新型汽车天线系统结构、原理及应用指南

（来源：Karsten Ropers， Fuba Automotive Electronics）

　　AM模拟信号这个夕阳频率从153kHz到6.2MHz，德国等多个欧洲国家已经从今年1月1日起正式关闭了所有AM模拟信号电台，转而由AM数字信号代替；FM从87.5MHz到108MHz（日本为76MHz到95MHz）；数字广播从174MHz到240MHz；GPS信号从1574.397MHz到1576.443MHz等等。

　　大体上，电磁信号的频率越高，其在空间中传输信息的速率越快，但在传播时，折射反射衍射等对信号的干扰越大，发射需要的能耗也越大。所以，信号的频率并不能无限提升，这也是为什么现在许多厂商宣称的5G技术只能覆盖小到只有一个物流工厂范围的原因——为了提升数据交换速度（信号频率），信号的广度被牺牲了。

　　而频率较低的信号的覆盖范围则要大得多，比如在德国，能收到波兰，甚至英国的AM模拟信号。

　　以上也是广义的，天线系统的存在价值。

　　汽车天线系统的工作原理

　　汽车天线系统只是承担接收信号，控制信号强度的工作。此工作不涉及编码/解码（Modulation/Demodulation）或者模拟/数字信号的转换（AC/DC），所以，要介绍的天线系统原理，也只涉及如何接收信号，以及如何控制信号强度。

　　"接收"

　　从最简单的理论上来说，当天线和空间中的某个电磁信号产生共振时，电磁信号会被"接收"为电信号，使下一步的信息提取成为可能，如下图。而此信号携带的信息不会丢失——即所谓的信号不失真——的前提，是天线的有效长度达到信号波长的4分之1。

　　所以，根据不同信号的不同频率范围，我们可以大概估计出接收此信号的天线的最短长度（波长=光速/频率，天线长度≈波长/4），比如数字广播信号天线的长度应该在31到43厘米之间；对于AM模拟信号，天线长度理论上应该在12到500米之间，但是，有谁见过半公里长的天线？更何况一辆汽车，如何装载这么长的天线？

　　首先，在形状上来说，天线并不一定是笔直的一根杆子。能和目标信号共振的天线，形状五花八门，否则你以为现在的智能手机为什么都"没有"天线？

　　智能手机天线图（负责接收不同频率信号的各个天线段）

　　其次，并不是说天线并不是只在完美共振的情况下才能接收信号，否则要是想听所有FM频道，岂不是就要得天线密集恐惧症？举个例子，FM标准天线为75厘米长，相当于100MHz信号波长的4分之1，但它被用作整个FM频率段（87.5至108MHz）的标准天线，可以接收FM频率段的所有信号。

　　再次，也是最重要的，天线的有效长度并不永远受制于其物理长度。我们平时看到的长杆天线，都是被动的，单极的，其有效长度等于其物理长度，并且为高阻抗；但主动天线拥有以场效应管（FET）和电源为主体的特殊电路，能让天线接收信号的有效长度，突破其物理长度的限制；也就是说，原本需要500米长的天线接收的信号，也可以用20厘米长的天线接收了。

　　至此，我们终于可以"随心所欲"地设计天线了。

　　"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