基于內(nèi)置天線實(shí)現(xiàn)手機(jī)FM無線電接收

FM無線電接收器模塊是最現(xiàn)代化的移動電話中的標(biāo)準(zhǔn)功能。短距FM發(fā)射(Tx)近來已成為一種受歡迎的手段，它可以將音頻從便攜式MP3播放器轉(zhuǎn)移到在家中或汽車收音機(jī)中，該功能不久將可以用于移動電話。

萊爾德科技公司開發(fā)了一款用于手機(jī)FM無線電接收的內(nèi)置天線RadioAnt，其通過輻射器件與聯(lián)合設(shè)計(jì)前置放大器的集成提供了與已經(jīng)過時的有線耳機(jī)天線類似的性能。

這種方法與傳統(tǒng)的無源解決方案相比具有幾點(diǎn)優(yōu)勢。其中一個是有效消除了對天線阻抗為50歐的要求。這是非常重要的調(diào)頻頻率，此處可以達(dá)到大約1米的輻射阻抗。而固有的輻射放大器阻抗接口在有源天線中并非在50歐左右，輸出可以調(diào)整到任何阻抗水平，對適當(dāng)連接到接收器的輸入包括了50個單端或200個差分阻抗。

前置放大器的增益抑制了FM接收器大約6dB的噪聲。這相當(dāng)于采用具有6dB高增益的無源天線。由于限制了標(biāo)準(zhǔn)接收器自動增益控制的動態(tài)范圍，有源天線的高增益為FM接收器提供了更為適合的信號水平。然而更高的增益(由于噪聲和信號被同等放大)并未提高RF頻率下的信噪比(SNR)，其極大提高了下變頻音頻頻率的SNR。但是，消除了對阻抗負(fù)載的需要，其嚴(yán)重降低了增益并增加了天線噪聲，放大器并不需要無條件的穩(wěn)定。

這種有源天線確有弊端，但可以應(yīng)付。具體來說，就是設(shè)計(jì)與特性更為復(fù)雜，并且前置放大器耗費(fèi)功率與PCB面積。此外，有源器件必須受到保護(hù)來避免ESD，而且不會使靈敏度下降。最重要的是，必須在沒有電阻負(fù)載的條件下達(dá)到穩(wěn)定性與線性，即使天線在放大器輸入端會出現(xiàn)接近開路或短路的阻抗。

有源天線的特性

有益于有源天線的主要指標(biāo)是由總輸出噪聲溫度G/T(簡稱為G比T)歸一化的總增益(天線+放大器)。目前，如果提高放大器增益，輸出噪聲將增加,在G/T方面沒有任何改善。例如，G/T無損，完全匹配短偶極子或環(huán)路天線在室內(nèi)溫度下為-22.8 dB/K(具有1.8dBi的方向性，1.8dBi- 10log(290K))。此處提出的G/T退化與完全匹配無損短偶極子天線有關(guān)的概念是與噪聲指數(shù)(NF)的概念類似，因?yàn)樵趦蓚€不同的節(jié)點(diǎn)對SNR進(jìn)行了比較，但是在290 K噪聲溫度下在輸入(如定義為NF的度量)并未要求匹配的源。通常，由于大部分電學(xué)小型天線具有1.8dBi的方向性，增益G被認(rèn)為是在各個角度上的“平均增益”，其與標(biāo)準(zhǔn)天線效率一致(所以，最大是0dB或100%)。在本文整篇文章中，增益是與效率同義的，因此，并未包含方向性。例如，G/T下降10dB，系統(tǒng)性能等價(jià)于無源天線-10dB效率(如果所有天線都被連接到無噪聲接收器)。

除天線特性外，實(shí)際應(yīng)用中G/T的退化值是受兩個外部因素影響的：會增加輸出噪聲的周圍噪聲溫度Ta，以及會增加天線輸出噪聲Tout(并因此減小G/T)的接收器噪聲指數(shù)NFre。已經(jīng)表明由于人造RF噪聲，Ta的值在FM頻率下遠(yuǎn)高于室溫T0(例如290 K 或-174 dBm/Hz)。所增加的噪聲水平意味著減小了來自有源器件及電阻噪聲貢獻(xiàn)的影響，除非采用內(nèi)置天線，輻射器件的增益是如此低以至于天線物理溫度決定了噪聲溫度。此外，高的背景噪聲水平意味著可以減少輻射器件的效率要求，對理想的低噪聲情況而沒有與G/T一樣極大地減小。這可以被定性的理解為高效率的天線會比低效率的天線收到更大的信號水平，但其也會收到更多的噪聲。因此，天線輸出端的SNR并沒有顯著改善。

