如何應對便攜式設備中FM天線的設計挑戰

調頻(FM)收音機在高保真音樂和語音廣播中已經被采用好多年了，它能提供極好的聲音質量、信號魯棒性和抗噪聲能力。最近，FM收音機開始越來越多地用于移動和個人媒體播放器中。然而，傳統FM設計方法需要很長的天線，例如有線耳機，從而限制了許多沒帶有線耳機的用戶。另外，隨著無線使用模型在便攜式設備中的不斷普及，更多用戶可以從使用其他類型FM天線的無線FM收音機中受益，且同時可利用無線耳機或揚聲器來聽聲音。

本文將介紹一種FM收音機接收機解決方案，它將天線集成或嵌入在便攜式設備內部，使得耳機線成為可選件。我們首先從最大化接收靈敏度講起，然后介紹取得最大化靈敏度的方法，包括最大化諧振頻率的效率，最大化天線尺寸，以及利用可調諧匹配網絡最大化整個調頻帶寬上的效率。最后，本文還將給出可調諧匹配網絡的實現方法。

最大化靈敏度

靈敏度可以被定義為調頻接收系統可以接收到的、同時能達到一定程度信噪比(SNR)的最小信號。這是調頻接收系統性能的一個重要參數，它與信號和噪聲都有關系。接收信號強度指示器(RSSI)只是指出了特定調諧頻率點的射頻信號強度，它并不提供有關噪聲或信號質量的任何信息。在比較不同天線下接收機性能時，音頻信噪比(SNR)也許是一個更好的參數。因此，想為聆聽者帶來高質量的音頻體驗，使SNR最大化非常重要。

天線是連接射頻電路與電磁波的橋梁。就調頻接收而言，天線就是一個變換器，即將能量從電磁波轉換成電子電路(如低噪聲放大器(LNA))可以使用的電壓。調頻接收系統的靈敏度直接與內部LNA接收的電壓相關。為了最大化靈敏度，必須盡量提高這個電壓。

市場上有各種各樣的天線，包括耳機、短鞭、環路和芯片型天線等，但所有天線都可以用等效電路進行分析。圖1給出了一種通用的等效天線電路模型：

在圖1中，X可以是一個電容或一個電感。X的選擇取決于天線拓撲，其電抭(感抗或容抗)值與天線幾何形狀有關。損耗電阻Rloss與天線中以熱能形式散發的功耗有關。幅射電阻Rrad與從電磁波產生的電壓有關。為了便于說明，后文將以環路天線模型作為分析對象，同樣的計算也可以用于其他類型的天線，如短的單極天線和耳機天線。

圖1：天線等效電路模型。

使諧振頻率點的效率最大化

為了盡量提高天線轉換出來的能量，可以使用一個諧振網絡來抵消天線的電抗性阻抗，而這種阻抗會衰減天線傳導到內部LNA的電壓值。對電感性環路天線來說，電容Cres用來使天線在想要的頻率點發生諧振：

諧振頻率是指天線將電磁波轉換成電壓的效率最高的頻率點。天線效率是Rrad上的功率與天線收到的總功率的比值，可以表示為Rrad/Zant，其中Zant是帶天線諧振網絡的天線阻抗。Zant表示為：

當天線處于諧振狀態時，效率η可以表示為：

在其他頻率點時效率為：

非諧振頻率點的天線效率η要低于最大效率ηres，因為此時的天線輸入阻抗Zant要么是容性的，要么是感性的。

最大化天線尺寸

為了恢復所傳輸的射頻信號，天線必須從電磁波里收集到盡可能多的能量，并高效地將電磁波能量轉換成通過Rrad的電壓。收集到的能量多少受制于便攜式設備所使用天線的可用空間和大小。對于傳統的耳機天線來說，它的長度可達到調頻信號的四分之一波長，能收集到足夠的能量并轉換成內部LNA可用的電壓。在這種情況下，最大化天線效率就不那么重要。

不過，由于便攜式設備正變得更小更薄，留給嵌入式調頻天線的空間已變得非常有限。雖然已盡量增加天線尺寸，但嵌入式天線收集到的能量仍非常小。因此在既不犧牲性能、又要使用較小的天線的情況下，提高天線效率η就變得非常重要。

