汽车天线系统是什么？ - 新型汽车天线系统结构、原理及应用指南

　　逐本溯源，汽车天线系统是什么？

　　看完了几款最新天线后，我们就要回归本质，聊一聊汽车天线系统到底是什么。

　　首先说说天线，它的最大功能就是完成电路中的电信号与空间中的电磁信号的相互转化，使远隔万里的电子系统能够互相交流。更重要的是，和电缆不同，天线系统信息传递的两端可以自由移动，这完美契合了汽车这种交通工具的使用限定。

　　汽车天线系统，到目前为止，依旧被称为车载接收系统（Automotive Reception System），因为其功能还集中在接收信号方面。空间中的电磁信号经由天线（Antenna）转化为电信号，再由放大器（Amplifier）调整信号强度，随后通过同轴电缆（Coaxial Cable），交由车载信息娱乐系统（Infotainment System）进行解码和后期处理。这也是这篇文章主要介绍的部分。

　　必须强调的一点是，在天线这里不存在什么“兼听则明，偏听则暗”的说法，一种天线就应该固定接收一定频率范围内的电磁信号，因此天线就是通过选择性接收不同的信号频率。除了传统的AM/FM模拟广播信号，还有GPS、数字广播/电视信号（DAB）、远程控制（TS）、蓝牙（Bluetooth）、卫星信号（SDARS）、4G/5G、车对车通信（Car2Car/Car2X）等等，它们各自占据不同的频率段，如下图所示。

　　

　　车载不同信号的频率段分布（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。