如何應(yīng)對(duì)便攜式設(shè)備中FM天線(xiàn)的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

調(diào)頻(FM)收音機(jī)在高保真音樂(lè)和語(yǔ)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(hào)魯棒性和抗噪聲能力。最近，F(xiàn)M收音機(jī)開(kāi)始越來(lái)越多地用于移動(dòng)和個(gè)人媒體播放器中。然而，傳統(tǒng)FM設(shè)計(jì)方法需要很長(zhǎng)的天線(xiàn)，例如有線(xiàn)耳機(jī)，從而限制了許多沒(méi)帶有線(xiàn)耳機(jī)的用戶(hù)。另外，隨著無(wú)線(xiàn)使用模型在便攜式設(shè)備中的不斷普及，更多用戶(hù)可以從使用其他類(lèi)型FM天線(xiàn)的無(wú)線(xiàn)FM收音機(jī)中受益，且同時(shí)可利用無(wú)線(xiàn)耳機(jī)或揚(yáng)聲器來(lái)聽(tīng)聲音。

本文將介紹一種FM收音機(jī)接收機(jī)解決方案，它將天線(xiàn)集成或嵌入在便攜式設(shè)備內(nèi)部，使得耳機(jī)線(xiàn)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(xiàn)尺寸，以及利用可調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)最大化整個(gè)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(shí)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(shí)能達(dá)到一定程度信噪比(SNR)的最小信號(hào)。這是調(diào)頻接收系統(tǒng)性能的一個(gè)重要參數(shù)，它與信號(hào)和噪聲都有關(guān)系。接收信號(hào)強(qiáng)度指示器(RSSI)只是指出了特定調(diào)諧頻率點(diǎn)的射頻信號(hào)強(qiáng)度，它并不提供有關(guān)噪聲或信號(hào)質(zhì)量的任何信息。在比較不同天線(xiàn)下接收機(jī)性能時(shí)，音頻信噪比(SNR)也許是一個(gè)更好的參數(shù)。因此，想為聆聽(tīng)者帶來(lái)高質(zhì)量的音頻體驗(yàn)，使SNR最大化非常重要。

天線(xiàn)是連接射頻電路與電磁波的橋梁。就調(diào)頻接收而言，天線(xiàn)就是一個(gè)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(gè)電壓。

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

在圖1中，X可以是一個(gè)電容或一個(gè)電感。X的選擇取決于天線(xiàn)拓?fù)?，其電抭(感抗或容抗)值與天線(xiàn)幾何形狀有關(guān)。損耗電阻Rloss與天線(xiàn)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(shuō)明，后文將以環(huán)路天線(xiàn)模型作為分析對(duì)象，同樣的計(jì)算也可以用于其他類(lèi)型的天線(xiàn)，如短的單極天線(xiàn)和耳機(jī)天線(xiàn)。

圖1：天線(xiàn)等效電路模型。

使諧振頻率點(diǎn)的效率最大化

為了盡量提高天線(xiàn)轉(zhuǎn)換出來(lái)的能量，可以使用一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)來(lái)抵消天線(xiàn)的電抗性阻抗，而這種阻抗會(huì)衰減天線(xiàn)傳導(dǎo)到內(nèi)部LNA的電壓值。對(duì)電感性環(huán)路天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，電容Cres用來(lái)使天線(xiàn)在想要的頻率點(diǎn)發(fā)生諧振：

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

當(dāng)天線(xiàn)處于諧振狀態(tài)時(shí)，效率η可以表示為：

在其他頻率點(diǎn)時(shí)效率為：

非諧振頻率點(diǎn)的天線(xiàn)效率η要低于最大效率ηres，因?yàn)榇藭r(shí)的天線(xiàn)輸入阻抗Zant要么是容性的，要么是感性的。

最大化天線(xiàn)尺寸

為了恢復(fù)所傳輸?shù)纳漕l信號(hào)，天線(xiàn)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(guò)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(xiàn)的可用空間和大小。對(duì)于傳統(tǒng)的耳機(jī)天線(xiàn)來(lái)說(shuō)，它的長(zhǎng)度可達(dá)到調(diào)頻信號(hào)的四分之一波長(zhǎng)，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(xiàn)效率就不那么重要。