利用可調匹配網絡，使調頻頻段上的效率最大化

大多數國家的調頻廣播頻段的頻率范圍是87.5MHz到108.0MHz。日本的調頻廣播頻段是76MHz到90MHz。在一些東歐國家，調頻廣播頻段是65.8MHz到74MHz。為了適應全球所有的調頻頻段，調頻接收系統需要有40MHz的帶寬。傳統解決方案通常是將天線調諧在調頻頻段的中心頻率。然而就如上述公式表明的那樣，天線系統的效率是頻率的函數。效率在諧振點達到最大值，當頻率偏離諧振頻率時，效率將下降。值得注意的是，由于全球調頻頻段的帶寬達40MHz，當頻率遠離諧振頻率點時天線效率將有顯著下降。

例如，設定一個固定諧振頻率98MHz，那么在該頻率點可取得很高的效率，但其他頻率點的效率將有顯著下降，從而劣化了遠離諧振頻率點時的調頻性能。

圖2給出了固定諧振頻率在頻段中心(98MHz)時兩種天線(耳機天線和短天線)的效率曲線。

圖2：調頻頻段內的典型固定諧振天線性能。

從上圖可以看出，98MHz點可以取得最佳效率，但頻率越接近頻帶邊緣效率下降越多。對耳機天線來說這不是什么大問題，因為這種天線尺寸能夠在整個頻率內收集到足夠的電磁能量，并轉換成較高的電壓給射頻接收器。然而，與較長的耳機天線相比，短天線尺寸小，收集到的能量也少，因此當頻率遠離諧振點時效率將迅速降低，也就是說使用固定諧振方案時頻帶邊緣處的接收會產生問題，主要原因是短天線具有比耳機更高的“Q”值，從而在頻帶邊緣時使效率發生陡峭下降。

Q是指品質因數，正比于單位時間內天線網絡中存儲的能量與損耗或幅射能量的比值。針對帶天線諧振網絡的上述天線等效電路而言，Q值滿足：

與短天線相比，耳機天線尺寸較大，因此本身就具有較高的幅射電阻Rrad，從而導致Q值較低。由于嵌入式應用要求使用高Q值的短天線，效率陡降問題非常突出。

天線的Q值還與天線帶寬有關，其關系可以表示為：

其中?c是諧振頻率?c，BW是天線的3dB帶寬。與較長的耳機天線相比，高Q值的短天線具有較小的帶寬，因此在頻帶邊緣的損耗較大。

為了克服高Q值固定諧振天線的帶寬限制問題，可以用自調諧諧振電路將“固定諧振”改為“可調諧振”，使電路永遠處于諧振頻率點，從而最大化接收靈敏度。采用自調諧諧振天線可以獲得較高的信噪比，因為來自諧振天線的增益可降低接收機的系統噪聲系數，而嵌入式天線固有的高Q值又有助于濾除可能與本振諧波混合在一起的干擾。

可調匹配網絡的實現

圖3給出了支持嵌入式短天線的增強型調頻接收機架構的概念性框圖。“可調諧振”采用片上可調的變容二極管和調諧算法實現。

圖3：Si4704/05的概念性框圖。

上述設計使用了帶數字信號處理器(DSP)的混合信號數字低中頻架構，從而可實現包括嵌入式短天線的自調諧在內的先進的信號處理算法。天線算法自動根據設備的每個頻率調諧點調整變容二極管的電容值，從而獲取最佳性能。

舉例來說，如果用戶調諧到101.1MHz(圖4中的電臺1)，天線算法將把天線電路諧振點調諧到101.1MHz，從而優化了101.1MHz點的天線效率和接收性能。當用戶調諧到84.1MHz(圖4中的電臺2)時，天線算法隨之重新調諧天線電路諧振點，從而使84.1MHz點的接收性能最優。

圖4：可調諧振的好處。

利用調整后的頻率調諧天線諧振點可在每個給定頻率點提供最大效率，從而最大化整個調頻頻段上的接收信號強度。在采用可調諧振電路后，使用嵌入式天線的系統性能在整個頻帶上都有所提高。在指定頻率點諧振天線還能衰減其他頻率點的干擾，從而顯著提高接收機的選擇性，因此，使用這種帶嵌入式天線的接收機用戶還能更好地免受其他意外干擾源的干擾。這點在調頻頻帶擁擠的市區尤其重要。

本文小結

隨著無線使用模型在便攜式設備中越來越普及，更多的用戶希望使用帶嵌入式天線的無線調頻收音機，同時用無線耳機或揚聲器聆聽節目。本文討論了通過最大化靈敏度來改善使用嵌入式天線的調頻接收效果的原理，并進一步討論了實現方法。由于使用嵌入式天線的便攜式設備上的可用空間非常有限，可以考慮采用自調諧諧振網絡來最大化整個調頻頻帶上接收機的靈敏度，從而保持短天線在每個頻率點都有最大的效率。