满足便携式设备中FM天线的设计挑战
2010-12-18 11:09:17
来源：《半导体器件应用》2009年9月刊
1 前言
调频(FM)收音机在高传真音乐和语音广播中已经被采用好多年了，它能提供极佳的音质、信号稳定性和抗噪声能力。最近，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它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。
本文将介绍一种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。我们首先从最大化接收灵敏度着手，然后介绍实现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FM频宽效率。最后，本文还将提出可调谐匹配网络的建置方案。
2 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，想为聆听者带来更高质量的音频体验，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，能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显示出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)与电磁波产生的电压有关。为了便于说明，本文将分析回路天线模型，同样的计算也可适用于其它类型的天线，如短单极天线和耳机天线。
3 使谐振频率效率最大化
为了尽量提高天线的转换能量，用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：
(1)
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/Zant表示，其中Zant是具有天线谐振网络的天线阻抗。Zant可表示为：
(2)
当天线处于谐振状态时，效率η可以表示为：
(3)
在其它频率时的效率为：
(4)
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。
4 最大化天线尺寸
为了恢复所传输的射频信号，天线必须从电磁波中尽可能地收集到最多的能量，并有效率地将电磁波能量转换成电压。所收集到的能量受制于便携式设备中的天线可用空间和大小。对于传统的耳机天线来说，它的长度可达到FM信号的四分之一波长，就能够收集到足够的能量并转换成内部LNA的可用电压。在此情况下，最大化天线的效率就不那么重要了。
不过，由于便携式设备正变得更小更薄，能用于嵌入式FM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，在使用较小天线的情况下，还必须兼顾不至于牺牲性能，提高天线效率η就变得更为重要。
5 利用可调谐匹配网络最大化FM频段效率
大多数国家的FM广播频段的频率范围是87.5MHz到108.0MHz。日本的FM广播频段是76MHz到90MHz。而在一些东欧国家中，FM广播频段是65.8MHz到74MHz。为了适应全球所有的FM频段，FM接收系统必须具备40MHz的频宽。传统的解决方案通常是将天线调谐在FM频段的中心频率。然而，如同上述公式所显示的，天线系统的效率是频率的函数。这一效率可在谐振频率时达到最大值，但在频率偏离谐振频率时，其效率也随之下降。因此，由于全球FM频段的频宽达40MHz，当频率远离谐振频率时的天线效率将会显著下降。
例如，设定一个固定谐振频率98MHz，那么在该频率点时可实现很高的效率，但其它频率点的效率将明显下降，从而降低远离谐振频率时的FM性能。
图2显示出固定谐振频率在中心频段(98MHz)时的两种天线（耳机天线和短天线）效率曲线。
从上图可以看出，98MHz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与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：
(5)
与短天线相比，耳机天线由于尺寸较大，自然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。
天线的Q值也与天线频宽有关，其间的关系可表示为：
(6)
其中，fc是谐振频率，而BW是天线的3dB频宽。与较长的耳机天线相比较，高Q值的短天线具有较小的频宽，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。
6 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，建置出一项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。
举例来说，如果用户调谐到101.1MHz（图4中的电台1），天线算法将把天线电路谐振点调谐到101.1MHz，从而最佳化101.1MHz的天线效率和接收性能。当用户调谐到84.1MHz（图4中的电台2）时，天线算法随之重新调谐天线电路谐振点，而使84.1MHz的接收性能最佳化。
利用调谐后的频率来调整天线谐振，使其可为每一固定频率提供最大效率，从而使整个FM频段上的接收信号强度最大化。在采用可调谐振电路后，整个频带上使用嵌入式天线的系统性均有所提升。在指定的频率上谐振天线还能使其它频率的干扰衰减，从而显著地提高接收器的选择性。因此，使用这种具有嵌入式天线的接收器用户还能免于其它意外信号源的干扰，这一点在FM频带拥挤的市区尤其重要。
7 小结
随着无线使用模式在便携式设备中越来越普及，更多的用户希望使用具有嵌入式天线的无线FM收音机，同时也用无线耳机或扬声器聆听节目。为了实现最大化灵敏度的目标，本文讨论了如何改善使用嵌入式天线的FM接收效果，并进一步探讨其建置方法。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频带上的接收器的灵敏度，从而使短天线在每个频率时都能实现最高效率。
