而之前，這些行動性都是由智慧型手機和其他行動網際網路連接設備實現，其中透過採用智慧和連續行動概念(圖1)，進一步理解消費者和業界需求、習慣和偏好。例如，利用促進車輛與道路基礎設施的無線互動來提高駕駛安全性，以及與其他車輛的無線互動來最佳化交通狀況。另外，車輛無線連接還有助於讓乘客在車內輕鬆獲取高品質的音視訊娛樂內容，從而提升乘用舒適度等。
圖1：支援智慧移動的連線性。
車輛連網
如圖2所示，連網車輛依賴於多個系統和網路，這些系統和網路提供：
雲端連接——遠端資訊處理
實現手段：蜂巢、衛星4G LTE、5G、Wi-Fi等標準。
與駕駛/乘客的連接——資訊娛樂
實現手段：Wi-Fi、藍牙等標準。
與環境的連接——車輛與所有設備的連接(V2X)
實現手段：專用短程通訊(DSRC)、蜂巢行動通訊(C-V2X)、超寬頻(UWB)等標準。
圖2：車載連線性(a)雲端連接(b)與駕駛/乘客的連接(c)與環境的連接。
圖3：天線和RF前端(a)魚鰭天線(b)共形板狀天線。
在硬體方面，為確保整車無線連接，需要多個天線和RF前端(RFFE)。在乘用車中，這種天線最常見的位置是位於車頂的鯊魚鰭，但隨著汽車美學的發展，整合共形板狀天線也被廣泛採用。在這兩種情況下，天線都放置在車輛表面附近，以避免汽車金屬體的法拉第籠效應。此外，為了儘量減少可能危及發送/接收資訊完整性的損失和干擾，原始設備製造商(OEM)正在選擇將RFFE盡可能靠近天線。
遠端資訊處理
與所有無線設備一樣，連網車輛依賴多個RF IC和RF模組來實現可靠的無線連接。大多數此類元件都包含在一個「盒子」中，通常稱為遠端資訊處理盒的T-BOX，也稱為遠端資訊處理控制單元的TCU，如圖4所示。TCU包含用於感測、定位和資料儲存、處理和傳輸的功能塊。在所有這些模組中，網路接入設備(NAD)由確保可靠和穩定的蜂巢網路(4G LTE或5G)通訊所需的各種電路組成，包括圖5所示的RFFE。
圖4：遠端資訊處理單元(TCU)或遠端資訊處理盒(T-BOX)。
圖5：NAD蜂巢RFFE和常用的基板材料。
汽車的NAD需要遵守每個地區的蜂巢連接規則和規定。中頻段(3.5GHz左右的C波段)是世界上最常用的蜂巢頻譜，如圖6所示；因此，許多NAD提供商和用戶選擇C波段作為RFFE營運的優先頻段也就不足為奇了。
C波段在覆蓋率和頻寬之間提供了一個很好的平衡，故資料速率也是如此。重要的是，使用此類頻段的NAD，設備之間，以及與其他連接系統(如Wi-Fi和C-V2X)共存時的相互干擾最小；因此，RFFE線性度是設計的關鍵要素。
圖6：不同國家的S和C波段頻譜分配。
實際上，干擾源可能出現在RFFE被動(傳輸線、電感等)或主動電路(電晶體、二極體等)的任何一點。透過使用陷波性能良好的RF-SOI基板(RFFE電路的大部分都建立在其上)，這種無用訊號在任何地方都將被最小化。圖7顯示了TCU中使用的不同頻段如何相互靠近，以及一個頻段的洩漏如何影響相鄰頻段；RF-SOI有助於將這種洩漏降至最低。
圖7：RF-SOI透過提高RFFE的線性度來縮小干擾。
圖8顯示了如何使用陷波性能良好的RF-SOI基板，將RF訊號的二階和三階諧波非線性降至最小。與無陷波功能的RF-SOI (HR-SOI)基板相比，這種改進是明顯的，共面波導(CPW)用來對非線性進行典型的RF表徵。
圖8：RFeSI基板上的共面波導及其測量值(b)不同RF-SOI基板上的二階和三階諧波分量。
為了應對不同區域市場所需的靈活性，模組化是NAD設計的另一個關鍵因素。優選解決方案是將發射、接收和濾波功能整合在幾個模組中的RFFE元件，這樣，可以根據商用區域進行快速交換，並且符合當地法規和客戶偏好。
如圖5所示，RF-SOI為RF前端模組(RF FEM)提供了無與倫比的整合靈活性，有助於將高性能低雜訊放大器(LNA)、開關和功率放大器(PA)整合到一個單晶片裡，或者將其整合到與濾波和其他支援功能相關的高附加值模組中。
公眾的一個常見誤解是，車載電池大，從而對耗電要求無需太高。實際上遠不是這麼回事！現代汽車對功耗和效率的要求與對旗艦智慧型手機或任何其他現代可攜式無線設備一樣高。現代車輛需要安裝越來越多的感測器、MCU和其他電氣系統，這些系統的功耗必須得到充分最佳化。
