基于內(nèi)置天線實現(xiàn)手機(jī)FM無線電接收設(shè)計方案介紹

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)計與特性更為復(fù)雜，并且前置放大器耗費功率與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，因為在兩個不同的節(jié)點對SNR進(jìn)行了比較，但是在290K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)可以計算有源天線G/T的退化值：

計算有源天線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)置天線的實際值。