滿足便攜式設(shè)備中FM天線的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

調(diào)頻(FM)收音機(jī)在高傳真音樂(lè)和語(yǔ)音廣播中已經(jīng)被采用好多年了，它能提供極佳的音質(zhì)、信號(hào)穩(wěn)定性和抗噪聲能力。最近，F(xiàn)M收音機(jī)已開始出現(xiàn)在更多的移動(dòng)和個(gè)人媒體播放器等市場(chǎng)應(yīng)用中。然而，傳統(tǒng)的FM設(shè)計(jì)方法必須使用很長(zhǎng)的天線，例如有線的頭戴式耳機(jī)，因而對(duì)于許多未具備有線耳機(jī)的用戶造成限制。另外，隨著無(wú)線使用模式在便攜式設(shè)備中的不斷普及，越來(lái)越多的用戶也希望能使用其它FM天線的無(wú)線FM收音機(jī)，同時(shí)利用無(wú)線耳機(jī)或揚(yáng)聲器來(lái)聽聲音。
 
本文將介紹一種FM收音機(jī)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(jī)線成為一種可選用的配件。我們首先從最大化接收靈敏度著手，然后介紹實(shí)現(xiàn)最大化靈敏度的方法，包括最大化諧振頻率的效率、最大化天線尺寸，以及利用可調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)最大化整個(gè)FM頻寬效率。最后，本文還將提出可調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)的建置方案。

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(shí)現(xiàn)特定信噪比(SNR)的最小信號(hào)。這是FM接收系統(tǒng)性能的一項(xiàng)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)只能在特定調(diào)諧頻率時(shí)指出射頻(RF)信號(hào)強(qiáng)度，并不提供有關(guān)噪聲或信號(hào)質(zhì)量的任何信息。在比較使用不同天線的接收器性能時(shí)，音頻信噪比(SNR)或許是一項(xiàng)更好的參數(shù)。因此，想為聆聽者帶來(lái)更高質(zhì)量的音頻體驗(yàn)，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，能將能量從電磁波轉(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(chǎng)上有各式各樣的天線，包括頭戴式耳機(jī)、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(jìn)行分析。圖1顯示出一種通用的等效天線電路模型：

 
 
圖1：通用的天線等效電路模型。
 
在圖1中，X可以是一個(gè)電容或一個(gè)電感。X的選擇取決于天線拓樸，其電抗值(電感或電容)與天線幾何學(xué)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(shuō)明，本文將分析回路天線模型，同樣的計(jì)算也可適用于其它類型的天線，如短單極天線和耳機(jī)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(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)來(lái)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(duì)于電感式回路天線來(lái)說(shuō)，電容(Cres)可用以使天線在所需的頻率時(shí)產(chǎn)生諧振： 
 
諧振頻率(ƒres)是指天線可使電磁波轉(zhuǎn)換成電壓的最高效率時(shí)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/Zant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(dāng)天線處于諧振狀態(tài)時(shí)，效率η可以表示為：

 
在其它頻率時(shí)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?yàn)榇藭r(shí)的天線輸入阻抗Zant如果不是電容式的，就是電感式的。 [!--empirenews.page--]

最大化天線尺寸
為了恢復(fù)所傳輸?shù)纳漕l信號(hào)，天線必須從電磁波中盡可能地收集到最多的能量，并有效率地將電磁波能量轉(zhuǎn)換成電壓。所收集到的能量受制于便攜式設(shè)備中的天線可用空間和大小。對(duì)于傳統(tǒng)的耳機(jī)天線來(lái)說(shuō)，它的長(zhǎng)度可達(dá)到FM信號(hào)的四分之一波長(zhǎng)，就能夠收集到足夠的能量并轉(zhuǎn)換成內(nèi)部LNA的可用電壓。在此情況下，最大化天線的效率就不那么重要了。
 
不過(guò)，由于便攜式設(shè)備正變得更小更薄，能用于嵌入式FM天線的空間已變得非常有限。雖然已盡量增加天線尺寸，但嵌入式天線收集到的能量仍非常小。因此，在使用較小天線的情況下，還必須兼顧不至于犧牲性能，提高天線效率η就變得更為重要。

