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满足便携式设备中FM天线的设计挑战

时间：2009-11-15 03:46:27

关键字：天线便携式设备 FM BSP

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[导读] FM收音机已开始出现在更多的移动和个人媒体播放器等市场应用中。然而，传统的FM设计方法必须使用很长的天线，例如有线的头戴式耳机，因而对于许多未具备有线耳机的用户造成限制。另外，随着无线使用模式在便携

FM收音机已开始出现在更多的移动和个人媒体播放器等市场应用中。然而，传统的FM设计方法必须使用很长的天线，例如有线的头戴式耳机，因而对于许多未具备有线耳机的用户造成限制。另外，随着无线使用模式在便携式设备中的不断普及，越来越多的用户也希望能使用其他FM天线的无线FM收音机，同时利用无线耳机或扬声器来听声音。
本文介绍一种FM收音机接收器解决方案，它将天线集成或嵌入于便携式设备内部，使得耳机线成为一种可选用的配件。

最大化灵敏度
灵敏度可被定义为FM接收器系统可接收并能实现特定信噪比(SNR)的最小信号。这是FM接收系统性能的一项重要参数，它与信号和噪声都有关系。接收信号强度指示器(RSSI)只能在特定调谐频率时指出射频(RF)信号强度，并不提供有关噪声或信号质量的任何信息。在比较使用不同天线的接收器性能时，音频信噪比(SNR)或许是一项更好的参数。因此，使SNR最大化非常重要。天线是连接RF电路与电磁波的桥梁。就FM接收而言，天线就是一种变换器，将能量从电磁波转换成电子电路(如低噪声放大器LNA)可用的电压。FM接收系统的灵敏度直接关系到内部LNA所接收的电压。为了最大化灵敏度，必须尽量提高这一电压。
市场上有各式各样的天线，包括头戴式耳机、金属短柱(stub)、回路和芯片型天线等，但所有的天线都可以用等效电路进行分析。图1为一种通用的天线等效电路模型。

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朴，其电抗值(电感或电容)与天线几何学有关。损耗电阻(Rloss)与天线中以热能形式散发的功耗有关。辐射阻抗(Rrad)则与电磁波产生的电压有关。为了便于说明，本文仅分析回路天线模型，同样的计算也可适用于其他类型的天线，如短单极天线和耳机天线。

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使谐振频率效率最大化
为了尽量提高天线的转换能量，我们使用了一个谐振网络来抵销天线的反作用阻抗，而这种阻抗可能使天线转换至内部LNA的电压值衰减。对于电感式回路天线来说，电容(Cres)可用以使天线在所需的频率时产生谐振：

    谐振频率(fres)是指天线可使电磁波转换成电压的最高效率时所使用的频率。天线效率是Rrad的功率与天线总功率的比值，以Rrad／Zabt表示，其中Zant是具有天线谐振网络的天线阻抗。Zant可表示为：

    当天线处于谐振状态时，效率η可以表示为：

其他频率时的效率为：

除了谐振频率以外的天线效率η低于最大效率ηres，因为此时的天线输入阻抗Zant如果不是电容式的，就是电感式的。

    从上图可以看出，98 MHz时可实现最佳效率，但频率越接近频带边缘，效率就随之递减。对于耳机天线来说这不是什么大问题，因为这种天线尺寸已经大到能够在整个频带内收集到足够的电磁能量，并转换成较高的电压至RF接收器中。然而，相较于较长的耳机天线而言，短天线尺寸小，收集到的能量也少，因此当频率远离谐振点时效率也会快速地降低。这可能会在频段边缘使用固定谐振方案时，造成接收方面的问题，主要原因是短天线具有比耳机更高的Q值，使其效率在频带边缘骤低。
    Q值代表质量因子，它与每单位时间内天线网络中储存的能量和损耗或辐射能量成正比。针对具有天线谐振网络的天线等效电路而言，Q值满足：

    与短天线相比，耳机天线由于尺寸较大，天生就具有较高的辐射电阻Rrad，因此也使其Q值较低。由于嵌入式应用必须使用较高Q值的短天线，因而效率骤降的问题就格外明显。[!--empirenews.page--]
    天线的Q值也与天线频宽有关，其关系可表示为：

    其中，fc是谐振频率，而BW是天线的3 dB频宽。与较长的耳机天线相比较，高Q值的短天线具有较窄的频宽，因而在频带边缘的损耗较大。
    为了克服高Q值固定谐振天线的频宽限制问题，可以采用自调谐振电路而将固定谐振改变为可调谐振，使电路得以常处于最大化接收灵敏度的谐振频率。采用自调谐振天线还可获得较高的信噪比，因为来自谐振天线的增益可降低接收器的系统噪声系数，而嵌入式天线固有的高Q值又有助于滤除可能与本地振荡器谐波混合在一起的干扰。

可调谐匹配网络的建置
图3显示增强型FM接收器架构的概念方块图。该FM接收器架构可用以支持嵌入式短天线，其可调谐振采用芯片上可调谐的可变电容和调谐算法来实现。

上述设计使用具有数字信号处理器(DSP)的混合信号数字低中频架构，提出一种包括自调谐嵌入式短天线的先进信号处理算法。天线算法可根据设备的每个频率调谐点，自动调整可变电容的电容值，以实现最佳性能。

结语
为了实现最大化灵敏度，本文讨论如何改善使用嵌入式天线的FM接收效果，并进一步探讨其实现方法。由于内建嵌入式天线的便携式设备可用空间非常有限，可以考虑采用自调谐谐振网络来最大化整个FM频带上接收器的灵敏度，从而使短天线在每个频率时都能实现最高效率。