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便携设备中FM天线的设计方案

2011-01-21 11:52
姚看江湖
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  调频(FM)收音机在高保真音乐和语音广播中已经被采用好多年了,它能提供极好的声音质量、信号鲁棒性和抗噪声能力。最近,FM收音机开始越来越多地用于移动和个人媒体播放器中。然而,传统FM设计方法需要很长的天线,例如有线耳机,从而限制了许多没带有线耳机的用户。另外,随着无线使用模型在便携式设备中的不断普及,更多用户可以从使用其他类型FM天线的无线FM收音机中受益,且同时可利用无线耳机或扬声器来听声音。

  本文将介绍一种FM收音机接收机解决方案,它将天线集成或嵌入在便携式设备内部,使得耳机线成为可选件。我们首先从最大化接收灵敏度讲起,然后介绍取得最大化灵敏度的方法,包括最大化谐振频率的效率,最大化天线尺寸,以及利用可调谐匹配网络最大化整个调频带宽上的效率。最后,本文还将给出可调谐匹配网络的实现方法。

  最大化灵敏度

  灵敏度可以被定义为调频接收系统可以接收到的、同时能达到一定程度信噪比(SNR)的最小信号。这是调频接收系统性能的一个重要参数,它与信号和噪声都有关系。接收信号强度指示器(RSSI)只是指出了特定调谐频率点的射频信号强度,它并不提供有关噪声或信号质量的任何信息。在比较不同天线下接收机性能时,音频信噪比(SNR)也许是一个更好的参数。因此,想为聆听者带来高质量的音频体验,使SNR最大化非常重要。

  天线是连接射频电路与电磁波的桥梁。就调频接收而言,天线就是一个变换器,即将能量从电磁波转换成电子电路(如低噪声放大器(LNA))可以使用的电压。调频接收系统的灵敏度直接与内部LNA接收的电压相关。为了最大化灵敏度,必须尽量提高这个电压。

  市场上有各种各样的天线,包括耳机、短鞭、环路和芯片型天线等,但所有天线都可以用等效电路进行分析。图1给出了一种通用的等效天线电路模型:

  在图1中,X可以是一个电容或一个电感。X的选择取决于天线拓扑,其电抭(感抗或容抗)值与天线几何形状有关。损耗电阻Rloss与天线中以热能形式散发的功耗有关。幅射电阻Rrad与从电磁波产生的电压有关。为了便于说明,后文将以环路天线模型作为分析对象,同样的计算也可以用于其他类型的天线,如短的单极天线和耳机天线。

  图1:天线等效电路模型。

  图1:天线等效电路模型。

  使谐振频率点的效率最大化

  为了尽量提高天线转换出来的能量,可以使用一个谐振网络来抵消天线的电抗性阻抗,而这种阻抗会衰减天线传导到内部LNA的电压值。对电感性环路天线来说,电容Cres用来使天线在想要的频率点发生谐振:

  

  谐振频率是指天线将电磁波转换成电压的效率最高的频率点。天线效率是Rrad上的功率与天线收到的总功率的比值,可以表示为Rrad/Zant,其中Zant是带天线谐振网络的天线阻抗。Zant表示为:

  

  当天线处于谐振状态时,效率η可以表示为:

  

  在其他频率点时效率为:

  

  非谐振频率点的天线效率η要低于最大效率ηres,因为此时的天线输入阻抗Zant要么是容性的,要么是感性的。

  最大化天线尺寸

  为了恢复所传输的射频信号,天线必须从电磁波里收集到尽可能多的能量,并高效地将电磁波能量转换成通过Rrad的电压。收集到的能量多少受制于便携式设备所使用天线的可用空间和大小。对于传统的耳机天线来说,它的长度可达到调频信号的四分之一波长,能收集到足够的能量并转换成内部LNA可用的电压。在这种情况下,最大化天线效率就不那么重要。

  不过,由于便携式设备正变得更小更薄,留给嵌入式调频天线的空间已变得非常有限。虽然已尽量增加天线尺寸,但嵌入式天线收集到的能量仍非常小。因此在既不牺牲性能、又要使用较小的天线的情况下,提高天线效率η就变得非常重要。

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