為有源天線設(shè)計(jì)選擇正確的放大器

作者/Nazzareno (Reno) Rossetti，Kishore Racherla，Adam Heiberg Maxim公司

　　引言

　　汽車行業(yè)正在大范圍向使用遠(yuǎn)端、鯊魚鰭式天線模塊過度，以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的地面和衛(wèi)星通信。由于緊湊的天線結(jié)構(gòu)以及位于無線電單元的遠(yuǎn)端位置，鯊魚鰭模塊要求高性能、高度集成、低噪聲放大器(LNAs)，以優(yōu)化天線性能。在鯊魚鰭式天線普及之前，主流技術(shù)為玻璃天線(印刷在車窗玻璃上的平面天線結(jié)構(gòu))。玻璃天線仍將被廣泛使用，通常位于汽車后窗或側(cè)窗。所以，這些天線也與鯊魚鰭式天線一樣，位于無線電單元的遠(yuǎn)端，并且通常使用本地LNA，以最大程度提高性能。由于鯊魚鰭和玻璃天線設(shè)計(jì)中都要使用LNA，使得有源天線成為現(xiàn)代化汽車中非常普及的一項(xiàng)技術(shù)。

　　1遠(yuǎn)端天線問題

　　天線位于遠(yuǎn)端時(shí)，根據(jù)具體應(yīng)用的不同，會(huì)對(duì)性能造成各種不同的影響。在FM頻段，天線通常與50Ω或75Ω阻抗的RF電纜匹配，支持最佳的功率傳輸。然而，噪聲系數(shù)隨天線與接收器之間電纜的損耗成比例增大。對(duì)于較長的電纜，噪聲系數(shù)的增加值可能會(huì)超過1dB，造成同等程度的靈敏度降低。將LNA置于天線和電纜之間可大大減輕這種影響。

　　在AM頻段時(shí)，天線的遠(yuǎn)端位置對(duì)性能的影響與此不同，盡管最終的結(jié)果也是降低靈敏度。典型AM天線的源阻抗非常高，常常被模型化為串行電容，電容值介于3pF至100pF之間，具體的容值與結(jié)構(gòu)有關(guān)。連接天線和接收器的電纜中的并聯(lián)寄生電容與源電容形成一個(gè)電容分壓器。較長電纜的并聯(lián)寄生電容可能高達(dá)100pF，可能會(huì)大幅度衰減信號(hào)。將具有高阻抗輸入和低阻抗輸出的LNA置于天線和電纜之間，能夠最大程度提高信號(hào)傳輸性能。在AM和FM工作頻段，通過遠(yuǎn)端LNA增大天線處的信號(hào)電平，可大幅降低針對(duì)電纜拾取的環(huán)境噪聲的靈敏度，使無線電方案更加可靠。

　2常見有源天線方案

　　有源天線的性能和功能要求取決于具體應(yīng)用。有些有源天線方案需要自動(dòng)增益控制(AGC)，而有些則采用固定增益LNA，獲得最低成本;有些方案為有源天線提供一個(gè)調(diào)節(jié)電源電壓，但是大多數(shù)仍然采用電池工作;有些設(shè)計(jì)要求特別高的增益，而有些設(shè)計(jì)可能對(duì)AGC門限特別敏感。所以，天線方案電源面臨的挑戰(zhàn)是如何在不重新設(shè)計(jì)分立式方案或不使用昂貴IC(仍然需要外部有源和無源器件)的情況下滿足各種各樣的行業(yè)要求。

　　少數(shù)廠商為有源天線提供集成式AM/FM方案。遺憾的是，這些往往要求用于AGC的外部PIN二極管、穩(wěn)壓電源，如果使用電池工作則需要外部傳輸晶體管(圖1)。

　　圖1 帶外部元件的有源模擬方案

　　外部元件增加成本、增大方案尺寸，其競爭力勉強(qiáng)略勝于分立式設(shè)計(jì)。除了較大的物理尺寸外，另一個(gè)缺點(diǎn)是如果要求的增益、供電電壓或外形尺寸發(fā)生變化，可能需要重新設(shè)計(jì)電路板。這樣就要求更多本來就短缺的設(shè)計(jì)資源。在資源和空間有限的情況下，適用于天線供應(yīng)商的理想方案必然是高性能、低成本且非常靈活的IC，并且無需重新設(shè)計(jì)、BOM變化或電路板變動(dòng)，即可輕松滿足各種要求。

　　3理想的有源天線方案

　　MAX2180A 就是此類有源天線設(shè)計(jì)方案的例子，這是一款帶有可選應(yīng)用配置的AM/FM低噪聲放大器。MAX2180A采用專屬的高壓CMOS工藝，集成AM和FM AGC，以及高壓調(diào)節(jié)器。MAX2180A省去了外部PIN二極管和外部調(diào)節(jié)器或傳輸晶體管，最大程度減小天線方案的總體尺寸。MAX2180A采用高度集成、4mm x 4mm、TQFP封裝，很容易適合最小的天線模塊。

　　圖2 MAX2180A集成LNA帶有可選配置

　　AM和FM信號(hào)通路包括可調(diào)節(jié)最大增益和AGC門限，最大程度提高靈活性，支持無縫連接下行調(diào)諧器。這些增益值和AGC觸發(fā)點(diǎn)可通過外部引腳設(shè)置，支持在相同的PC板上快速實(shí)施不同的配置(圖2)。

　　此外，MAX2180A支持低至6V的工作電壓(圖3)，使其可理想用于采用啟停技術(shù)的汽車，此時(shí)引擎啟動(dòng)時(shí)具有較大的電壓瞬降。之前，電壓暫降是個(gè)無關(guān)緊要的問題，因?yàn)槠囈坏﹩?dòng)，電氣系統(tǒng)將維持在相對(duì)恒定的14V供電電壓。而如果使用新型啟停技術(shù)，當(dāng)汽車不移動(dòng)時(shí)，引擎會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。引擎必須頻繁的重新啟動(dòng)，無線電單元在重復(fù)啟動(dòng)期間及器件供電電壓瞬降期間必須正常工作。

　　圖3 MAX2180A低壓電池工作

　　4總結(jié)

　　文章重點(diǎn)介紹了汽車應(yīng)用中在不斷要求減小面積及多樣化需求環(huán)境下快速部署有源天線所面臨的挑戰(zhàn)。介紹了滿足此類挑戰(zhàn)的理想方案：在方案中集成全部有源和多種無源元件。該方案采用選擇引腳設(shè)置主要的內(nèi)部參數(shù)，提高了靈活性，并且工作電壓支持采用新型啟停技術(shù)的汽車。