利用可調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)最大化FM頻段效率
大多數(shù)國(guó)家的FM廣播頻段的頻率范圍是87.5MHz到108.0MHz。日本的FM廣播頻段是76MHz到90MHz。而在一些東歐國(guó)家中，F(xiàn)M廣播頻段是65.8MHz到74MHz。為了適應(yīng)全球所有的FM頻段，F(xiàn)M接收系統(tǒng)必須具備40MHz的頻寬。傳統(tǒng)的解決方案通常是將天線調(diào)諧在FM頻段的中心頻率。然而，如同上述公式所顯示的，天線系統(tǒng)的效率是頻率的函數(shù)。這一效率可在諧振頻率時(shí)達(dá)到最大值，但在頻率偏離諧振頻率時(shí)，其效率也隨之下降。因此，由于全球FM頻段的頻寬達(dá)40MHz，當(dāng)頻率遠(yuǎn)離諧振頻率時(shí)的天線效率將會(huì)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)時(shí)可實(shí)現(xiàn)很高的效率，但其它頻率點(diǎn)的效率將明顯下降，從而降低遠(yuǎn)離諧振頻率時(shí)的FM性能。
 
圖2顯示出固定諧振頻率在中心頻段(98MHz)時(shí)的兩種天線(耳機(jī)天線和短天線)效率曲線。 
 
圖2：FM頻段內(nèi)的典型固定諧振天線性能。

從上圖可以看出，98MHz時(shí)可實(shí)現(xiàn)最佳效率，但頻率越接近頻帶邊緣，效率就隨之遞減。對(duì)于耳機(jī)天線來(lái)說(shuō)這不是什么大問(wèn)題，因?yàn)檫@種天線尺寸已經(jīng)大到能夠在整個(gè)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(zhǎng)的耳機(jī)天線而言，短天線尺寸小，收集到的能量也少，因此當(dāng)頻率遠(yuǎn)離諧振點(diǎn)時(shí)效率也會(huì)快速地降低。這可能會(huì)在頻段邊緣使用固定諧振方案時(shí)，造成接收方面的問(wèn)題，主要原因是短天線具有比耳機(jī)更高的'Q'值，使其效率在頻帶邊緣驟低。

Q值代表指質(zhì)量因子，它與每單位時(shí)間內(nèi)天線網(wǎng)絡(luò)中儲(chǔ)存的能量與損耗或輻射能量成正比。針對(duì)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(jī)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(wèn)題就格外顯眼。
天線的Q值也與天線頻寬有關(guān)，其間的關(guān)系可表示為：

 
其中，fc是諧振頻率，而BW是天線的3dB頻寬。與較長(zhǎng)的耳機(jī)天線相比較，高Q值的短天線具有較小的頻寬，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(wèn)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?yàn)閬?lái)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(qiáng)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(lái)實(shí)現(xiàn)。 
 
圖3：Si4704/05的概念架構(gòu)圖。[!--empirenews.page--]

上述設(shè)計(jì)使用具有數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)的混合信號(hào)數(shù)字低中頻架構(gòu)，建置出一項(xiàng)包括自調(diào)諧嵌入式短天線的先進(jìn)信號(hào)處理算法。天線算法可根據(jù)設(shè)備的每個(gè)頻率調(diào)諧點(diǎn)，自動(dòng)調(diào)整可變電容的電容值，以實(shí)現(xiàn)最佳性能。

舉例來(lái)說(shuō)，如果用戶調(diào)諧到101.1MHz(圖4中的電臺(tái)1)，天線算法將把天線電路諧振點(diǎn)調(diào)諧到101.1MHz，從而最佳化101.1MHz的天線效率和接收性能。當(dāng)用戶調(diào)諧到84.1MHz(圖4中的電臺(tái)2)時(shí)，天線算法隨之重新調(diào)諧天線電路諧振點(diǎn)，而使84.1MHz的接收性能最佳化。 
 


圖4：可調(diào)諧振的好處。

利用調(diào)諧后的頻率來(lái)調(diào)整天線諧振，使其可為每一固定頻率提供最大效率，從而使整個(gè)FM頻段上的接收信號(hào)強(qiáng)度最大化。在采用可調(diào)諧振電路后，整個(gè)頻帶上使用嵌入式天線的系統(tǒng)性均有所提升。在指定的頻率上諧振天線還能使其它頻率的干擾衰減，從而顯著地提高接收器的選擇性。因此，使用這種具嵌入式天線的接收器用戶還能免于其它意外信號(hào)源的干擾，這一點(diǎn)在FM頻帶擁擠的市區(qū)尤其重要。

本文小結(jié)
隨著無(wú)線使用模式在便攜式設(shè)備中越來(lái)越普及，更多的用戶希望使用具有嵌入式天線的無(wú)線FM收音機(jī)，同時(shí)也用無(wú)線耳機(jī)或揚(yáng)聲器聆聽節(jié)目。為了實(shí)現(xiàn)最大化靈敏度的目標(biāo)，本文討論如何改善使用嵌入式天線的FM接收效果，并進(jìn)一步探討其建置方法。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(lái)最大化整個(gè)FM頻帶上的接收器的靈敏度，從而使短天線在每個(gè)頻率時(shí)都能實(shí)現(xiàn)最高效率。