在移動電話中的接收和發(fā)射FM信號的內置天線

問題的提出

這幾年來，多數(shù)移動電話中都使用了無線調頻（FM）信號接收組件。由于波長長（λ～3m），占調頻頻帶較大（帶寬是FM調頻頻帶76～108MHz的35%），免提耳機的連接線常被當作天線使用，而電話的底板（也許還有使用者）則當作地線，于是在收聽時需要連接免提耳機。這種做法的缺點是不能使用藍牙免提耳機，也不能使用音頻揚聲器。最近，在短距離內傳送音頻信號的技術開始興起，即把音頻信號從便攜式MP3播放器傳送到家用收音機或者汽車收音機上，移動電話很快也會具備這個功能。所以，人們把天線的功能和免提耳機的連接線分開，最好把天線放到移動電話里面。

在整合方面的問題

在把天線集成電話里面時會出現(xiàn)兩個問題。第一，由于現(xiàn)代終端設備的尺寸很小，空間非常有限，可以接收波長會受到限制。此外，印刷電路板一般至少有一層（接地面）是完全金屬化的，與地之間的最大高度在4～8mm的范圍（相當于不到0.003λ）。因此，任何單極型天線的長度都要大量地縮短，以便產生諧振，結果在帶寬和天線的接收效率方面有很大損失。第二個問題就是發(fā)射天線的隔離。發(fā)射電線和電話里面的調頻天線是安置在一起的，尤其是在GSM850/900波段，發(fā)射器會產生嚴重的干擾。

有源天線的設計思想

很多公司都提出了相應的設計方案。以萊爾德科技股分有限公司為例，他們研制了一種內置天線（Activv^TM），可用于接收FM調頻信號。其性能與使用有源設計思想的耳機連接線相似，這就是發(fā)射元件和前置放大器一起設計，并且整合在一起。與傳統(tǒng)的無源天線相比，這個方法有如下優(yōu)點。

● 并不要求天線的電阻必須是50Ω，因此避免了損失，也不需要會限制帶寬的匹配元件。
● 前置放大器的增益能夠減少FM調頻接收器產生的噪聲，一般為6dB左右。這相當于使用增益增大了6dB的無源天線。
● 由于有源天線的增益大，送到FM調頻接收器的信號電平更加合適。這是因為標準的調頻接收器中的自動增益控制（AGC）的動態(tài)范圍有限。要注意的一點是，增大增益并不能改善射頻的信噪比SNR（因為噪聲和信號都同樣地放大了），但在轉換成音頻信號時，它的確大量地提高了信噪比?！?BR>● 放大器不需要無條件穩(wěn)定，對于給定的晶體管（它的隔離等效參數(shù)S12不等于零），只能利用電阻性負載把它穩(wěn)定，而電阻性負載又會嚴重地降低增益并且增大天線的噪聲。

與無源天線相比，有源天線的性能好得多，但這些優(yōu)點是有代價的。設計和測定特性的復雜程度都增大了（在下一節(jié)將談到這點），最重要的是，要在沒有電阻性負載的情況下做到穩(wěn)定，線性度要好。此外，有源元件需要靜電保護，但又不能降低靈敏度。

有源天線的特性－G/T損失

有源天線不用增益、效率、返回損失這些普通的參數(shù)來描述它的特性。例如，只要增大前置放大器的增益，或者在輸出端再串聯(lián)一級放大器，就可以隨意增大它的增益。因此，增益本身是沒有意義的。相反，有源天線的主要性能指標是按總輸出噪聲溫度正則化后的總增益（天線和放大器的增益），即G/T損失（G/T degradation）。

在實際應用中，除了受天線特性的影響，有兩個外來的因素會影響G/T損失的數(shù)值：接收器的噪聲指數(shù)和環(huán)境噪聲溫度Ta。接收器的噪聲指數(shù)會增大天線的輸出噪聲T_out（因而降低G/T），環(huán)境噪聲溫度也會增大輸出噪聲。