调频(FM)收音机在高传真音乐和语音广播中已经被采用好多年了，它能提供极佳的音质、信号稳定性和抗噪声能力。最近，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它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。
本文将介绍一种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。我们首先从最大化接收灵敏度着手，然后介绍实现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FM频宽效率。最后，本文还将提出可调谐匹配网络的建置方案。
2 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，想为聆听者带来更高质量的音频体验，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，能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显示出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)与电磁波产生的电压有关。为了便于说明，本文将分析回路天线模型，同样的计算也可适用于其它类型的天线，如短单极天线和耳机天线。
3 使谐振频率效率最大化
为了尽量提高天线的转换能量，用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：
(1)
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/Zant表示，其中Zant是具有天线谐振网络的天线阻抗。Zant可表示为：
(2)
当天线处于谐振状态时，效率η可以表示为：
(3)
在其它频率时的效率为：
(4)
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。
4 最大化天线尺寸
为了恢复所传输的射频信号，天线必须从电磁波中尽可能地收集到最多的能量，并有效率地将电磁波能量转换成电压。所收集到的能量受制于便携式设备中的天线可用空间和大小。对于传统的耳机天线来说，它的长度可达到FM信号的四分之一波长，就能够收集到足够的能量并转换成内部LNA的可用电压。在此情况下，最大化天线的效率就不那么重要了。
不过，由于便携式设备正变得更小更薄，能用于嵌入式FM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，在使用较小天线的情况下，还必须兼顾不至于牺牲性能，提高天线效率η就变得更为重要。
5 利用可调谐匹配网络最大化FM频段效率
大多数国家的FM广播频段的频率范围是87.5MHz到108.0MHz。日本的FM广播频段是76MHz到90MHz。而在一些东欧国家中，FM广播频段是65.8MHz到74MHz。为了适应全球所有的FM频段，FM接收系统必须具备40MHz的频宽。传统的解决方案通常是将天线调谐在FM频段的中心频率。然而，如同上述公式所显示的，天线系统的效率是频率的函数。这一效率可在谐振频率时达到最大值，但在频率偏离谐振频率时，其效率也随之下降。因此，由于全球FM频段的频宽达40MHz，当频率远离谐振频率时的天线效率将会显著下降。
例如，设定一个固定谐振频率98MHz，那么在该频率点时可实现很高的效率，但其它频率点的效率将明显下降，从而降低远离谐振频率时的FM性能。
图2显示出固定谐振频率在中心频段(98MHz)时的两种天线（耳机天线和短天线）效率曲线。
从上图可以看出，98MHz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与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：
(5)
与短天线相比，耳机天线由于尺寸较大，自然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。
天线的Q值也与天线频宽有关，其间的关系可表示为：
(6)
其中，fc是谐振频率，而BW是天线的3dB频宽。与较长的耳机天线相比较，高Q值的短天线具有较小的频宽，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。
6 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，建置出一项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。
举例来说，如果用户调谐到101.1MHz（图4中的电台1），天线算法将把天线电路谐振点调谐到101.1MHz，从而最佳化101.1MHz的天线效率和接收性能。当用户调谐到84.1MHz（图4中的电台2）时，天线算法随之重新调谐天线电路谐振点，而使84.1MHz的接收性能最佳化。
利用调谐后的频率来调整天线谐振，使其可为每一固定频率提供最大效率，从而使整个FM频段上的接收信号强度最大化。在采用可调谐振电路后，整个频带上使用嵌入式天线的系统性均有所提升。在指定的频率上谐振天线还能使其它频率的干扰衰减，从而显著地提高接收器的选择性。因此，使用这种具有嵌入式天线的接收器用户还能免于其它意外信号源的干扰，这一点在FM频带拥挤的市区尤其重要。
7 小结
随着无线使用模式在便携式设备中越来越普及，更多的用户希望使用具有嵌入式天线的无线FM收音机，同时也用无线耳机或扬声器聆听节目。为了实现最大化灵敏度的目标，本文讨论了如何改善使用嵌入式天线的FM接收效果，并进一步探讨其建置方法。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频带上的接收器的灵敏度，从而使短天线在每个频率时都能实现最高效率。
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