要多少天線、配備5G的車輛之間如何在行駛中同步通訊,以及與5G有關的基地台、交通號誌與設備等細節目前仍不清楚。他強調,「這一切至少還需要2~3年的時間進行測試。」

(參考原文:Autonomous Cars Tackle Antenna Glut,by Junko Yoshida)