噪聲電平升高表示有源器件和電阻器產生的噪聲影響減少了。除非是內置天線，其發(fā)射元件的增益很低，一般情況下，天線的實際溫度支配著噪聲溫度。而且，噪聲背景強表示，在低噪聲的理想情況下，可以降低對發(fā)射元件的要求，并不會明顯地降低G/T。這點可以定性地這樣理解：效率高的天線接收到的信號大于效率低的天線接收到的信號，但是它接收到的噪聲也比較大。因此，在天線輸出端的信噪比并沒有好一些。第二點是接收器的噪聲指數(shù)NF_rec也增加了天線輸出的噪聲，但是只要放大器的增益相當大（即G_amp>NF_rec），它的影響就很小，與無源天線相比，這就提高了系統(tǒng)的性能（從噪聲背景方面講）。要注意的一點是，這兩方面（也就是背景噪聲和NF_rec）的作用一般是分不開的。例如，背景噪聲溫度高時，接收器的噪聲指數(shù)起的作用就小，反過來也是這樣。

一般地講，我們不知道發(fā)射元件的效率和放大器的增益分別是多大（至少不能通過測量得到，但可以通過模擬或者模型分析得到這些數(shù)據(jù)）。相反，G/T損失是直接通過測量天線的輸出噪聲總功率得到的，這時天線是放在一個特殊的環(huán)境中（例如在消聲室中，Ta=T0），增益是用增益置換法借助一個增益已知的參照天線通過測量得到的。但是要小心。要通過標定把測量設備產生的噪聲去掉，在測量時沒有金屬物體（同軸電纜線或者電源線）和它相連。由于這個原因，萊爾德科技公司研制了一種代替電纜線的系統(tǒng)，它利用了光纖的原理，連同一個用電池供電的前置放大器，這些在一起可以妥善地測定小天線的電氣特性（見圖１）。估計同軸電纜線引入的測量誤差的設置如圖2所示。圖2中，在單極天線從基板上伸出來的長度不同的情況下，用同軸電纜線和光纖系統(tǒng)測量了它們的增益。可以看到，在長度為10mm左右（這是內置天線的實際長度）時，測量誤差超過20dB。

圖1 使用光纖系統(tǒng)、沒有使用電纜線的測量裝置

圖2 在測量小天線時，金屬電纜線引入的測量誤差

最后，要注意人體對小天線在FM調頻頻帶的增益的影響是正面的，尤其是使用者的身體與天線或者底板接觸的情況下。這是因為，在100MHz左右，人體是效率相當好的天線，半波長是1.5m左右。圖3給出了人體接觸天線和沒有接觸天線時，接收天線的輸出頻譜。很明顯，用手接觸天線時，G/T提高了10～15dB。由于大多數(shù)使用者在聽電話時和移動電話是靠得很近的，所以可以合理地假定，F(xiàn)M調頻天線的實際性能優(yōu)于它處在自由空間時的性能。

圖3 人體對增益和信噪比的影響

ActivvTM有源天線的性能

圖4說明有源天線ActivvTM的設計思想。發(fā)射元件是一匝的半環(huán)回路，發(fā)射元件的一端在底板的一側接地，發(fā)射元件的另一端接到放大器上。也可以用多匝發(fā)射元件，它能夠提高發(fā)射元件的電阻。不過在多數(shù)情況下，它起的作用不夠大?；芈返碾姼泻头糯笃鬏斎攵耍艠O和源極之間）上并聯(lián)的電容產生諧振，這樣做除了提高增益外，還增大了天線的等效阻抗的電阻部分（它也提高了穩(wěn)定性），從而增強了噪聲的匹配。前置放大器是共源極電路，使用現(xiàn)代的微波FET晶體管，減少了噪聲。整個放大器在3V時消耗的電流是3mA，它的增益相當大，線性度也相當好。

偏置點是靠直流反饋來穩(wěn)定的，通過設計把偏置電路產生的噪聲減少到幾乎為零。由于放大器的設計是配合天線進行的，放大器不需要無條件穩(wěn)定（對于獨立的放大器，要求是無條件穩(wěn)定的）。這是有源天線設計思想的巨大優(yōu)點，因為在大多數(shù)情況下只有加上電阻負載才能做到無條件穩(wěn)定的。而電阻負載會嚴重地降低天線的增益，并且增大天線的噪聲。人們一般擔心的是，天線的阻抗不是固定的常數(shù)，而是隨著近場環(huán)境變化而變化。不過在這種情況下，只有磁性材料（因為它是短路的環(huán)路）影響發(fā)射元件的輸入阻抗，這是相當不尋常的。

