在移動電話中的接收和發(fā)射FM信號的內(nèi)置天線
問題的提出
這幾年來,多數(shù)移動電話中都使用了無線調(diào)頻(FM)信號接收組件。由于波長長(λ~3m),占調(diào)頻頻帶較大(帶寬是FM調(diào)頻頻帶76~108MHz的35%),免提耳機(jī)的連接線常被當(dāng)作天線使用,而電話的底板(也許還有使用者)則當(dāng)作地線,于是在收聽時需要連接免提耳機(jī)。這種做法的缺點是不能使用藍(lán)牙免提耳機(jī),也不能使用音頻揚(yáng)聲器。最近,在短距離內(nèi)傳送音頻信號的技術(shù)開始興起,即把音頻信號從便攜式MP3播放器傳送到家用收音機(jī)或者汽車收音機(jī)上,移動電話很快也會具備這個功能。所以,人們把天線的功能和免提耳機(jī)的連接線分開,最好把天線放到移動電話里面。
在整合方面的問題
在把天線集成電話里面時會出現(xiàn)兩個問題。第一,由于現(xiàn)代終端設(shè)備的尺寸很小,空間非常有限,可以接收波長會受到限制。此外,印刷電路板一般至少有一層(接地面)是完全金屬化的,與地之間的最大高度在4~8mm的范圍(相當(dāng)于不到0.003λ)。因此,任何單極型天線的長度都要大量地縮短,以便產(chǎn)生諧振,結(jié)果在帶寬和天線的接收效率方面有很大損失。第二個問題就是發(fā)射天線的隔離。發(fā)射電線和電話里面的調(diào)頻天線是安置在一起的,尤其是在GSM850/900波段,發(fā)射器會產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。
有源天線的設(shè)計思想
很多公司都提出了相應(yīng)的設(shè)計方案。以萊爾德科技股分有限公司為例,他們研制了一種內(nèi)置天線(ActivvTM),可用于接收FM調(diào)頻信號。其性能與使用有源設(shè)計思想的耳機(jī)連接線相似,這就是發(fā)射元件和前置放大器一起設(shè)計,并且整合在一起。與傳統(tǒng)的無源天線相比,這個方法有如下優(yōu)點。
● 并不要求天線的電阻必須是50Ω,因此避免了損失,也不需要會限制帶寬的匹配元件。
● 前置放大器的增益能夠減少FM調(diào)頻接收器產(chǎn)生的噪聲,一般為6dB左右。這相當(dāng)于使用增益增大了6dB的無源天線。
● 由于有源天線的增益大,送到FM調(diào)頻接收器的信號電平更加合適。這是因為標(biāo)準(zhǔn)的調(diào)頻接收器中的自動增益控制(AGC)的動態(tài)范圍有限。要注意的一點是,增大增益并不能改善射頻的信噪比SNR(因為噪聲和信號都同樣地放大了),但在轉(zhuǎn)換成音頻信號時,它的確大量地提高了信噪比?!?BR>● 放大器不需要無條件穩(wěn)定,對于給定的晶體管(它的隔離等效參數(shù)S12不等于零),只能利用電阻性負(fù)載把它穩(wěn)定,而電阻性負(fù)載又會嚴(yán)重地降低增益并且增大天線的噪聲。
與無源天線相比,有源天線的性能好得多,但這些優(yōu)點是有代價的。設(shè)計和測定特性的復(fù)雜程度都增大了(在下一節(jié)將談到這點),最重要的是,要在沒有電阻性負(fù)載的情況下做到穩(wěn)定,線性度要好。此外,有源元件需要靜電保護(hù),但又不能降低靈敏度。
有源天線的特性-G/T損失
有源天線不用增益、效率、返回?fù)p失這些普通的參數(shù)來描述它的特性。例如,只要增大前置放大器的增益,或者在輸出端再串聯(lián)一級放大器,就可以隨意增大它的增益。因此,增益本身是沒有意義的。相反,有源天線的主要性能指標(biāo)是按總輸出噪聲溫度正則化后的總增益(天線和放大器的增益),即G/T損失(G/T degradation)。
在實際應(yīng)用中,除了受天線特性的影響,有兩個外來的因素會影響G/T損失的數(shù)值:接收器的噪聲指數(shù)和環(huán)境噪聲溫度Ta。接收器的噪聲指數(shù)會增大天線的輸出噪聲Tout(因而降低G/T),環(huán)境噪聲溫度也會增大輸出噪聲。
