利用內(nèi)置天線實(shí)現(xiàn)手機(jī)FM收發(fā)器

FM無線電接收器模塊是最現(xiàn)代化的移動(dòng)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(dòng)電話。Laird TECHNOLOGIES公司已經(jīng)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(shí)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(shì)。其中一個(gè)是有效消除了對(duì)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(duì)適當(dāng)連接到接收器的輸入包括了50個(gè)單端或 200個(gè)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(dòng)增益控制的動(dòng)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(hào)水平。然而更高的增益(由于噪聲和信號(hào)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(duì)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(huì)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(huì)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(jiǎn)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€(gè)不同的節(jié)點(diǎn)對(duì)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(gè)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(gè)外部因素影響的：會(huì)增加輸出噪聲的周圍噪聲溫度Ta，以及會(huì)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(duì)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(huì)比低效率的天線收到更大的信號(hào)水平，但其也會(huì)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(gè)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(gè)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：

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(cè)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(cè)量增益時(shí)，通過測(cè)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(cè)量設(shè)備的噪聲貢獻(xiàn)，并且在測(cè)量期間沒有附著金屬物體(同軸測(cè)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(dòng)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(cè)量從屏蔽盒突出來的不同長(zhǎng)度單極子天線的增益。長(zhǎng)度大約在10m以下的光纖系統(tǒng)測(cè)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(gè)約為100MHz的相當(dāng)高效的天線，半波長(zhǎng)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(shí)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。

實(shí)測(cè)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(chǎng)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(gè)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(duì)磁性材料敏感(因?yàn)槠涫且粋€(gè)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(cè)量GSM串?dāng)_的敏感度。在824MHz(最差條件頻率)下檢測(cè)到信號(hào)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(cè)G/T下降以及RadioAnt增益如圖4所示，對(duì)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(zhǎng)的屏蔽盒長(zhǎng)度，開放位置要優(yōu)于關(guān)閉位置幾個(gè)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(hào))，其將在頻帶邊沿將接收到的SNR水平改善幾個(gè)dB(尤其是，如果必須覆蓋整個(gè)76MHz到 108MHz頻帶)，并還將提高強(qiáng)大的帶內(nèi)阻斷信號(hào)的容差。這是一個(gè)可選特性，并且對(duì)獲得良好性能而言并不必要。

對(duì)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(cè)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(dòng)。

小型天線FM無線電接收

　　現(xiàn)場(chǎng)測(cè)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(duì)大部分RF工程師而言，相信如此低的增益對(duì)任何涉及長(zhǎng)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(duì)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(huì)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(hào)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(shí)，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(duì)G/T退化進(jìn)行比較。對(duì)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(duì)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(hào)一樣從而支持更多的用戶特性。（Laird TECHNOLOGIES公司）