车载智能和连续移动性的RF-SOI工程基板

如今，车载移动性正在经历根本性变化，5G、Wi-Fi 6E和V2X以及其他连接系统，正在扩展车载移动服务的范围。而之前，这些移动性都是由智能手机和其他移动互联网连接设备实现的。可以通过采用智能和连续移动概念(见图1)，进一步理解消费者和业界需求、习惯和偏好。例如，通过促进车辆与道路基础设施的无线交互来提高驾驶安全性，以及与其他车辆的无线交互来优化交通状况。另外，车辆无线连接还有助于让乘客在车内轻松获取高质量的音视频娱乐内容，从而提升乘用舒适度等。

图1：支持智能移动的连接性。

1.车辆联网

如图2所示，联网车辆依赖于多个系统和网络，这些系统和网络提供：

云连接--远程信息处理

实现手段：蜂窝、卫星4G LTE、5G、Wi-Fi等标准

与驾驶员/乘客的连接--信息娱乐

实现手段：Wi-Fi、蓝牙等标准

与环境的连接--车辆与所有设备的连接，V2X

实现手段：专用短程通信(DSRC)、蜂窝移动通信(C-V2X)、超宽带(UWB)等标准

图2：车载连接性(a)云连接(b)与驾驶员/乘客的连接(c)与环境的连接。

图3：天线和射频前端(a)鱼鳍天线(b)共形板状天线。

在硬件方面，为确保整车无线连接，需要多个天线和射频前端(RFFE)。在乘用车中，这种天线最常见的位置是位于车顶的鱼鳍，但随着汽车美学的发展，集成共形板状天线也被广泛采用。在这两种情况下，天线都放置在车辆表面附近，以避免汽车金属体的法拉第笼效应。此外，为了尽量减少可能危及发送/接收信息完整性的损失和干扰，原始设备制造商(OEM)正在选择将RFFE尽可能靠近天线。

2.远程信息处理

图4：远程信息处理单元(TCU)或远程信息处理盒(T-BOX)。

与所有无线设备一样，联网车辆依赖多个RF IC和RF模块来实现可靠的无线连接。大多数此类元件都包含在一个“盒子”中，通常称为远程信息处理盒的T-BOX，也称为远程信息处理控制单元的TCU。如图4所示。TCU包含用于传感、定位和数据存储、处理和传输的功能块。在所有这些模块中，网络接入设备(NAD)由确保可靠和稳定的蜂窝网络(4G LTE或5G)通信所需的各种电路组成，包括图5所示的RFFE。

图5：NAD蜂窝射频前端和常用的基板材料。

汽车的NAD需要遵守每个地区的蜂窝连接规则和规定。中频段(3.5GHz左右的C波段)是世界上最常用的蜂窝频谱，如图6所示；因此，许多NAD提供商和用户选择C波段作为RFFE运营的优先频段也就不足为奇了。

C波段在覆盖率和带宽之间提供了一个很好的平衡，故数据速率也是如此。重要的是，使用此类频段的NAD，设备之间以及与其他连接系统(如Wi-Fi和C-V2X)共存时的相互干扰最小；因此，RFFE线性度是设计的关键要素。

图6：不同国家的S和C波段频谱分配。

实际上，干扰源可能出现在RFFE无源(传输线、电感等)或有源电路(晶体管、二极管等)的任何一点。通过使用陷波性能良好的RF-SOI基板(RFFE电路的大部分都建立在其上)，这些无用信号在任何地方都将被最小化。图7显示了TCU中使用的不同频段是如何相互靠近的，以及一个频段的泄漏如何影响相邻频段；RF-SOI有助于将这种泄漏降至最低。

图7：RF-SOI通过提高射频前端的线性度来减小干扰。

图8显示了如何通过使用陷波性能良好的RF-SOI基板，将RF信号的二阶和三阶谐波非线性降至最小。与无陷波功能的RF-SOI(HR-SOI)基板相比，这种改进是明显的。共面波导(CPW)用来对非线性进行典型的射频表征。

图8：RFeSI基板上的共面波导及其测量值(b)不同RF-SOI基板上的二阶和三阶谐波分量。

为了应对不同区域市场所需的灵活性，模块化是NAD设计的另一个关键因素。优选解决方案是将发射、接收和滤波功能集成在几个模块中的RFFE组件，这样，可以根据商用区域进行快速交换，并且符合当地法规和客户偏好。

如图5所示，RF-SOI为RF前端模块(RF FEM)提供了无与伦比的集成灵活性，有助于将高性能低噪声放大器(LNA)、开关和功率放大器(PA)集成到一个单芯片里，或者将其集成到与滤波和其他支持功能相关的高附加值模块中。