不過(guò)，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(xiàn)的空間已變得非常有限。雖然已盡量增加天線(xiàn)尺寸，但嵌入式天線(xiàn)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(xiàn)的情況下，提高天線(xiàn)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(guó)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(guó)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(xiàn)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(xiàn)系統(tǒng)的效率是頻率的函數(shù)。效率在諧振點(diǎn)達(dá)到最大值，當(dāng)頻率偏離諧振頻率時(shí)，效率將下降。值得注意的是，由于全球調(diào)頻頻段的帶寬達(dá)40MHz，當(dāng)頻率遠(yuǎn)離諧振頻率點(diǎn)時(shí)天線(xiàn)效率將有顯著下降。

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

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

圖2：調(diào)頻頻段內(nèi)的典型固定諧振天線(xiàn)性能。

從上圖可以看出，98MHz點(diǎn)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(duì)耳機(jī)天線(xiàn)來(lái)說(shuō)這不是什么大問(wèn)題，因?yàn)檫@種天線(xiàn)尺寸能夠在整個(gè)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(zhǎng)的耳機(jī)天線(xiàn)相比，短天線(xiàn)尺寸小，收集到的能量也少，因此當(dāng)頻率遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)時(shí)效率將迅速降低，也就是說(shuō)使用固定諧振方案時(shí)頻帶邊緣處的接收會(huì)產(chǎn)生問(wèn)題，主要原因是短天線(xiàn)具有比耳機(jī)更高的“Q”值，從而在頻帶邊緣時(shí)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(shí)間內(nèi)天線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中存儲(chǔ)的能量與損耗或幅射能量的比值。針對(duì)帶天線(xiàn)諧振網(wǎng)絡(luò)的上述天線(xiàn)等效電路而言，Q值滿(mǎn)足：

與短天線(xiàn)相比，耳機(jī)天線(xiàn)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(xiàn)，效率陡降問(wèn)題非常突出。

天線(xiàn)的Q值還與天線(xiàn)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(xiàn)的3dB帶寬。與較長(zhǎng)的耳機(jī)天線(xiàn)相比，高Q值的短天線(xiàn)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(xiàn)的帶寬限制問(wèn)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(yuǎn)處于諧振頻率點(diǎn)，從而最大化接收靈敏度。采用自調(diào)諧諧振天線(xiàn)可以獲得較高的信噪比，因?yàn)閬?lái)自諧振天線(xiàn)的增益可降低接收機(jī)的系統(tǒng)噪聲系數(shù)，而嵌入式天線(xiàn)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(shí)現(xiàn)

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

圖3：Si4704/05的概念性框圖。

上述設(shè)計(jì)使用了帶數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的混合信號(hào)數(shù)字低中頻架構(gòu)，從而可實(shí)現(xiàn)包括嵌入式短天線(xiàn)的自調(diào)諧在內(nèi)的先進(jìn)的信號(hào)處理算法。天線(xiàn)算法自動(dòng)根據(jù)設(shè)備的每個(gè)頻率調(diào)諧點(diǎn)調(diào)整變?nèi)荻O管的電容值，從而獲取最佳性能。

舉例來(lái)說(shuō)，如果用戶(hù)調(diào)諧到101.1MHz(圖4中的電臺(tái)1)，天線(xiàn)算法將把天線(xiàn)電路諧振點(diǎn)調(diào)諧到101.1MHz，從而優(yōu)化了101.1MHz點(diǎn)的天線(xiàn)效率和接收性能。當(dāng)用戶(hù)調(diào)諧到84.1MHz(圖4中的電臺(tái)2)時(shí)，天線(xiàn)算法隨之重新調(diào)諧天線(xiàn)電路諧振點(diǎn)，從而使84.1MHz點(diǎn)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(xiàn)諧振點(diǎn)可在每個(gè)給定頻率點(diǎn)提供最大效率，從而最大化整個(gè)調(diào)頻頻段上的接收信號(hào)強(qiáng)度。在采用可調(diào)諧振電路后，使用嵌入式天線(xiàn)的系統(tǒng)性能在整個(gè)頻帶上都有所提高。在指定頻率點(diǎn)諧振天線(xiàn)還能衰