滿足便攜式設(shè)備中FM天線的設(shè)計挑戰(zhàn)

    FM收音機已開始出現(xiàn)在更多的移動和個人媒體播放器等市場應(yīng)用中。然而，傳統(tǒng)的FM設(shè)計方法必須使用很長的天線，例如有線的頭戴式耳機，因而對于許多未具備有線耳機的用戶造成限制。另外，隨著無線使用模式在便攜式設(shè)備中的不斷普及，越來越多的用戶也希望能使用其他FM天線的無線FM收音機，同時利用無線耳機或揚聲器來聽聲音。
    本文介紹一種FM收音機接收器解決方案，它將天線集成或嵌入于便攜式設(shè)備內(nèi)部，使得耳機線成為一種可選用的配件。

最大化靈敏度
    靈敏度可被定義為FM接收器系統(tǒng)可接收并能實現(xiàn)特定信噪比(SNR)的最小信號。這是FM接收系統(tǒng)性能的一項重要參數(shù)，它與信號和噪聲都有關(guān)系。接收信號強度指示器(RSSI)只能在特定調(diào)諧頻率時指出射頻(RF)信號強度，并不提供有關(guān)噪聲或信號質(zhì)量的任何信息。在比較使用不同天線的接收器性能時，音頻信噪比(SNR)或許是一項更好的參數(shù)。因此，使SNR最大化非常重要。天線是連接RF電路與電磁波的橋梁。就FM接收而言，天線就是一種變換器，將能量從電磁波轉(zhuǎn)換成電子電路(如低噪聲放大器LNA)可用的電壓。FM接收系統(tǒng)的靈敏度直接關(guān)系到內(nèi)部LNA所接收的電壓。為了最大化靈敏度，必須盡量提高這一電壓。
    市場上有各式各樣的天線，包括頭戴式耳機、金屬短柱(stub)、回路和芯片型天線等，但所有的天線都可以用等效電路進行分析。圖1為一種通用的天線等效電路模型。

    在圖1中，X可以是一個電容或一個電感。X的選擇取決于天線拓樸，其電抗值(電感或電容)與天線幾何學有關(guān)。損耗電阻(Rloss)與天線中以熱能形式散發(fā)的功耗有關(guān)。輻射阻抗(Rrad)則與電磁波產(chǎn)生的電壓有關(guān)。為了便于說明，本文僅分析回路天線模型，同樣的計算也可適用于其他類型的天線，如短單極天線和耳機天線。

使諧振頻率效率最大化
    為了盡量提高天線的轉(zhuǎn)換能量，我們使用了一個諧振網(wǎng)絡(luò)來抵銷天線的反作用阻抗，而這種阻抗可能使天線轉(zhuǎn)換至內(nèi)部LNA的電壓值衰減。對于電感式回路天線來說，電容(Cres)可用以使天線在所需的頻率時產(chǎn)生諧振：

   
    諧振頻率(fres)是指天線可使電磁波轉(zhuǎn)換成電壓的最高效率時所使用的頻率。天線效率是Rrad的功率與天線總功率的比值，以Rrad／Zabt表示，其中Zant是具有天線諧振網(wǎng)絡(luò)的天線阻抗。Zant可表示為：
   
    當天線處于諧振狀態(tài)時，效率η可以表示為：

   
    其他頻率時的效率為：

   
    除了諧振頻率以外的天線效率η低于最大效率ηres，因為此時的天線輸入阻抗Zant如果不是電容式的，就是電感式的。

    從上圖可以看出，98 MHz時可實現(xiàn)最佳效率，但頻率越接近頻帶邊緣，效率就隨之遞減。對于耳機天線來說這不是什么大問題，因為這種天線尺寸已經(jīng)大到能夠在整個頻帶內(nèi)收集到足夠的電磁能量，并轉(zhuǎn)換成較高的電壓至RF接收器中。然而，相較于較長的耳機天線而言，短天線尺寸小，收集到的能量也少，因此當頻率遠離諧振點時效率也會快速地降低。這可能會在頻段邊緣使用固定諧振方案時，造成接收方面的問題，主要原因是短天線具有比耳機更高的Q值，使其效率在頻帶邊緣驟低。
    Q值代表質(zhì)量因子，它與每單位時間內(nèi)天線網(wǎng)絡(luò)中儲存的能量和損耗或輻射能量成正比。針對具有天線諧振網(wǎng)絡(luò)的天線等效電路而言，Q值滿足：
   
    與短天線相比，耳機天線由于尺寸較大，天生就具有較高的輻射電阻Rrad，因此也使其Q值較低。由于嵌入式應(yīng)用必須使用較高Q值的短天線，因而效率驟降的問題就格外明顯。
    天線的Q值也與天線頻寬有關(guān)，其關(guān)系可表示為：
   
    其中，fc是諧振頻率，而BW是天線的3 dB頻寬。與較長的耳機天線相比較，高Q值的短天線具有較窄的頻寬，因而在頻帶邊緣的損耗較大。
    為了克服高Q值固定諧振天線的頻寬限制問題，可以采用自調(diào)諧振電路而將固定諧振改變?yōu)榭烧{(diào)諧振，使電路得以常處于最大化接收靈敏度的諧振頻率。采用自調(diào)諧振天線還可獲得較高的信噪比，因為來自諧振天線的增益可降低接收器的系統(tǒng)噪聲系數(shù)，而嵌入式天線固有的高Q值又有助于濾除可能與本地振蕩器諧波混合在一起的干擾。

可調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)的建置
    圖3顯示增強型FM接收器架構(gòu)的概念方塊圖。該FM接收器架構(gòu)可用以支持嵌入式短天線，其可調(diào)諧振采用芯片上可調(diào)諧的可變電容和調(diào)諧算法來實現(xiàn)。

    上述設(shè)計使用具有數(shù)字信號處理器(DSP)的混合信號數(shù)字低中頻架構(gòu)，提出一種包括自調(diào)諧嵌入式短天線的先進信號處理算法。天線算法可根據(jù)設(shè)備的每個頻率調(diào)諧點，自動調(diào)整可變電容的電容值，以實現(xiàn)最佳性能。

結(jié) 語
    為了實現(xiàn)最大化靈敏度，本文討論如何改善使用嵌入式天線的FM接收效果，并進一步探討其實現(xiàn)方法。由于內(nèi)建嵌入式天線的便攜式設(shè)備可用空間非常有限，可以考慮采用自調(diào)諧諧振網(wǎng)絡(luò)來最大化整個FM頻帶上接收器的靈敏度，從而使短天線在每個頻率時都能實現(xiàn)最高效率。