公众的一个常见误解是，车载电池大，从而对耗电要求无需太高。实际上远不是这么回事！现代汽车对功耗和效率的要求与对旗舰智能手机或任何其他现代便携式无线设备一样高。现代车辆需要安装越来越多的传感器、MCU和其他电气系统，这些系统的功耗必须得到充分优化。

NAD设计师应密切关注RFFE电流、功耗和总体功率效率。必须将RFFE插入损耗和总体射频链路预算降至最低。此外，节能型NAD RFFE将较少的功率转换为热量，从而大大有助于整个NAD的高可靠运行。

为了最大限度地减少连接损耗，NAD(及其TCU)通常位于离天线不远的地方，故需要适应大范围的车身温度环境；此外，集成有PA的模块工作温度可能会升至85°C以上，这两种温升叠加在一起，就会对汽车RFFE的可靠、稳定工作构成严峻挑战。关于这一点，在设计初期阶段就应予以认真考虑。

RF-SOI基板能够在较宽的温度范围内提供稳定线性性能，将具有明显优势。这将有助于确保温度上升不会导致RFFE非线性的显著增加(易危及NAD功能和/或干扰邻近的无线系统)，因而这是车用RFFE的特殊性。

低线性温漂，RFeSIxt，是Soitec RFeSI系列产品的新特性，它能在超过85°C的温度上提供稳定的线性性能，同时保持RFeSI基板的所有其他性能，如图9(b)所示。而图9(a)显示的是相同温度范围内Soitec用于普通消费产品的RFeSI(无RFeSIxt特性)的线性特性。

图9：具有陷波功能的RFeSI RF-SOI系列产品的线性度性能比较。(a)无低线性温漂(b)有低线性温漂

2.1应急和支持系统

汽车无线应急系统的关键之一是在发生事故时向应急响应团队(救护车、消防队员等)提供关键信息的组件。关键信息包括汽车位置(例如GNSS坐标)、事故发生的时间、汽车和乘客的状况、车辆识别，以及在提供急救支持时有助于节省关键时间的任何其他信息，见图10。

图10：车辆应急和支持连接系统。

世界不同地区和移动运营商有不同的策略来提供紧急连接。在欧盟，通过所有欧盟国家均可使用的公共汽车紧急呼叫(eCall)响应服务提供。自2018年3月底，eCall是所有在售新车的强制性系统。新车中的eCall系统必须满足如下要求：

·在撞车时和撞车后自动操作，不能依赖汽车电池

·承受从-40°C到+105°C的极端温度

·电池能支持8到10分钟的电话，使用寿命为10年

·能够支持蜂窝网60分钟的紧急服务回拨

·符合ISO 26262汽车安全完整性等级(ASIL)A标准

在车辆发生事故时，不管状态如何，必须确保要传输的数据能够发送出去，并且到达应急响应团队，这不是一项容易的任务，需要一个非常坚固的射频开关。紧急呼叫RF开关应能够在与蜂窝网兼容的功率上(高达数百毫瓦)进行热切换，并通过ASIL A认证。而RF-SOI技术是设计此类开关最常用的技术。

如果NAD本身集成有eCall系统，则NAD需经过ASIL认证。因此，为了使认证等级保持在消费级，一些制造商会选择将eCall系统置于NAD之外，从而降低与认证相关的设计复杂性和成本。此外，通过在RF-SOI基板上使用CMOS技术，可以简化模块化TCU设计，从而有助于实现灵活的TCU+eCall设计，如图11(a)所示。如前所述，RF-SOI是不同eCall开关的首选技术，见图11(b)。

图11：(a)不同安全标准的TCU实例。(b)(c)集成在RF-SOI内的拓扑结构不同的eCall开关。

在某些情况下，汽车原始设备制造商与移动运营商合作，这使得车主在选用移动运营商时选择很少或根本没有选择。为了在紧急服务外，还能提供常规服务(如固件更新)，车主就需要更加灵活的选择，于是就需要采用双卡双待(DSDA)技术。

2.2.双卡双待(DSDA)

用户识别模块或SIM卡用于存储国际移动用户识别(IMSI)号码和任何蜂窝网用户独有的其他数据。该卡是将设备连接到蜂窝网的基本元件。

顾名思义，DSDA依赖两张SIM卡，需要两个独立的收发器，以及相关的RFFE发射器(Tx)和接收器(Rx),以便为两个在线运营商提供连接。通过使用DSDA，汽车原始设备制造商可以继续依赖他们的合作运营商，同时又为车主提供同时使用其首选运营商的灵活性，从而受益于如家庭数据共享等个性化服务。