噪聲電平升高表示有源器件和電阻器產(chǎn)生的噪聲影響減少了。除非是內(nèi)置天線,其發(fā)射元件的增益很低,一般情況下,天線的實際溫度支配著噪聲溫度。而且,噪聲背景強(qiáng)表示,在低噪聲的理想情況下,可以降低對發(fā)射元件的要求,并不會明顯地降低G/T。這點可以定性地這樣理解:效率高的天線接收到的信號大于效率低的天線接收到的信號,但是它接收到的噪聲也比較大。因此,在天線輸出端的信噪比并沒有好一些。第二點是接收器的噪聲指數(shù)NFrec也增加了天線輸出的噪聲,但是只要放大器的增益相當(dāng)大(即Gamp>NFrec),它的影響就很小,與無源天線相比,這就提高了系統(tǒng)的性能(從噪聲背景方面講)。要注意的一點是,這兩方面(也就是背景噪聲和NFrec)的作用一般是分不開的。例如,背景噪聲溫度高時,接收器的噪聲指數(shù)起的作用就小,反過來也是這樣。
一般地講,我們不知道發(fā)射元件的效率和放大器的增益分別是多大(至少不能通過測量得到,但可以通過模擬或者模型分析得到這些數(shù)據(jù))。相反,G/T損失是直接通過測量天線的輸出噪聲總功率得到的,這時天線是放在一個特殊的環(huán)境中(例如在消聲室中,Ta=T0),增益是用增益置換法借助一個增益已知的參照天線通過測量得到的。但是要小心。要通過標(biāo)定把測量設(shè)備產(chǎn)生的噪聲去掉,在測量時沒有金屬物體(同軸電纜線或者電源線)和它相連。由于這個原因,萊爾德科技公司研制了一種代替電纜線的系統(tǒng),它利用了光纖的原理,連同一個用電池供電的前置放大器,這些在一起可以妥善地測定小天線的電氣特性(見圖1)。估計同軸電纜線引入的測量誤差的設(shè)置如圖2所示。圖2中,在單極天線從基板上伸出來的長度不同的情況下,用同軸電纜線和光纖系統(tǒng)測量了它們的增益??梢钥吹?,在長度為10mm左右(這是內(nèi)置天線的實際長度)時,測量誤差超過20dB。
圖1 使用光纖系統(tǒng)、沒有使用電纜線的測量裝置
圖2 在測量小天線時,金屬電纜線引入的測量誤差
最后,要注意人體對小天線在FM調(diào)頻頻帶的增益的影響是正面的,尤其是使用者的身體與天線或者底板接觸的情況下。這是因為,在100MHz左右,人體是效率相當(dāng)好的天線,半波長是1.5m左右。圖3給出了人體接觸天線和沒有接觸天線時,接收天線的輸出頻譜。很明顯,用手接觸天線時,G/T提高了10~15dB。由于大多數(shù)使用者在聽電話時和移動電話是靠得很近的,所以可以合理地假定,F(xiàn)M調(diào)頻天線的實際性能優(yōu)于它處在自由空間時的性能。
圖3 人體對增益和信噪比的影響
ActivvTM有源天線的性能
圖4說明有源天線ActivvTM的設(shè)計思想。發(fā)射元件是一匝的半環(huán)回路,發(fā)射元件的一端在底板的一側(cè)接地,發(fā)射元件的另一端接到放大器上。也可以用多匝發(fā)射元件,它能夠提高發(fā)射元件的電阻。不過在多數(shù)情況下,它起的作用不夠大?;芈返碾姼泻头糯笃鬏斎攵耍艠O和源極之間)上并聯(lián)的電容產(chǎn)生諧振,這樣做除了提高增益外,還增大了天線的等效阻抗的電阻部分(它也提高了穩(wěn)定性),從而增強(qiáng)了噪聲的匹配。前置放大器是共源極電路,使用現(xiàn)代的微波FET晶體管,減少了噪聲。整個放大器在3V時消耗的電流是3mA,它的增益相當(dāng)大,線性度也相當(dāng)好。
偏置點是靠直流反饋來穩(wěn)定的,通過設(shè)計把偏置電路產(chǎn)生的噪聲減少到幾乎為零。由于放大器的設(shè)計是配合天線進(jìn)行的,放大器不需要無條件穩(wěn)定(對于獨立的放大器,要求是無條件穩(wěn)定的)。這是有源天線設(shè)計思想的巨大優(yōu)點,因為在大多數(shù)情況下只有加上電阻負(fù)載才能做到無條件穩(wěn)定的。而電阻負(fù)載會嚴(yán)重地降低天線的增益,并且增大天線的噪聲。人們一般擔(dān)心的是,天線的阻抗不是固定的常數(shù),而是隨著近場環(huán)境變化而變化。不過在這種情況下,只有磁性材料(因為它是短路的環(huán)路)影響發(fā)射元件的輸入阻抗,這是相當(dāng)不尋常的。
圖4 使用半個回路發(fā)射元件的ActivvTM有源天線原理圖
