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

汽車(chē)的安全性、防盜性能以及乘客對暢達的信息及娛樂(lè )的需求都被開(kāi)列在當今駕車(chē)者愿求列表的首要位置——因此過(guò)去幾年這些領(lǐng)域里新系統大量涌現也就不足為奇，這些系統已經(jīng)日益成為當代汽車(chē)的標準功能配置。

用無(wú)線(xiàn)電傳輸信息是許多此類(lèi)系統的基本構想——于是SAW濾波器與諧振器就成為能保證RF應用可靠工作的的首選元件。EPCOS為類(lèi)型多樣的汽車(chē)電子應用提供具有出色性能的SAW器件。

汽車(chē)安全方面的一個(gè)關(guān)鍵性的資產(chǎn)——就字面意思而言——是遙控門(mén)鎖系統（RKE, remote keyless entry system）。用戶(hù)按下電子鑰匙上的一個(gè)按鈕，該系統就可以讓車(chē)門(mén)鎖閉或者打開(kāi)，并激活或者關(guān)閉發(fā)動(dòng)機鎖止系統（Immobilizer）與報警系統。雖然幾年前只有豪華車(chē)才裝備遙控門(mén)鎖系統，但這一帶來(lái)極大便利的功能現在也成為很多中檔和經(jīng)濟型汽車(chē)的標準配置。2005年，全球制造的全部汽車(chē)中， 有60％裝備了RKE系統。特別在中國，售后市場(chǎng)對該功能的需求已經(jīng)增長(cháng)。下圖示出了RKE系統基本的電子電路架構。

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

發(fā)射機置于汽車(chē)鑰匙之內——采用一個(gè)SAW諧振器來(lái)穩定振蕩器頻率。接收機一般位于車(chē)身控制單元中。SAW濾波器為無(wú)線(xiàn)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(lái)穩定提供混頻信號的振蕩器。

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

交通安全勢必是如今駕車(chē)者所關(guān)心的問(wèn)題中最重要的一個(gè)——當然也是元器件產(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。大多數輪胎故障留出的反應時(shí)間至少長(cháng)達30s，在此期間，如果駕駛員及時(shí)得到報警的話(huà)，可以將車(chē)安全停下。

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

除了安全問(wèn)題之外，對輪胎壓力進(jìn)行監測還有進(jìn)一步的原因。輪胎壓力偏離其最優(yōu)值的幅度為10％時(shí)，輪胎使用壽命縮短的幅度就可達15％。因此TPMS有助于延長(cháng)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(shí)起到發(fā)射單元的作用，而且由一個(gè)工作壽命與輪胎壽命相一致的電池來(lái)供電。

系統的發(fā)射單元每隔一定時(shí)間將測量數據發(fā)送給接收機。數據隨后被解碼出來(lái)，輪胎的絕對壓力顯示在儀表板上。如果測量值低于規定的極限值，汽車(chē)就通過(guò)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構與RKE系統所用的電路相似. 

圖2 TPMS 系統的主體架構

Active （with battery））——有源式（帶電池）

Amplitude Shift Keying——幅移鍵控，Frequency Shift Keying——頻移鍵控，
綠色圖框——基于無(wú)線(xiàn)電原理，依靠安裝在輪胎內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(wú)線(xiàn)原理，依靠安裝在輪胎內部的壓力傳感器和發(fā)射機：以晶體作為振蕩器。

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

 
圖3 TPMS發(fā)射機的體系結構

車(chē)輪模塊（傳感器＋收發(fā)機），pressure sensor——壓力傳感器，Motion Sensor——運動(dòng)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穩頻）。 RF receiver——RF接收機。
下方文字：輪胎壓力監測系統由4個(gè)車(chē)輪模塊和一部接收機組成（有時(shí)候與RKE接收器合在一起）。

隨著(zhù)最近3x3 mm2 SAW諧振器和窄帶濾波器的實(shí)現，EPCOS，供應商中的領(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(mǎn)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(kāi)發(fā)的最新產(chǎn)品。它具有非常陡峭的邊帶，帶寬為0.6MHz。雙向系統中，發(fā)射機功率常常會(huì )泄漏到接收機濾波器中，因此這種產(chǎn)品的設計提供了高達10dBm的功率耐受能力。

圖4  B3731 SAW濾波器的頻率響應圖

窄帶的SAW濾波器B3731是專(zhuān)門(mén)針對在中國使用的RKE和TPMS系統而設計的。
 
TPMS系統面臨的環(huán)境條件非常惡劣。在輪胎內部，SAW諧振器必須在極端條件下工作：高溫、低溫、粉塵、潮濕、振動(dòng)和加速度力都會(huì )給元件帶來(lái)極大的考驗。但是來(lái)自于EPCOS的SAW諧振器可以承受惡劣的環(huán)境。一個(gè)利用滾邊焊進(jìn)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。在內部，氧化物鈍化層保護產(chǎn)品敏感的機電系統表面免受微粒的玷污。