虽然使用两条RF路径具有一定的优势，但这也增加了NAD功耗和RFFE复杂性。因此，线性度和效率是DSDA的关键设计考虑因素。如前所述，RF-SOI具有明显的线性度优势，有助于优化NAD RFFE的功耗。此外，得益于NAD的模块化，可以设想替代方案，例如采用2×2 MIMO分集，而不是上面图5中描述的4×4分集，以可选方式降低蜂窝(4G LTE或5G)DSDA NAD的功耗和复杂性，如图12所示。

图12：采用2×2 MIMO分集的DSDA NAD。

3.信息娱乐系统

图13：(a)移动信息娱乐系统(b)RF-SOI实现了连接标准共存。

道路上的车辆通常被认为是家的延伸，用户期望享受与在家中同等水平的连接。车载信息娱乐系统通常依赖Wi-Fi和蓝牙协议来实现高清音视频、互联网浏览等应用的接入，见图13(a)。

通过使用5G连接的NAD，车辆用户可以接入新的宽带以及享用所提供的千兆数据速率和低延迟。

在公共交通工具(火车、汽车等)中，乘客在通勤期间也期望实现高数据率的连接。5G毫米波是一个很好的选择，但考虑到苛刻的通信环境，这也是一项不小的挑战。如今，通过使用软件控制、机器学习和人工智能(AI)以及正确的5G毫米波蜂窝网基础设施，来实现每秒数千兆比特的数据率。

5G毫米波大规模MIMO天线阵列系统(AAS)中采用多路RFFE，推动了更具成本效益的高集成度，从而强化了RF-SOI在5G技术中的作用。图14(a)显示了RF-SOI双极化(水平极化、水平和垂直极化、垂直极化)毫米波FE上的全集成CMOS开关、PA、LNA、移相器、可调增益放大器(VGA)以及控制、偏置、存储器和功率合成等支持功能，这些均被集成在RF-SOI中。

图14：集成在RF SOl中的毫米波IC为功率放大器(PA)提供了更便捷的途径(b)改善了功率效率(PAE)。

5G毫米波PA宽带调制带宽要求采用极高线性的功率效率技术。总的来说，这种PA的设计及其集成，被认为是5G毫米波RFFE设计中最具挑战性的任务之一。

图14(b)使用的数据，显示了不同技术如何提供移动应用所需的毫米波前端PA饱和功率(Psat)：10～20dBm，甚至更高，具体取决于AAS的辐射元件数量。更重要的是，该图凸显了RF-SOI如何凭借其丰富的集成能力，来提供更便捷的途径来集成各种支持功能，从而实现最高的功率效率，最长的电池寿命。

另一方面，FD-SOI 为更多的数模混合信号集成提供了一条非常高效的路径，通常用于集成收发器(TRX)和RFFE，牺牲一些Psat来减小尺寸。GaN 等第三代半导体在约30dBm及更高的Psat水平上表现更优异，如图14(b)所示。

当考虑到车厢内共存的越来越多的Wi-Fi连接设备的不同和多样化需求时，通过Wi-Fi热点在车内分配宽带接入也是一个挑战。

如前所述，采用RF-SOI技术设计的Wi-Fi 6和Wi-Fi 6E兼容系统，能够为大量连接的设备提供各自所需的数据有效载荷，并具有非常高的效率。此外，RF-SOI提供的线性度，有助于确保蜂窝和Wi-Fi系统共存，而不会产生有害干扰，如图13(b)所示。

需要注意的是，汽车信息娱乐系统需要经过AECQ认证，而供应链供应商需要经过IATF 16949认证。

4.V2X系统

如前所述，远程信息处理和信息娱乐系统可以通过蜂窝网络提供车辆连接。V2X系统还可以使用蜂窝网络作为中介(V2N)，间接地将车辆连接到任何其他对象，当然也可以无需中介，而通过如下不同类型的链接直接连接:

·V2V-车对车，例如用于避免碰撞

·V2I-车辆对基础设施，例如动态交通控制信号

·V2P-车辆对行人，例如向行人和其他易受伤害的道路使用者发出警告信号

V2X目前使用两个专用标准，DSRC和C-V2X，工作在5.9GHz的特许智能运输系统(ITS)频带:

专用短程通信(DSRC)或IEEE 802.11p是Wi-Fi协议的专用版本。该版本消除了设备间对任何中间系统的需要，因此提供了低延迟通信。虽然DSRC是自我管理的，但与蜂窝系统不同，它也可以通过4G LTE和/或5G提供蜂窝网接入。

第三代合作伙伴项目(3GPP)定义了C-V2X，并为蜂窝网开发了电信协议。由于C-V2X使用蜂窝协议，与DSRC不同，人们认为它有发挥更积极作用的潜力，即能够将车辆集成到5G新无线电支持的新兴垂直市场中。