NAD設計師應密切關注RFFE電流、功耗和總體功率效率。必須將RFFE插入損耗和總體RF鏈路預算降至最低。此外，節能型NAD RFFE將較少的功率轉換為熱量，從而大大有助於整個NAD的高可靠性運作。
為了最大限度地減少連接損耗，NAD (及其TCU)通常位於離天線不遠的地方，故需要適應大範圍的車身溫度環境；此外，整合PA的模組工作溫度可能會升至85℃以上，這兩種溫升疊加在一起，就會對汽車RFFE的可靠、穩定工作構成嚴峻挑戰。關於這一點，在設計初期階段就應予以認真考慮。
RF-SOI基板能夠在較寬的溫度範圍內提供穩定線性性能，將具有明顯優勢。這將有助於確保溫度上升不會導致RFFE非線性的顯著增加(易危及NAD功能和/或干擾鄰近的無線系統)，因而這是車用RFFE的特殊性。
低線性溫漂RFeSIxt，是Soitec RFeSI系列產品的新特性，它能在超過85℃的溫度上提供穩定的線性性能，同時保持所有其他RFeSI基板的性能，如圖9(b)所示；而圖9(a)顯示的是相同溫度範圍內Soitec用於普通消費產品的RFeSI (無RFeSIxt特性)的線性特性。
圖9：具有陷波功能的RFeSI RF-SOI系列產品的線性度性能比較。(a)無低線性溫漂(b)有低線性溫漂。
應急和支援系統
汽車無線應急系統的關鍵之一是在發生事故時向應急回應團隊(救護車、消防隊員等)提供關鍵資訊的元件。關鍵資訊包括汽車位置(例如GNSS座標)、事故發生的時間、汽車和乘客的狀況、車輛識別，以及在提供急救支援時有助於節省關鍵時間的任何其他資訊(圖10)。
圖10：車輛應急和支援連接系統。
世界不同地區和行動營運商有不同的策略來提供緊急連接。在歐盟，透過所有歐盟國家均可使用的eCall回應服務提供。自2018年3月底，eCall是所有在售新車的強制性系統。新車中的eCall系統必須滿足：
在撞車時和撞車後自動操作，不能依賴汽車電池；
承受從-40~+105℃的極端溫度；
電池能支援8~10分鐘的通話，使用壽命為10年；
能夠支援蜂巢網60分鐘的緊急服務回撥；
符合ISO 26262車輛安全完整性等級(ASIL) A標準。
在車輛發生事故時，不管狀態如何，必須確保要傳輸的資料能夠發送出去，並且到達應急響應團隊，這不是一項容易的任務，需要一個非常堅固的RF開關。緊急呼叫RF開關應能夠在與蜂巢網相容的功率下(高達數百毫瓦)進行熱切換，並通過ASIL A認證。而RF-SOI技術是設計此類開關最常用的技術。
如果NAD本身整合有eCall系統，則NAD需經過ASIL認證。因此，為了使認證等級保持在消費級，一些製造商會選擇將eCall系統置於NAD之外，從而降低與認證相關的設計複雜性和成本。此外，透過在RF-SOI基板上使用CMOS技術，可以簡化模組化TCU設計，從而有助於實現靈活的TCU+eCall設計，如圖11(a)所示。如前所述，RF-SOI是不同eCall開關的首選技術，見圖11(b)。
圖11：(a)不同安全標準的TCU實例，(b)、(c)整合在RF-SOI內的拓撲結構不同的eCall開關。
在某些情況下，汽車原始設備製造商與行動營運商合作，這使得車主在選用行動營運商時選擇很少或根本沒有選擇。為了在緊急服務外，還能提供常規服務(如韌體更新)，車主就需要更加靈活的選擇，於是就需要採用雙卡雙待(DSDA)技術。
DSDA
使用者識別模組或SIM卡用於儲存國際行動使用者識別(IMSI)號碼和任何蜂巢網使用者獨有的其他資料，該卡是將設備連接到蜂巢網的基本元件。
顧名思義，DSDA依賴兩張SIM卡，需要兩個獨立的收發器，以及相關的RFFE發射器(Tx)和接收器(Rx)，以便為兩個線上營運商提供連接。透過使用DSDA，汽車原始設備製造商可以繼續依賴他們的合作營運商，同時又為車主提供同時使用其首選營運商的靈活性，從而受益於如家庭資料共用等個性化服務。
