如果说汽车是当今最复杂的物联网设备,恐怕没有人会反对。有分析称,今天行使在路上的汽车每天会产生50G的数据量,而未来的智能汽车一个小时就可能会产生高达4T的数据量!如此海量的数据需要在汽车内部设备之间、汽车与外部设备之间,和汽车与驾乘用户之间进行交互,对于数据传输通道的压力可想而知。
之所以今天的汽车会成为一个数据“怪兽”,最本质的原因是:物联网时代的汽车不再是彼此分离的信息孤岛,而是成为了利用互联网相连的互联汽车(Connected Car),当有机会与网络中其他的节点发生联系之后,汽车需要交互和消费的信息量自然是巨大的,而其背后蕴含的价值也是惊人的。
正因为此,近年来互联汽车市场从始至终保持着很高的上涨的速度。在2018年,全球互联汽车的市场渗透率仅为8.0%,而到2021年将达到19.3%;据测算,2020年全球有25亿辆互联汽车在路上行驶。另据普华永道发布的报告,全球互联汽车市场的价值从2015年的340亿美元,攀升至2020年的1,230亿美元。按照BI Intelligence的分析,从2015年至2020年间,全球互联汽车市场的年复合增长率高达29%,这无疑是一个极具成长性的领域。
赋能互联汽车的海量数据,有相当一部分是通过高速射频(RF)通道进行传输的。这样的数据传输需求大多数来源于两个方面:
安全和ADAS:在实现无人驾驶的过程中,必须采集大量的数据,包括车内传感器产生的车辆运作状况的数据、状态。摄像头、毫米波雷达、激光雷达等传感器感知到的车外环境信息,未来还会有通过V2X车联网系统获取的来自交通基础设施、其他车辆以及行人等交通参与者的信息……这一些数据中,很多都需要经由RF接口汇聚到车辆中,综合分析,完成决策。
车载信息娱乐:汽车越智能,其非交通工具的属性就会越突出,这是大势所趋。今天的车载信息娱乐系统,除了收音机、卫星导航这些传统的功能,如何基于5G、Wi-Fi、蓝牙等无线通信方式,将多媒体信息在车辆与驾乘用户之间进行交互、分发和共享,这样的设计需求会慢慢的强烈。可以想见,随着无人驾驶将人们从枯燥、紧张的驾驶中解脱出来,乘客们对于车载信息娱乐的兴趣也会快速提升。
不断增长的RF通信需求,自然会对车载RF互连系统提出挑战——它们既要支持高速传输,也要符合汽车应用高可靠性的标准;既需要在小型化、易用性和可操作性上来优化、平衡,应对汽车系统复杂性的挑战,也要考虑大批量生产的需求,以跟上高歌猛进的市场步伐。
面对这样的挑战,一个标准化的车载RF互连系统显然是高效的解决之道,FAKRA互连系统也就应运而生了。
FAKRA是“Fachkreis Automobil”的缩写,最初是由多家公司联手,为了标准化汽车应用中同轴互连接口而开发的,后来它被采纳为全球标准,通过与USCAR等别的行业标准相融合,为行业提供了一个经过优化、可广泛采用的RF互连解决方案。
初代的FAKRA产品是在SMB射频连接器的基础上增加塑壳结构而形成的,既能实现在车载应用中的快速装配,也可保证稳定可靠的连接。今天我们常见的FAKRA连接器由塑壳、外导体触点、中心导体触点、绝缘体、压接套管和二次锁(位于线束端连接器)组成,其主要的特点包括:
FAKRA汽车RF连接器通常支持4GHz的工作频率,经过优化的产品可高达6GHz。FAKRA支持LVDS等标准,适合主流的汽车RF互连应用。
FAKRA连接器在线束端设计有二次锁机构,可确保端子安装到位,并增加端子的保持力,以满足汽车应用独有的机械和环境要求。
FAKRA采用了“机械建控+颜色编码”双重防错配机制——在连接器的配接界面上设计有防止错配的结构,而且不同的防错结构与不一样的颜色编码(coding)的塑壳对应,防错颜色编码共有14种,对应汽车中不同的应用。
使用防水版本的FAKRA连接器,在连接器插接界面能轻松实现IPX7/IPX9K的防护等级。
目前FAKRA车载RF互连系统已发展到了第四代。前三代FAKRA连接器大多数都用在传统互联汽车系统,如LVDS环绕摄像头、信息娱乐、GPS和卫星广播等,而第四代FAKRA则会重点支持无人驾驶功能,比如V2X应用,以及盲点监控、紧急车辆报警系统和自动制动等ADAS应用。
FAKRA产品代际间的升级,还有一个关键之处是对自动化批量生产的支持。从图3中能够正常的看到,第一代的FAKRA产品,其主体和触点都是车削加工而成的,仅适用于手工工具;从第二代到第三代,FAKRA产品慢慢地过渡到压铸成型的主体和冲压成型的触点,实现了大批量的生产,且支持半自动化的工具;而到了第四代FAKRA,其主体、触点、套管均采用适合大批量生产的冲压工艺,而且支持全自动的工具。这样的技术进步,无疑会为FAKRA进一步满足迅速增加的车载RF互连应用,打下坚实的基础。