车辆安全是V2X系统的目标应用，因此应符合ISO26262法规。一旦V2X影响车辆控制后，V2X需要ASIL B来处理和与外部系统的接口，而需要ASIL A来处理其余V2X功能。

第一种方法，将V2X系统集成到TCU中，并将其RFFE的一部分集成到TCU的NAD中，可能具有明显的成本和节能优势。例如，带有集成GNSS接收器的TCU蜂窝调制解调器可用于V2X定位。通过使用射频路由开关，连接NAD的天线也可用作V2X 5.9GHz ITS信号的辐射路径。虽然这些优势似乎显而易见，但设计师需要清楚一点，那就是：如果NAD具有集成的V2X系统，则NAD本身应根据ISO26262认证标准，通过ASIL-B或A认证。

鉴于NAD中包含的蜂窝、远程信息处理和信息娱乐系统的复杂性，其ISO26262认证将非常具有挑战性，并会增加消费级汽车产品的成本。

图15：车载V2X系统。

大多数汽车高级驾驶辅助系统(ADAS)和TCU原始设备制造商(OEM)采用模块化方法，即有两个独立子系统：一个是消费级系统，另一个是通过ISO26262认证的系统，如图11(a)所示。使用两个独立但互补的复杂系统，会给功耗带来很大压力，因此两个系统都应该具有高度优化的功耗。而RF-SOI有助于将RFFE中的损耗降至最低。

除了连接性之外，为了提高车辆的舒适性和安全性，还采用了一些新功能，有时称为车联网(IoV)。其中，最广泛采用的是免提接入系统。

5.车载免提系统

车辆免提通常使用三种连接标准：蓝牙(BT)、超宽带(UWB)和近场通信(NFC)。

经过智能手机的广泛采用，蓝牙作为车载免提接入很容易被接受，当今许多车辆已配备。这样一来，会容易引起射频干扰和中间人攻击(MITM)，尽管在BT无钥匙接入中已经采用了加密协议。

为了应对可能的劫持，一些车辆原始设备制造商正在采用UWB作为BT的更安全替代方案。UWB中使用的短时域脉冲，允许精确测量飞行时间(ToF)和到达角(AoA)。通过结合使用ToF和AoA，可以高精度地确定发射器的位置。例如，只有当车主走向车辆并靠近车辆时，才能解锁车门。

随着UWB在智能手机和遥控钥匙中的应用，人们相信它将逐渐取代BT实现无钥接入。在另一种情况下，由于UWB距离较短，当距离车辆超过10米时，BT仍可以用作为跟踪用户的补充系统。

如果遥控钥匙或智能手机电池耗尽，可以使用NFC备份系统。此时，无源/ULP(超低功耗)NFC钥匙可以允许车辆用户访问，只要它与车辆某处(比如要打开的车门)的有源读卡器保持紧密接触即可。

图16：车载免提系统。

如今，成功的UWB生态系统所围绕的是SoC和RF前端。为了将插入损耗降至最低，并确保高隔离度，RF前端采用由RF-SOI设计的RF开关。在高性能设备中，如配备UWB的智能手机，也可以将低噪声放大器(LNA)与RFFE中的开关集成在一起，以将损耗降至最低，从而提高灵敏度。

6.互联汽车射频挑战和解决方案

由于全球和地区安全法规是推动更高车辆连接性的关键驱动因素之一，毫无疑问，未来几年，车辆将继续更多地采用蜂窝、V2X和其他补充连接系统。

如今，仍有人认为，关键任务安全应用程序的连接还不够可靠，但随着5G增强功能(如低延迟)的出现，这种看法正在积极改变。此外，随着5G的继续推出和运营商网络的加密，预计会有更大的带宽/数据速率和更好的覆盖率。再加上更多的负责连接管理和覆盖预测的新软硬件的采用，还有MNO和OEM等新产品的出现(如DSDA的多SIM卡解决方案)，肯定会将乘用车辆的连接利用率推向更高。

RF-SOI上的CMOS是一项成熟且经验证的技术，这得益于过去几十年开发的大量IP产品组合和专有技术。表1总结了车用RF IC的一些要求，以及Soitec的RF-SOI如何满足这些要求。

表1：移动性射频集成电路需求以及Soitec RF-SOI的满足度

7.结论

随着车辆发展成为主要连接设备，有潜力实现更多的新业务，为整个移动生态系统创造巨大价值。为实现该巨大潜力，必须依赖许多连接协议，以及需要共存且无干扰的多个频段；此外，所有车载系统(包括连接性)的功耗都需要优化；安全始终是一个主要话题，V2X肯定也会被广泛采用。