這也表明,天線不會因為附近的物體的影響而失去調(diào)諧。天線在諧振頻率的響應(yīng)特性減少了GSM發(fā)射信號引起的串音,妥善設(shè)計發(fā)射元件也減少了這個串音。天線的一端是短路的,在另一端并聯(lián)一個電容器(從而產(chǎn)生諧振),交流信號由于這個電容器而與地短路,因此天線在GSM天線的E場為最大時對地短路,從而確保串音很低。對GSM串音的靈敏度是這樣測定的:把一個參照雙極天線(824~960MHz和1710~2170MHz)放在電話附近,并把它接到一個大功率CW發(fā)射器上。測量信號的惡化情況,在824MHz(信號變差的最嚴(yán)重頻率)時大約是+36dBm,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GSM的最大輸出功率。圖5所示為Nokia 6125中的ActivvTM天線的G/T損失值和增益,是在閉路位置(最壞的情形)時的測量值相對增益而言,G/T是平坦的,這是因為放大器的噪聲指數(shù)和失配程度的關(guān)系是非線性的。于是在設(shè)計放大器時可以自由一些,可以在設(shè)計上提高有源天線的G/T帶寬,而這點是無源天線做不到的。ActivvTM有源天線可用于頻率調(diào)諧(如果可以得到FM調(diào)頻接收器的控制信號)。將接收器在頻帶兩端的信噪比幾個dB(尤其是在需要覆蓋整個76~108MHz的情況下),也提高了容忍頻帶內(nèi)信號堵塞的程度。不過這是屬于選用的功能,不一定會得到很好的性能。
圖5 Nokia 6125電話中的ActivvTM天線G/T損失和增益的測量結(jié)果
在發(fā)射時,發(fā)射元件起標(biāo)準(zhǔn)的無源天線作用,它用一個單刀單擲(SPST)通斷控制進(jìn)行連接(見圖4)。前置放大器處在Rx狀態(tài),仍然與天線連接(但是切斷電源)。用一個內(nèi)阻為50Ω的信號源供給信號時,失配的半圈天線的增益測定值如圖7所示。寬帶范圍的平均增益(或者效率)達(dá)到-53~-49dB。在開關(guān)和調(diào)頻發(fā)射組件之間接入一個匹配網(wǎng)絡(luò),或者選擇適當(dāng)?shù)墓Ψ泡敵鲎杩梗敲磳敵龉β实囊罂梢苑艑捄芏唷?/P>
圖6 Nokia 6125電話中的ActivvTM有源天線的照片
圖7 Nokia 6125電話半圈發(fā)射元件在發(fā)射(Tx)狀態(tài)下的增益測定值
為什么可以用低增益的小型天線接收FM調(diào)頻信號?
由現(xiàn)場測試可知,在接收FM調(diào)頻信號時,ActivvTM有源天線的性能相當(dāng)于耳機(jī)連接線型天線,雖然這兩種天線的尺寸有很大差別??紤]到有源天線的體積小,它的幅射電阻大約只有1mΩ,而寄生損失電阻至少有1Ω左右,增益在-30~-50dBi的范圍內(nèi)。對于大多數(shù)RF工程師來講,這樣的增益是很難接受的。但是有一個因素極大地放寬了接收FM調(diào)頻信號時對增益的要求,即很高的環(huán)境噪聲溫度。圖8是一個消聲室(為了得到保守的估計)在屏蔽裝置拿走后的噪聲電平。大多數(shù)無線系統(tǒng)工作在頻率高于1GHz的范圍,環(huán)境噪聲接近室溫,增益為-10dBi,相當(dāng)于信噪比降低了10dB,在FM頻段內(nèi),在城市的大部分地區(qū),由于人為噪聲的影響,噪聲電平高了大約20dB(對于調(diào)幅會更高)。因此,與完美的雙極電線相比,效率差的天線收到的信號較弱,噪聲較小。圖9給出了增益不同(0、-20、-40dB)的三種天線不同噪聲溫度時的G/T值。所有三種天線都接到噪聲指數(shù)為6dB的接收器上。對于增益為-40dB的實際天線(在室溫下G/T值減少46dB),當(dāng)情況相同時,在23.000K的典型溫度下性能提高了19dB。對于有源天線,通過壓制接收器的噪聲指數(shù),可以把性能再提高6dB。所以,從信噪比方面看,增益為 -40dB的無源天線,只比完美的雙極天線差27dB。
圖8 在城市中測量到的環(huán)境噪聲。
圖9 無源天線在不同環(huán)境噪聲溫度下的G/T值
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