雖然使用兩條RF路徑具有一定的優勢，但這也增加了NAD功耗和RFFE複雜性。因此，線性度和效率是DSDA的關鍵設計考慮因素。如前所述，RF-SOI具有明顯的線性度優勢，有助於最佳化NAD RFFE的功耗。此外，得益於NAD的模組化，可以設想替代方案，例如採用2 × 2 MIMO分集，而不是圖5中描述的4 × 4分集，以可選方式降低蜂巢(4G LTE或5G) DSDA NAD的功耗和複雜性，如圖12所示。
圖12：採用2 × 2 MIMO分集的DSDA NAD。
資訊娛樂系統
道路上的車輛通常被認為是家的延伸，用戶期望享受與在家中同等水準的連接。車載資訊娛樂系統通常依賴Wi-Fi和藍牙協議來實現高畫質視訊、網際網路流覽等應用的接入，如圖13(a)。
圖13：(a)行動資訊娛樂系統，(b) RF-SOI實現了連接標準共存。
透過使用5G連接的NAD，車輛用戶可以接入新的寬頻，以及享用所提供的千兆資料速率和低延遲。
在公共交通工具(火車、汽車等)中，乘客在通勤期間也期望實現高資料率的連接。5G毫米波是一個很好的選擇，但考慮到苛刻的通訊環境，這也是一項不小的挑戰。如今，透過使用軟體控制、機器學習和人工智慧(AI)，以及正確的5G毫米波蜂巢網路基礎設施，來實現每秒數千兆位元的資料傳輸速率。
5G毫米波大規模MIMO天線陣列系統(AAS)中採用多路RFFE，推動了更具成本效益的高整合度，從而強化了RF-SOI在5G技術中的作用。圖14(a)顯示了RF-SOI雙極化(水準極化、水準和垂直極化、垂直極化)毫米波FE上的全整合CMOS開關、PA、LNA、移相器、可調增益放大器(VGA)，以及控制、偏置、記憶體和功率合成等支援功能，這些均被整合在RF-SOI中。
圖14：整合在RF SOl中的毫米波IC為PA提供了更便捷的途徑，(b)改善了功率效率(PAE)。
5G毫米波PA寬頻調變頻寬要求採用極高線性的功率效率技術。總的來說，這種PA的設計及其整合，被認為是5G毫米波RFFE設計中最具挑戰性的任務之一。
圖14(b)使用的資料，顯示了不同技術如何提供行動應用所需的毫米波前端PA飽和功率(Psat)：10~20dBm，甚至更高，具體取決於AAS的輻射元件數量。更重要的是，該圖凸顯了RF-SOI如何憑藉其豐富的整合能力，來提供更便捷的途徑來整合各種支援功能，從而實現最高的功率效率，最長的電池壽命。
另一方面，FD-SOI為更多的數位類比混合訊號整合提供了一條非常高效的路徑，通常用於整合收發器(TRX)和RFFE，犧牲一些Psat來減少尺寸。GaN等寬能隙半導體在約30dBm及更高的Psat水準上表現更優異，如圖14(b)所示。
當考慮到車廂內共存的越來越多的Wi-Fi連接設備的不同和多樣化需求時，利用Wi-Fi熱點在車內分配寬頻接入也是一個挑戰。
如前所述，採用RF-SOI技術設計的Wi-Fi 6和Wi-Fi 6E相容系統，能夠為大量連接的設備提供各自所需的資料有效載荷，並具有非常高的效率。此外，RF-SOI提供的線性度，有助於確保蜂巢和Wi-Fi系統共存，而不會產生有害干擾，如圖13(b)所示。
需要注意的是，汽車資訊娛樂系統需要經過AECQ認證，而供應鏈供應商需要經過IATF 16949認證。
V2X系統
如前兩點所述，遠端資訊處理和資訊娛樂系統可以透過蜂巢網路提供車輛連接。V2X系統還可以使用蜂巢網路作為仲介(V2N)，間接地將車輛連接到任何其他物件，當然也可以無需仲介，而透過不同類型的連結直接連接：
V2V：車對車，例如用於避免碰撞：
V2I：車輛對基礎設施，例如動態交通控制訊號；
V2P：車輛對行人，例如向行人和其他易受傷害的道路使用者發出警告訊號。
V2X目前使用兩個專用標準，DSRC和C-V2X，工作在5.9GHz的特許智慧運輸系統(ITS)頻段。DSRC或IEEE 802.11p是Wi-Fi協議的專用版本，該版本消除了設備間對任何中間系統的需要，因此提供了低延遲通訊。雖然DSRC是自我管理的，但與蜂巢系統不同，它也可以透過4G LTE和/或5G提供蜂巢網接入。
3GPP定義了C-V2X，並為蜂巢網開發了電信協議。由於C-V2X使用蜂巢協議，與DSRC不同，人們認為它有發揮更積極作用的潛力，即能夠將車輛整合到5G新無線電支持的新興垂直市場中。
車輛安全是V2X系統的目標應用，因此應符合ISO 26262法規。一旦V2X影響車輛控制後，V2X需要ASIL B來處理和與外部系統的介面，而需要ASIL A來處理其餘V2X功能。
