如何應(yīng)對便攜式設(shè)備中FM天線的設(shè)計挑戰(zhàn)

調(diào)頻(FM)收音機在高保真音樂和語音廣播中已經(jīng)被采用好多年了，它能提供極好的聲音質(zhì)量、信號魯棒性和抗噪聲能力。最近，F(xiàn)M收音機開始越來越多地用于移動和個人媒體播放器中。然而，傳統(tǒng)FM設(shè)計方法需要很長的天線，例如有線耳機，從而限制了許多沒帶有線耳機的用戶。另外，隨著無線使用模型在便攜式設(shè)備中的不斷普及，更多用戶可以從使用其他類型FM天線的無線FM收音機中受益，且同時可利用無線耳機或揚聲器來聽聲音。

本文將介紹一種FM收音機接收機解決方案，它將天線集成或嵌入在便攜式設(shè)備內(nèi)部，使得耳機線成為可選件。我們首先從最大化接收靈敏度講起，然后介紹取得最大化靈敏度的方法，包括最大化諧振頻率的效率，最大化天線尺寸，以及利用可調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)最大化整個調(diào)頻帶寬上的效率。最后，本文還將給出可調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)方法。

最大化靈敏度

靈敏度可以被定義為調(diào)頻接收系統(tǒng)可以接收到的、同時能達到一定程度信噪比(SNR)的最小信號。這是調(diào)頻接收系統(tǒng)性能的一個重要參數(shù)，它與信號和噪聲都有關(guān)系。接收信號強度指示器(RSSI)只是指出了特定調(diào)諧頻率點的射頻信號強度，它并不提供有關(guān)噪聲或信號質(zhì)量的任何信息。在比較不同天線下接收機性能時，音頻信噪比(SNR)也許是一個更好的參數(shù)。因此，想為聆聽者帶來高質(zhì)量的音頻體驗，使SNR最大化非常重要。

天線是連接射頻電路與電磁波的橋梁。就調(diào)頻接收而言，天線就是一個變換器，即將能量從電磁波轉(zhuǎn)換成電子電路(如低噪聲放大器(LNA))可以使用的電壓。調(diào)頻接收系統(tǒng)的靈敏度直接與內(nèi)部LNA接收的電壓相關(guān)。為了最大化靈敏度，必須盡量提高這個電壓。

市場上有各種各樣的天線，包括耳機、短鞭、環(huán)路和芯片型天線等，但所有天線都可以用等效電路進行分析。圖1給出了一種通用的等效天線電路模型：

在圖1中，X可以是一個電容或一個電感。X的選擇取決于天線拓撲，其電抭(感抗或容抗)值與天線幾何形狀有關(guān)。損耗電阻Rloss與天線中以熱能形式散發(fā)的功耗有關(guān)。幅射電阻Rrad與從電磁波產(chǎn)生的電壓有關(guān)。為了便于說明，后文將以環(huán)路天線模型作為分析對象，同樣的計算也可以用于其他類型的天線，如短的單極天線和耳機天線。

圖1：天線等效電路模型。

使諧振頻率點的效率最大化

為了盡量提高天線轉(zhuǎn)換出來的能量，可以使用一個諧振網(wǎng)絡(luò)來抵消天線的電抗性阻抗，而這種阻抗會衰減天線傳導(dǎo)到內(nèi)部LNA的電壓值。對電感性環(huán)路天線來說，電容Cres用來使天線在想要的頻率點發(fā)生諧振：

諧振頻率是指天線將電磁波轉(zhuǎn)換成電壓的效率最高的頻率點。天線效率是Rrad上的功率與天線收到的總功率的比值，可以表示為Rrad/Zant，其中Zant是帶天線諧振網(wǎng)絡(luò)的天線阻抗。Zant表示為：

當天線處于諧振狀態(tài)時，效率η可以表示為：

在其他頻率點時效率為：

非諧振頻率點的天線效率η要低于最大效率ηres，因為此時的天線輸入阻抗Zant要么是容性的，要么是感性的。

最大化天線尺寸

為了恢復(fù)所傳輸?shù)纳漕l信號，天線必須從電磁波里收集到盡可能多的能量，并高效地將電磁波能量轉(zhuǎn)換成通過Rrad的電壓。收集到的能量多少受制于便攜式設(shè)備所使用天線的可用空間和大小。對于傳統(tǒng)的耳機天線來說，它的長度可達到調(diào)頻信號的四分之一波長，能收集到足夠的能量并轉(zhuǎn)換成內(nèi)部LNA可用的電壓。在這種情況下，最大化天線效率就不那么重要。

不過，由于便攜式設(shè)備正變得更小更薄，留給嵌入式調(diào)頻天線的空間已變得非常有限。雖然已盡量增加天線尺寸，但嵌入式天線收集到的能量仍非常小。因此在既不犧牲性能、又要使用較小的天線的情況下，提高天線效率η就變得非常重要。

