SAW(聲表面波)濾波器與諧振器——汽車安全、保安、信息與娛樂系統(tǒng)的關(guān)鍵元件

汽車的安全性、防盜性能以及乘客對暢達的信息及娛樂的需求都被開列在當(dāng)今駕車者愿求列表的首要位置——因此過去幾年這些領(lǐng)域里新系統(tǒng)大量涌現(xiàn)也就不足為奇，這些系統(tǒng)已經(jīng)日益成為當(dāng)代汽車的標(biāo)準(zhǔn)功能配置。

用無線電傳輸信息是許多此類系統(tǒng)的基本構(gòu)想——于是SAW濾波器與諧振器就成為能保證RF應(yīng)用可靠工作的的首選元件。EPCOS為類型多樣的汽車電子應(yīng)用提供具有出色性能的SAW器件。

汽車安全方面的一個關(guān)鍵性的資產(chǎn)——就字面意思而言——是遙控門鎖系統(tǒng)（RKE, remote keyless entry system）。用戶按下電子鑰匙上的一個按鈕，該系統(tǒng)就可以讓車門鎖閉或者打開，并激活或者關(guān)閉發(fā)動機鎖止系統(tǒng)（Immobilizer）與報警系統(tǒng)。雖然幾年前只有豪華車才裝備遙控門鎖系統(tǒng)，但這一帶來極大便利的功能現(xiàn)在也成為很多中檔和經(jīng)濟型汽車的標(biāo)準(zhǔn)配置。2005年，全球制造的全部汽車中， 有60％裝備了RKE系統(tǒng)。特別在中國，售后市場對該功能的需求已經(jīng)增長。下圖示出了RKE系統(tǒng)基本的電子電路架構(gòu)。

圖1 EPCOS的SAW濾波器和諧振器是RKE系統(tǒng)的關(guān)鍵元件
 
圖中， 頂部文字： 4個SAW元件可以確保RKE系統(tǒng)的可靠性。
Transmitter——發(fā)射機，SAW stabilized local oscillator——利用SAW穩(wěn)頻的本機振蕩器，RF antenna——RF天線。Modulated RF signal——經(jīng)過調(diào)制的RF信號。
Common transmitter frequencies——常用的發(fā)射機頻率。Pre. amp——預(yù)放大器，（optional——任選），modulator——調(diào)制器，data encode——數(shù)據(jù)編碼，mixer——混頻器，SAW front end filter——SAW前端濾波器， IF amp.——中頻放大器，demodulator——解調(diào)器，data filter，regeneration——數(shù)據(jù)濾波器，再生，  data out to decoder——到解碼器的數(shù)據(jù)輸出，Stage——級，Superhet receiver——超外差接收機，SAW Resonator——SAW諧振器。

發(fā)射機置于汽車鑰匙之內(nèi)——采用一個SAW諧振器來穩(wěn)定振蕩器頻率。接收機一般位于車身控制單元中。SAW濾波器為無線接收機的前端提供了最有效的保護，防止其被強鄰頻信號飽和。處在濾波器通帶內(nèi)的所需要的信號幾乎不受影響地到達接收機，而其它頻率和干擾則受到極大的衰減。SAW同樣還可以用來穩(wěn)定提供混頻信號的振蕩器。

最近出現(xiàn)了雙向的系統(tǒng)，它們可以提供一路描述門鎖狀態(tài)的反饋信號，從而進一步增強防盜性能。即便出現(xiàn)糟得不能再糟的情況——車子被偷了，SAW濾波器也能派上用場。尋車系統(tǒng)（recovery system）利用它們來可靠地跟蹤被盜車輛，以便讓警方能將其歸還失主。在美國，排名首位的尋車系統(tǒng)制造商已經(jīng)有150 000輛被盜轎車被成功找回的記錄。

交通安全勢必是如今駕車者所關(guān)心的問題中最重要的一個——當(dāng)然也是元器件產(chǎn)業(yè)最關(guān)心的。爆胎常常引發(fā)致人死亡或者重傷的交通事故。研究表明，爆胎事件中約有75％是由于輪胎氣壓不足而造成的。大多數(shù)輪胎故障留出的反應(yīng)時間至少長達30s，在此期間，如果駕駛員及時得到報警的話，可以將車安全停下。

隨著美國TREAD 法案在2001年通過，TPMS（胎壓監(jiān)測系統(tǒng)）獲得了突破性發(fā)展。在同一時期，40％以上的轎車在交付時安裝了TPMS，而在全球，這一比例也達到約20％。

除了安全問題之外，對輪胎壓力進行監(jiān)測還有進一步的原因。輪胎壓力偏離其最優(yōu)值的幅度為10％時，輪胎使用壽命縮短的幅度就可達15％。因此TPMS有助于延長輪胎壽命。