第一種方法，將V2X系統整合到TCU中，並將其RFFE的一部分整合到TCU的NAD中，可能具有明顯的成本和節能優勢，例如，具整合GNSS接收器的TCU蜂巢數據機可用於V2X定位。透過使用RF路由開關，連接NAD的天線也可用作V2X 5.9GHz ITS訊號的輻射路徑。雖然這些優勢似乎顯而易見，但設計師需要清楚一點，那就是：如果NAD具有整合的V2X系統，則NAD本身應根據ISO 26262認證標準，通過ASIL B或A認證。
鑒於NAD中包含的蜂巢、遠端資訊處理和資訊娛樂系統的複雜性，其ISO 26262認證將非常具有挑戰性，並會增加消費級汽車產品的成本。
圖15：車載V2X系統。
大多數汽車先進駕駛輔助系統(ADAS)和TCU原始設備製造商採用模組化方法，即有兩個獨立子系統：一個是消費級系統，另一個是通過ISO 26262認證的系統，如圖11(a)所示。使用兩個獨立但互補的複雜系統，會為功耗帶來很大壓力，因此兩個系統都應該具有高度最佳化的功耗。而RF-SOI有助於將RFFE中的損耗降至最低。
除了連線性之外，為了提高車輛的舒適性和安全性，還採用了一些新功能，有時稱為車聯網(IoV)。其中，最廣泛採用的是免持接入系統。
車載免持系統
車輛免持通常使用三種連接標準：藍牙、UWB和NFC。經過智慧型手機的廣泛採用，藍牙作為車載免持接入很容易被接受，當今許多車輛已配備。這樣一來，會容易引起RF干擾和中間人攻擊(MITM)，儘管在藍牙無鑰匙接入中已經採用了加密協議。
為了應對可能的劫持，一些車輛原始設備製造商正在採用UWB作為藍牙的更安全替代方案。UWB中使用的短時域脈衝，允許精確測量飛行時間(ToF)和到達角(AoA)。透過結合使用ToF和AoA，可以高度精確地確定發射器的位置。例如，只有當車主走向車輛並靠近車輛時，才能解鎖車門。
隨著UWB在智慧型手機和遙控鑰匙中的應用，人們相信它將逐漸取代藍牙實現無鑰匙接入。在另一種情況下，由於UWB距離較短，當距離車輛超過10公尺時，藍牙仍可以用作為跟蹤使用者的補充系統。
如果遙控鑰匙或智慧型手機電池耗盡，可以使用NFC備份系統。此時，被動/超低功耗(ULP) NFC鑰匙可以允許車輛用戶訪問，只要它與車輛某處(如要打開的車門)的主動讀卡器保持緊密接觸即可。
圖16：車載免持系統。
如今，成功的UWB生態系統所圍繞的是SoC和RFFE。為了將插入損耗降至最低，並確保高隔離度，RFFE採用由RF-SOI設計的RF開關。在高性能設備中，如配備UWB的智慧型手機，也可以將LNA與RFFE中的開關整合在一起，以將損耗降至最低，從而提高靈敏度。
連網車輛RF挑戰和解決方案
由於全球和地區安全法規是推動更高車輛連線性的關鍵驅動因素之一，毫無疑問，未來幾年，車輛將繼續更多地採用蜂巢、V2X和其他補充連接系統。
如今，仍有人認為，關鍵任務安全應用程式的連接還不夠可靠，但隨著5G增強功能(如低延遲)的出現，這種看法正在積極改變。此外，隨著5G的繼續推出和營運商網路的加密，預計會有更大的頻寬/資料速率和更好的覆蓋率。再加上更多的負責連接管理和覆蓋預測的新軟硬體的採用，還有MNO和原始設備製造商等新產品的出現(如DSDA的多SIM卡解決方案)，肯定會將乘用車輛的連接利用率推向更高。
RF-SOI上的CMOS是一項成熟且經驗證的技術，這得益於過去幾十年開發的大量IP產品組合和專有技術。表1總結了車用RF IC的一些要求，以及Soitec的RF-SOI如何滿足這些要求。
表1：行動性RF積體電路需求，以及Soitec RF-SOI的滿足度。
結論
隨著車輛發展成為主要連接設備，有潛力實現更多的新服務，為整個行動生態系統創造巨大價值。為實現該巨大潛力，必須依賴許多連線協定，以及需要共存且無干擾的多個頻段；此外，所有車載系統(包括連線性)的功耗都需要最佳化；安全始終是一個主要話題，V2X肯定也會被廣泛採用。
本文同步刊登於EE Times China 8月號雜誌
The post 車載智慧和連續移動性的RF-SOI工程基板 appeared first on 電子工程專輯.