由此,FAKRA在车载RF互连领域的地位越来越稳固,各个连接器厂商也都将其列为重要的产品线。Amphenol RF就围绕着FAKEA打造了一系列互连解决方案,形成了完整的产品组合。
Amphenol RF的FAKRA汽车连接器具有高达6GHz的性能,符合USCAR 17和18标准,支持最少100次插配。其(母)插孔采用经改进的金属SMB同轴连接器,具备密封入口接口,含受保护的外部触点,比传统SMB更为耐用。这些FAKRA连接器具有多种颜色编码的塑料外壳,方便识别,并提供独特的键控机制以避免插配错误。塑料外壳具有锁定功能,插入时会发出声音,以确保正确的配接操作。
Amphenol RF的FAKRA适用于多种同轴电缆(包括RG-58、RF-174、RG-316、RG-178及其它微型电缆),还可提供直插、直角线缆以及边缘安装和PCB设计等多种连接器配置,为产品研究开发带来极大的灵活性。
除了连接器,Amphenol RF还可提供配套的FAKRA电缆组件。这些固定长度FAKRA组件采用RG-58和RG-174柔性电缆,有12英寸至5米多种标准长度可选,并提供多种连接器配置,适合用在所有汽车应用开发。Amphenol RF的FAKRA电缆组件采用高水准的端接设备制造而成,先切割和剥离电缆,然后将连接器牢固端接到电缆的每一端,无需其他工具装配,且全部的产品都经过单独测试,确保达到高质量标准。
在汽车应用中,FAKRA不是唯一一种RF互连接口,因此不同RF接口之间的转换连接必不可少。在这方面,Amphenol RF也推出了相应的产品。比如Amphenol RF固定长度的FAKRA转AMC电缆组件,将汽车行业标准FAKRA连接器与微型AMC连接器整合在超柔韧的1.37mm同轴电缆上。其中FAKRA隔板直插式连接器具有颜色编码和键控功能,防止在安装过程中出现错配,支持不少于100次插拔;AMC直角插头连接器采用薄型设计,板占位极小,支持不少于30次插拔。两种连接器可根据自身的需求轻松地连接和断开,非常适合于空间紧凑的汽车和物联网应用。该产品密封防护等级达IP67,可为短时间浸水提供保护。
另一个需要我们来关注的连接转换组件是AMC4转FAKRA电缆组件,它提供了AMC4直角插头与FAKRA直插式连接器的转接。该组件中间的1.13mm微型电缆有多种长度可选,包括300mm、250mm、150mm、100mm和50mm。Amphenol RF AMC4转FAKRA电缆组件具有50Ω阻抗、直流至6GHz的频率范围,以及200VRMS介电耐压。该电缆组件采用高耐热尼龙罩、镀镍锌合金主体和镀金黄铜触点,采用Z型(水蓝色)FAKRA键控架构,适用于各类常规车载应用。
有了上面这些FAKRA连接器,以及电缆和转接组件,基本上就可以让FAKRA全方位、无死角地应用在互联汽车中相关的RF互连场景中。
如果说上面介绍的这一些产品,是Amphenol RF在FAKRA标准基础上精益求精之作,那么下面这款产品绝对是极具开创性的“作品”。
大家都知道,今天的汽车越来越复杂,使用的电子电气设备慢慢的变多,而一个车的空间是有限的,这就要求所有“上车”的产品都要朝向微型化、小型化、高可靠发展。Amphenol RF的AUTOMATE®Mini-FAKRA Type A连接器就为了应对这一挑战而设计开发的。该系列支持高达20Gbps数据传输,高达9GHz的频率,与常规FAKRA产品相比,所需安装空间减少达80%。
AUTOMATE®Mini-FAKRA Type A连接器也继承了标准FAKRA连接器的很多优秀特性,同样采用彩色编码外壳设计(包括7种颜色编码),在组装过程中可提供视觉指导。此外,该连接器也提供机械键控,以防止连接器错配。
在提升连接稳固性方面,该连接器具备声音提示和二次锁,以确保连接器正确匹配、锁定到位。此外还提供端子位置保证 (TPA) 机构,在配接过程中提供额外的安全性和抗冲击能力。
AUTOMATE®Mini-FAKRA Type A连接器工作时候的温度范围为-40°C至+105°C,能够准确的通过客户需求提供定制的电缆组件和密封防水解决方案,适用于360°环视摄像头、无人驾驶系统、GPS导航、3D仪表板等诸多车载应用。
总之,数据正在成为驱动互联汽车的另一种“燃料”,想要拥有一个安全、舒适的轮上生活,尤其离不开数据释放出的巨大能量。而确保海量汽车数据的传输和交互,车载RF连接器是一个不可或缺的重要技术支点。
要想获得更优的车载RF互连解决方案,其实核心的诀窍无外乎是两点:一是选择标准化的连接器(如FAKRA),以提升效率,控制成本;二是选择产品组合丰富,且能够在技术上与时俱进、锐意创新的技术供应商(如Amphenol RF),这样一来,互联汽车的互连挑战,就能迎刃而解。
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