第二個影響就是NFrec，還為天線的輸出貢獻(xiàn)噪聲，但通過選擇極高增益的放大器(Gamp > NFrec)可以使其變得微不足道，從而與采用無源天線相比改善了系統(tǒng)的NF性能。應(yīng)當(dāng)指出，背景噪聲和NFrec的這兩種影響通常并不可分，例如一個高背景噪聲溫度可以實(shí)現(xiàn)接收器無關(guān)的噪聲指數(shù)，反之亦然。

如果輻射器的效率與放大器的增益Gamp已知(假設(shè)天線在室溫T0下，并且“了解”周圍的噪聲溫度Ta)，通過以下公式(其中溫度單位是K)可以計(jì)算有源天線G/T的退化值：

計(jì)算有源天線G/T的退化值

然而，輻射器的效率通常與放大器的增益并不分別已知(至少不是通過測量獲得的，但是仿真或分析模型可以用來獲得這些數(shù)據(jù))。反之，當(dāng)放置在特定環(huán)境下(例如，在屏蔽室中Ta = T0)以及通過例如與已知增益的天線相比來測量增益時，通過測量天線的總輸出噪聲功率可以獲得G/T的退化值。必須認(rèn)真采取措施以便通過校準(zhǔn)來消除來自測量設(shè)備的噪聲貢獻(xiàn)，并且在測量期間沒有附著金屬物體(同軸測量線或電壓源線)，原因先前已經(jīng)解釋過了。

為了支持這些要求，Laird科技公司已經(jīng)開發(fā)出基于光纖的電纜替代系統(tǒng)，其連同電池驅(qū)動前置放大器便于正確表征電學(xué)小型天線(圖1)。采用同軸線以及光纖系統(tǒng)測量從屏蔽盒突出來的不同長度單極子天線的增益。長度大約在10m以下的光纖系統(tǒng)測量誤差大約為20dB，這是內(nèi)置天線的實(shí)際值。

最后，應(yīng)該指出人體的出現(xiàn)提高了FM頻率下小型天線的增益，特別是如果用戶接觸天線或屏蔽盒的話。這是因?yàn)槿梭w是一個約為100MHz的相當(dāng)高效的天線，半波長約為1.5米，并且在如此低的頻率下人體組織是導(dǎo)電的。蜂窩天線相比，蜂窩天線可能在談話位置損失超過10dB的增益。積極的人體影響如圖2所示，圖中所示是用戶接觸與沒有接觸天線時接收天線的輸出頻譜。手觸摸的情況下增益要高得多，并且該圖還顯示了在這種情況下G/T退化被提高了10dB至15dB。

用戶接觸與沒有接觸天線時接收天線的輸出頻譜；RadioAnt有源天線的設(shè)計(jì)

實(shí)測性能

RadioAnt有源天線的設(shè)計(jì)如圖3所示。輻射器件為單匝半環(huán)，其中在屏蔽盒短邊的輻射器被地線包圍，并被連接到另一邊的放大器。通過短邊的短路天線以及另一短邊并聯(lián)電容(來獲得諧振)的AC短路天線，天線在GSM的E場最大處被短路，因此保證了低串?dāng)_。在放大器輸入端柵源節(jié)點(diǎn)之間是并聯(lián)電容，除了提高增益，還通過增加由放大器看過去的天線實(shí)部提供了更好的噪聲匹配(改善了穩(wěn)定性)。放大器中采用了共源拓?fù)涞奈⒉‵ET晶體管配置，使得噪聲貢獻(xiàn)最小化。整個放大器在3 V下消耗3 mA，其為應(yīng)用提供了充足的增益與線性。通過dc反饋穩(wěn)定了偏置點(diǎn)，并通過設(shè)計(jì)將來自偏置網(wǎng)絡(luò)的噪聲貢獻(xiàn)減小到接近零。由于微波晶體管在10 GHz及以上頻率具有正增益，必須審慎考慮以確保由天線提供的源阻抗處的穩(wěn)定性。輻射器的輸入阻抗僅對磁性材料敏感(因?yàn)槠涫且粋€短環(huán))，這是比較罕見的，所以天線并沒受到靠近物體的影響出現(xiàn)反調(diào)諧(de-tuned)。通過在靠近電話處放置參考偶極子天線(824MHz到960MHz，以及1710MHz到2170MHz)并將其連接到高功率CW發(fā)射器來測量GSM串?dāng)_的敏感度。在824MHz(最差條件頻率)下檢測到信號惡化開始處大約為+36 dBm，其遠(yuǎn)高于GSM的峰值輸出功率。