利用可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)，使調(diào)頻頻段上的效率最大化

大多數(shù)國家的調(diào)頻廣播頻段的頻率范圍是87.5MHz到108.0MHz。日本的調(diào)頻廣播頻段是76MHz到90MHz。在一些東歐國家，調(diào)頻廣播頻段是65.8MHz到74MHz。為了適應(yīng)全球所有的調(diào)頻頻段，調(diào)頻接收系統(tǒng)需要有40MHz的帶寬。傳統(tǒng)解決方案通常是將天線調(diào)諧在調(diào)頻頻段的中心頻率。然而就如上述公式表明的那樣，天線系統(tǒng)的效率是頻率的函數(shù)。效率在諧振點達到最大值，當頻率偏離諧振頻率時，效率將下降。值得注意的是，由于全球調(diào)頻頻段的帶寬達40MHz，當頻率遠離諧振頻率點時天線效率將有顯著下降。

例如，設(shè)定一個固定諧振頻率98MHz，那么在該頻率點可取得很高的效率，但其他頻率點的效率將有顯著下降，從而劣化了遠離諧振頻率點時的調(diào)頻性能。

圖2給出了固定諧振頻率在頻段中心(98MHz)時兩種天線(耳機天線和短天線)的效率曲線。

圖2：調(diào)頻頻段內(nèi)的典型固定諧振天線性能。

從上圖可以看出，98MHz點可以取得最佳效率，但頻率越接近頻帶邊緣效率下降越多。對耳機天線來說這不是什么大問題，因為這種天線尺寸能夠在整個頻率內(nèi)收集到足夠的電磁能量，并轉(zhuǎn)換成較高的電壓給射頻接收器。然而，與較長的耳機天線相比，短天線尺寸小，收集到的能量也少，因此當頻率遠離諧振點時效率將迅速降低，也就是說使用固定諧振方案時頻帶邊緣處的接收會產(chǎn)生問題，主要原因是短天線具有比耳機更高的“Q”值，從而在頻帶邊緣時使效率發(fā)生陡峭下降。

Q是指品質(zhì)因數(shù)，正比于單位時間內(nèi)天線網(wǎng)絡(luò)中存儲的能量與損耗或幅射能量的比值。針對帶天線諧振網(wǎng)絡(luò)的上述天線等效電路而言，Q值滿足：

與短天線相比，耳機天線尺寸較大，因此本身就具有較高的幅射電阻Rrad，從而導(dǎo)致Q值較低。由于嵌入式應(yīng)用要求使用高Q值的短天線，效率陡降問題非常突出。

天線的Q值還與天線帶寬有關(guān)，其關(guān)系可以表示為：

其中?c是諧振頻率?c，BW是天線的3dB帶寬。與較長的耳機天線相比，高Q值的短天線具有較小的帶寬，因此在頻帶邊緣的損耗較大。

為了克服高Q值固定諧振天線的帶寬限制問題，可以用自調(diào)諧諧振電路將“固定諧振”改為“可調(diào)諧振”，使電路永遠處于諧振頻率點，從而最大化接收靈敏度。采用自調(diào)諧諧振天線可以獲得較高的信噪比，因為來自諧振天線的增益可降低接收機的系統(tǒng)噪聲系數(shù)，而嵌入式天線固有的高Q值又有助于濾除可能與本振諧波混合在一起的干擾。

可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn)

圖3給出了支持嵌入式短天線的增強型調(diào)頻接收機架構(gòu)的概念性框圖?！翱烧{(diào)諧振”采用片上可調(diào)的變?nèi)荻O管和調(diào)諧算法實現(xiàn)。

圖3：Si4704/05的概念性框圖。

上述設(shè)計使用了帶數(shù)字信號處理器(DSP)的混合信號數(shù)字低中頻架構(gòu)，從而可實現(xiàn)包括嵌入式短天線的自調(diào)諧在內(nèi)的先進的信號處理算法。天線算法自動根據(jù)設(shè)備的每個頻率調(diào)諧點調(diào)整變?nèi)荻O管的電容值，從而獲取最佳性能。

舉例來說，如果用戶調(diào)諧到101.1MHz(圖4中的電臺1)，天線算法將把天線電路諧振點調(diào)諧到101.1MHz，從而優(yōu)化了101.1MHz點的天線效率和接收性能。當用戶調(diào)諧到84.1MHz(圖4中的電臺2)時，天線算法隨之重新調(diào)諧天線電路諧振點，從而使84.1MHz點的接收性能最優(yōu)。

圖4：可調(diào)諧振的好處。

利用調(diào)整后的頻率調(diào)諧天線諧振點可在每個給定頻率點提供最大效率，從而最大化整個調(diào)頻頻段上的接收信號強度。在采用可調(diào)諧振電路后，使用嵌入式天線的系統(tǒng)性能在整個頻帶上都有所提高。在指定頻率點諧振天線還能衰