基于內(nèi)置天線實(shí)現(xiàn)手機(jī)FM無線電接收設(shè)計(jì)方案介紹

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。

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(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。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(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：

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(shí)，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(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(shí)際值。