EPCOS為RKE和TPMS應用提供了種類(lèi)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(chē)應用的密封陶瓷封裝，按照AEC－Q200進(jìn)行了品質(zhì)認證?？商峁㏄PAP。

High temperature stability——高溫度穩定性，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——預匹配，high ultimate rejection——高最終抑制。

安全性能與防盜性能無(wú)疑是非?；镜男枨?，但是，在滿(mǎn)足了這些需求后，我們還希望信息的暢通，并盡享娛樂(lè )。導航系統已經(jīng)成為高級轎車(chē)和中上檔轎車(chē)的標準配置。在這些系統中，GPS用來(lái)實(shí)現地理上的定位，而EPCOS生產(chǎn)的SAW濾波器和微波陶瓷元件常常被用來(lái)確保精確的定位。

近年來(lái)，汽車(chē)信息娛樂(lè )以令人矚目的高速發(fā)展，在這一領(lǐng)域，特別是新的應用，在未來(lái)還將進(jìn)一步取得成功。SAW濾波器是數字電視和收音機調諧器的基本元件。

數字地面電視一開(kāi)始就是針對移動(dòng)接收應用而設計的，將有助于車(chē)內電視的普及。在德國，模擬地面電視廣播的終結已經(jīng)推動(dòng)了帶有DVB－T接收機的新車(chē)的銷(xiāo)售量的增長(cháng)。與DVD播放器和游戲機相結合后，數字電視接收將成為車(chē)輛后座電子娛樂(lè )組合的標準功能配置。

越來(lái)越多的車(chē)輛的儀表板上安裝了數字車(chē)用收音機?；诘孛鍰AB（數字音頻廣播）的收音機系統或者基于衛星的XM Radio和SIRIUS標準在2005年底已經(jīng)贏(yíng)得了1100萬(wàn)以上的用戶(hù)，這一趨勢還在增長(cháng)。光是衛星廣播提供商們的目標就已經(jīng)是在2006年底前擁有1500萬(wàn)用戶(hù)。美國、墨西哥和加拿大已經(jīng)可以接收到衛星廣播信號，而DAB則快速在英國和歐洲滲透。全球范圍內目前總共有5億多人能接收得到數字廣播。

 

圖5 各系統的分布圖：“數字地面電視正在全世界的大部分地區快速擴展?！?nbsp;

綠框：DVB－T是針對移動(dòng)和行駛時(shí)的接收而設計的。
右側圖框（從上到下）：DVB－T服務(wù)已經(jīng)啟動(dòng)；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(dòng)，ATSC標準被采納，ISDB－T服務(wù)啟動(dòng)；尚未作出決定。

EPCOS已經(jīng)無(wú)可爭議地成為娛樂(lè )電子產(chǎn)品用SAW濾波器市場(chǎng)的領(lǐng)頭羊。它在車(chē)輛信息娛樂(lè )系統方面同樣領(lǐng)先。因此，EPCOS已經(jīng)為車(chē)輛收音機和電視調諧器提供了1500萬(wàn)只以上的濾波器，目前還通過(guò)持續的創(chuàng )新來(lái)擴展其在此市場(chǎng)上的領(lǐng)導地位。

表2 針對數字收音機和電視的SAW列表  

EPCOS，SAW濾波器方面最大的制造商，為所有類(lèi)型的移動(dòng)數字收音機或者電視接收應用提供了解決方案。
 
Applications——應用，Car Infotainment——汽車(chē)信息娛樂(lè )，Satellite Radio——衛星廣播，Digital TV at home, Car Infotainment——家庭數字電視，汽車(chē)信息娛樂(lè )，Mobile Receivers——移動(dòng)接收機。
High temperature stability——高溫度穩定性，switchable——可切換。

 

圖6 SAW在車(chē)內的位置：“SAW濾波器對于汽車(chē)電子的許多應用來(lái)說(shuō)都是關(guān)鍵部件”。 

圖中按順時(shí)針順序：在線(xiàn)導航，衛星廣播，被盜車(chē)輛的尋回，遙控門(mén)鎖系統，GPS，TPMS，DVB－T，車(chē)輛加熱器的遙控。

汽車(chē)方面的電子應用無(wú)疑將在未來(lái)的數年和數十年間進(jìn)一步發(fā)展壯大——行車(chē)安全、安全防范和信息娛樂(lè )必將成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。EPCOS領(lǐng)先的SAW元件將繼續成為這一發(fā)展過(guò)程中的關(guān)鍵元件。