圖4 使用半個回路發(fā)射元件的ActivvTM有源天線原理圖

這也表明，天線不會因為附近的物體的影響而失去調諧。天線在諧振頻率的響應特性減少了GSM發(fā)射信號引起的串音，妥善設計發(fā)射元件也減少了這個串音。天線的一端是短路的，在另一端并聯(lián)一個電容器（從而產生諧振），交流信號由于這個電容器而與地短路，因此天線在GSM天線的E場為最大時對地短路，從而確保串音很低。對GSM串音的靈敏度是這樣測定的：把一個參照雙極天線（824～960MHz和1710～2170MHz）放在電話附近，并把它接到一個大功率CW發(fā)射器上。測量信號的惡化情況，在824MHz（信號變差的最嚴重頻率）時大約是+36dBm，遠遠高于GSM的最大輸出功率。圖5所示為Nokia 6125中的ActivvTM天線的G/T損失值和增益，是在閉路位置（最壞的情形）時的測量值相對增益而言，G/T是平坦的，這是因為放大器的噪聲指數(shù)和失配程度的關系是非線性的。于是在設計放大器時可以自由一些，可以在設計上提高有源天線的G/T帶寬，而這點是無源天線做不到的。ActivvTM有源天線可用于頻率調諧（如果可以得到FM調頻接收器的控制信號）。將接收器在頻帶兩端的信噪比幾個dB（尤其是在需要覆蓋整個76～108MHz的情況下），也提高了容忍頻帶內信號堵塞的程度。不過這是屬于選用的功能，不一定會得到很好的性能。

圖5 Nokia 6125電話中的ActivvTM天線G/T損失和增益的測量結果

在發(fā)射時，發(fā)射元件起標準的無源天線作用，它用一個單刀單擲（SPST）通斷控制進行連接（見圖4）。前置放大器處在Rx狀態(tài)，仍然與天線連接（但是切斷電源）。用一個內阻為50Ω的信號源供給信號時，失配的半圈天線的增益測定值如圖7所示。寬帶范圍的平均增益（或者效率）達到-53～-49dB。在開關和調頻發(fā)射組件之間接入一個匹配網(wǎng)絡，或者選擇適當?shù)墓Ψ泡敵鲎杩?，那么對輸出功率的要求可以放寬很多?/P>

圖6 Nokia 6125電話中的ActivvTM有源天線的照片

圖7 Nokia 6125電話半圈發(fā)射元件在發(fā)射（Tx）狀態(tài)下的增益測定值

為什么可以用低增益的小型天線接收FM調頻信號？

由現(xiàn)場測試可知，在接收FM調頻信號時，ActivvTM有源天線的性能相當于耳機連接線型天線，雖然這兩種天線的尺寸有很大差別?？紤]到有源天線的體積小，它的幅射電阻大約只有1mΩ，而寄生損失電阻至少有1Ω左右，增益在-30～-50dBi的范圍內。對于大多數(shù)RF工程師來講，這樣的增益是很難接受的。但是有一個因素極大地放寬了接收FM調頻信號時對增益的要求，即很高的環(huán)境噪聲溫度。圖8是一個消聲室（為了得到保守的估計）在屏蔽裝置拿走后的噪聲電平。大多數(shù)無線系統(tǒng)工作在頻率高于1GHz的范圍，環(huán)境噪聲接近室溫，增益為-10dBi，相當于信噪比降低了10dB，在FM頻段內，在城市的大部分地區(qū)，由于人為噪聲的影響，噪聲電平高了大約20dB（對于調幅會更高）。因此，與完美的雙極電線相比，效率差的天線收到的信號較弱，噪聲較小。圖9給出了增益不同（0、-20、-40dB）的三種天線不同噪聲溫度時的G/T值。所有三種天線都接到噪聲指數(shù)為6dB的接收器上。對于增益為-40dB的實際天線（在室溫下G/T值減少46dB），當情況相同時，在23.000K的典型溫度下性能提高了19dB。對于有源天線，通過壓制接收器的噪聲指數(shù)，可以把性能再提高6dB。所以，從信噪比方面看，增益為 -40dB的無源天線，只比完美的雙極天線差27dB。

圖8 在城市中測量到的環(huán)境噪聲。

圖9 無源天線在不同環(huán)境噪聲溫度下的G/T值