實(shí)測G/T下降以及RadioAnt增益如圖4所示，對諾基亞6125手機(jī)的應(yīng)用如圖5所示。該手機(jī)可以工作在兩種模式下，開放和關(guān)閉，具有不同的性能。通常，由于更長的屏蔽盒長度，開放位置要優(yōu)于關(guān)閉位置幾個dB，但預(yù)計(jì)關(guān)閉位置將主要用于收聽期間。盡管增益具有大約20dB帶內(nèi)差異、G/T退化的高度諧振，它是有益于接收和音頻質(zhì)量的重要指標(biāo)，該增益幾乎是平坦的，具有大約5dB的帶內(nèi)差異。因此，就不要求可調(diào)協(xié)性。然而，RadioAnt模塊支持頻率可調(diào)協(xié)性(如果可以從FM接收器獲得控制信號)，其將在頻帶邊沿將接收到的SNR水平改善幾個dB(尤其是，如果必須覆蓋整個76MHz到108MHz頻帶)，并還將提高強(qiáng)大的帶內(nèi)阻斷信號的容差。這是一個可選特性，并且對獲得良好性能而言并不必要。

實(shí)測G/T下降以及RadioAnt增益

對諾基亞6125手機(jī)的應(yīng)用

對發(fā)射而言，采用輻射器作為標(biāo)準(zhǔn)無源天線并通過SPST(開/關(guān))開關(guān)進(jìn)行連接(圖3)。具有Rx模式前置放大器仍然連接(但是被關(guān)閉)并且來自50歐源輸入的未匹配半環(huán)天線實(shí)測增益如圖6所示。獲得了-53 dB到-49 dB的寬帶平均增益(或效率)，并且在歐洲的最大允許輸出功率為50 nW或-43 dBm，因此，F(xiàn)M Tx功率放大器(PA)必須能夠提供大約+10 dBm，并且容許輸出的感應(yīng)電壓與電流擺動。

具有Rx模式前置放大器仍然連接并且來自50歐源輸入的未匹配半環(huán)天線實(shí)測增益

小型天線FM無線電接收

現(xiàn)場測試表明RadioAnt實(shí)現(xiàn)了與基于有線耳機(jī)的FM無線電接收一樣的性能，雖然存在天線尺寸的區(qū)別。盡管有源天線幾乎是一種提供了小體積的最優(yōu)設(shè)計(jì)，但大約1m的輻射阻抗與至少1歐的寄生損耗電阻結(jié)合(例如在輻射金屬和互連線來自有限電導(dǎo)率)必然導(dǎo)致-30 dBi至-50 dBi的增益。對大部分RF工程師而言，相信如此低的增益對任何涉及長距離通訊的應(yīng)用是足夠的非常難，但高環(huán)境噪聲溫度計(jì)大放寬了對FM接收增益的要求。

大部分無線系統(tǒng)工作在1 GHz以上，其中環(huán)境噪聲接近于室溫并且-10 dBi的增益會轉(zhuǎn)化為減少10 dB的SNR。然而，由于人造噪聲，噪聲水平在大部分城市地區(qū)在FM頻率(以及甚至更高的AM)下大約為20 dB。因此，極差效率的天線將收集與較小信號一樣的較小噪聲，例如與完善的偶極子天線相比。如圖7所示，當(dāng)所有天線連接到6 dB NF接收器時，在三種天線不同噪聲溫度下的不同增益(0 dB、-20 dB和-40 dB)下對G/T退化進(jìn)行比較。對具有-40 dB增益天線的真實(shí)情況而言(在室溫下G/T減小46 dB)，同樣配置在典型的23.000 K溫度下改善了19 dB的性能。對有源天線，從接收器噪聲指數(shù)抑制中可以進(jìn)一步增加6 dB。因此，-40 dB增益無源天線的SNR性能在完美的偶極子下只有27 dB。

通過輻射器件與低噪聲前置放大器的共同優(yōu)化，RadioAnt獲得了與有線耳機(jī)天線類似的性能。這使得手機(jī)支持無線耳機(jī)，與發(fā)射和接收FM無線電信號一樣從而支持更多的用戶特性。