直接式TPMS的工作原理如下：檢測輪胎壓力的傳感器被安裝在輪緣上，直接位于空氣閥背后。這種傳感器單元能以很高的精度測量壓力與溫度。該傳感器單元同時起到發(fā)射單元的作用，而且由一個工作壽命與輪胎壽命相一致的電池來供電。

系統(tǒng)的發(fā)射單元每隔一定時間將測量數(shù)據(jù)發(fā)送給接收機。數(shù)據(jù)隨后被解碼出來，輪胎的絕對壓力顯示在儀表板上。如果測量值低于規(guī)定的極限值，汽車就通過圖像或者聲音信號警告駕駛員。發(fā)射器和接收器的電路結(jié)構(gòu)與RKE系統(tǒng)所用的電路相似. 

圖2 TPMS 系統(tǒng)的主體架構(gòu)

Active （with battery））——有源式（帶電池）

Amplitude Shift Keying——幅移鍵控，F(xiàn)requency Shift Keying——頻移鍵控，
綠色圖框——基于無線電原理，依靠安裝在輪胎內(nèi)部的壓力傳感器和發(fā)射機：以SAW作為振蕩器。
綠色圖框下方——基于無線原理，依靠安裝在輪胎內(nèi)部的壓力傳感器和發(fā)射機：以晶體作為振蕩器。

Passive （without battery）——無源式（不帶電池）。
Anti lock brake sensor （ABS） based software solution——基于防抱死剎車傳感器的軟件解決方案，
RF based system with pressure sensor + SAW delay line……——基于無線電的系統(tǒng)，輪胎內(nèi)放置壓力傳感器和SAW延遲線，收發(fā)機位于輪胎之外。

 
圖3 TPMS發(fā)射機的體系結(jié)構(gòu)

車輪模塊（傳感器＋收發(fā)機），pressure sensor——壓力傳感器，Motion Sensor——運動傳感器，Microcontroller ASIC——微控制器ASIC， Lithium battery——鋰電池，transmitter（SAW or PLL stabilized）——發(fā)射機（SAW 或者PLL穩(wěn)頻）。 RF receiver——RF接收機。
下方文字：輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)由4個車輪模塊和一部接收機組成（有時候與RKE接收器合在一起）。

隨著最近3x3 mm2 SAW諧振器和窄帶濾波器的實現(xiàn)，EPCOS，供應(yīng)商中的領(lǐng)頭羊，已經(jīng)加強了其在創(chuàng)新前沿的地位。對于最常用的433.92～315MHz頻段，此一尺寸的元件已可供貨。EPCOS可以提供高性能的諧振器版本，其中心頻率的公差為50kHz，而滿足低成本需求的產(chǎn)品的公差為100kHz。在SAW濾波器方面，B3731是針對中國使用的315MHz頻率而開發(fā)的最新產(chǎn)品。它具有非常陡峭的邊帶，帶寬為0.6MHz。雙向系統(tǒng)中，發(fā)射機功率常常會泄漏到接收機濾波器中，因此這種產(chǎn)品的設(shè)計提供了高達10dBm的功率耐受能力。

圖4  B3731 SAW濾波器的頻率響應(yīng)圖

窄帶的SAW濾波器B3731是專門針對在中國使用的RKE和TPMS系統(tǒng)而設(shè)計的。
 
TPMS系統(tǒng)面臨的環(huán)境條件非常惡劣。在輪胎內(nèi)部，SAW諧振器必須在極端條件下工作：高溫、低溫、粉塵、潮濕、振動和加速度力都會給元件帶來極大的考驗。但是來自于EPCOS的SAW諧振器可以承受惡劣的環(huán)境。一個利用滾邊焊進行密封的SMD封裝, 其尺寸僅為3 x 3 x 1.1 mm3，卻可以保護敏感的石英芯片不受不利的環(huán)境條件的影響。在內(nèi)部，氧化物鈍化層保護產(chǎn)品敏感的機電系統(tǒng)表面免受微粒的玷污。

EPCOS為RKE和TPMS應(yīng)用提供了種類繁多的SAW元件。下表列出了最重要的型號。3x3 mm2尺寸的諧振器和濾波器已經(jīng)成功推出。

表1 用于RKE、TPMS的SAW濾波器、諧振器列表

 
表中：Country——國家，Center Frequency——中心頻率，Type——型號，Tolerance——公差，Insertion Attenuation——插入損耗，Package——封裝，Package Size——封裝尺寸。
SAW Resonator——SAW諧振器

SAW Filters：SAW濾波器

 
 
*上面給出的所有濾波器都采用了針對汽車應(yīng)用的密封陶瓷封裝，按照AEC－Q200進行了品質(zhì)認證?？商峁㏄PAP。

High temperature stability——高溫度穩(wěn)定性，dual channel operation——雙通道工作，high power handling——大功率承受能力，high selectivity——高選擇性，total bandwidth covered——覆蓋全帶寬，unbalanced——非平衡，low IL——低插入損耗，unbalanced or balanced out——非平衡或者平衡輸出，prematched——預(yù)匹配，high ultimate rejection——高最終抑制。

安全性能與防盜性能無疑是非常基本的需求，但是，在滿足了這些需求后，我們還希望信息的暢通，并盡享娛樂。導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)成為高級轎車和中上檔轎車的標(biāo)準(zhǔn)配置。在這些系統(tǒng)中，GPS用來實現(xiàn)地理上的定位，而EPCOS生產(chǎn)的SAW濾波器和微波陶瓷元件常常被用來確保精確的定位。

近年來，汽車信息娛樂以令人矚目的高速發(fā)展，在這一領(lǐng)域，特別是新的應(yīng)用，在未來還將進一步取得成功。SAW濾波器是數(shù)字電視和收音機調(diào)諧器的基本元件。

數(shù)字地面電視一開始就是針對移動接收應(yīng)用而設(shè)計的，將有助于車內(nèi)電視的普及。在德國，模擬地面電視廣播的終結(jié)已經(jīng)推動了帶有DVB－T接收機的新車的銷售量的增長。與DVD播放器和游戲機相結(jié)合后，數(shù)字電視接收將成為車輛后座電子娛樂組合的標(biāo)準(zhǔn)功能配置。

越來越多的車輛的儀表板上安裝了數(shù)字車用收音機?；诘孛鍰AB（數(shù)字音頻廣播）的收音機系統(tǒng)或者基于衛(wèi)星的XM Radio和SIRIUS標(biāo)準(zhǔn)在2005年底已經(jīng)贏得了1100萬以上的用戶，這一趨勢還在增長。光是衛(wèi)星廣播提供商們的目標(biāo)就已經(jīng)是在2006年底前擁有1500萬用戶。美國、墨西哥和加拿大已經(jīng)可以接收到衛(wèi)星廣播信號，而DAB則快速在英國和歐洲滲透。全球范圍內(nèi)目前總共有5億多人能接收得到數(shù)字廣播。

 

圖5 各系統(tǒng)的分布圖：“數(shù)字地面電視正在全世界的大部分地區(qū)快速擴展?！?nbsp;

綠框：DVB－T是針對移動和行駛時的接收而設(shè)計的。
右側(cè)圖框（從上到下）：DVB－T服務(wù)已經(jīng)啟動；DVB－T已經(jīng)被采納；DVB－T在試用中；推薦使用DVB－T；ATSC服務(wù)啟動，ATSC標(biāo)準(zhǔn)被采納，ISDB－T服務(wù)啟動；尚未作出決定。

EPCOS已經(jīng)無可爭議地成為娛樂電子產(chǎn)品用SAW濾波器市場的領(lǐng)頭羊。它在車輛信息娛樂系統(tǒng)方面同樣領(lǐng)先。因此，EPCOS已經(jīng)為車輛收音機和電視調(diào)諧器提供了1500萬只以上的濾波器，目前還通過持續(xù)的創(chuàng)新來擴展其在此市場上的領(lǐng)導(dǎo)地位。

表2 針對數(shù)字收音機和電視的SAW列表  

EPCOS，SAW濾波器方面最大的制造商，為所有類型的移動數(shù)字收音機或者電視接收應(yīng)用提供了解決方案。
 
Applications——應(yīng)用，Car Infotainment——汽車信息娛樂，Satellite Radio——衛(wèi)星廣播，Digital TV at home, Car Infotainment——家庭數(shù)字電視，汽車信息娛樂，Mobile Receivers——移動接收機。
High temperature stability——高溫度穩(wěn)定性，switchable——可切換。

 

圖6 SAW在車內(nèi)的位置：“SAW濾波器對于汽車電子的許多應(yīng)用來說都是關(guān)鍵部件”。 

圖中按順時針順序：在線導(dǎo)航，衛(wèi)星廣播，被盜車輛的尋回，遙控門鎖系統(tǒng)，GPS，TPMS，DVB－T，車輛加熱器的遙控。

汽車方面的電子應(yīng)用無疑將在未來的數(shù)年和數(shù)十年間進一步發(fā)展壯大——行車安全、安全防范和信息娛樂必將成為人們關(guān)注的焦點。EPCOS領(lǐng)先的SAW元件將繼續(xù)成為這一發(fā)展過程中的關(guān)鍵元件。