滿足便攜式設(shè)備中FM天線的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)
調(diào)頻(FM)收音機(jī)在高傳真音樂和語音廣播中已經(jīng)被采用好多年了，它能提供極佳的音質(zhì)、信號穩(wěn)定性和抗噪聲能力。最近，F(xiàn)M收音機(jī)已開始出現(xiàn)在更多的移動和個(gè)人媒體播放器等市場應(yīng)用中。然而，傳統(tǒng)的FM設(shè)計(jì)方法必須使用很長的天線，例如有線的頭戴式耳機(jī)，因而對于許多未具備有線耳機(jī)的用戶造成限制。另外，隨著無線使用模式在便攜式設(shè)備中的不斷普及，越來越多的用戶也希望能使用其它FM天線的無線FM收音機(jī)，同時(shí)利用無線耳機(jī)或揚(yáng)聲器來聽聲音。
本文將介紹一種FM收音機(jī)接收器解決方案，它將天線集成或嵌入于便攜式設(shè)備內(nèi)部，使得耳機(jī)線成為一種可選用的配件。我們首先從最大化接收靈敏度著手，然后介紹實(shí)現(xiàn)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(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)最大化整個(gè)FM頻寬效率。最后，本文還將提出可調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)的建置方案。
最大化靈敏度
靈敏度可被定義為FM接收器系統(tǒng)可接收并能實(shí)現(xiàn)特定信噪比(SNR)的最小信號。這是FM接收系統(tǒng)性能的一項(xiàng)重要參數(shù)，它與信號和噪聲都有關(guān)系。接收信號強(qiáng)度指示器(RSSI)只能在特定調(diào)諧頻率時(shí)指出射頻(RF)信號強(qiáng)度，并不提供有關(guān)噪聲或信號質(zhì)量的任何信息。在比較使用不同天線的接收器性能時(shí)，音頻信噪比(SNR)或許是一項(xiàng)更好的參數(shù)。因此，想為聆聽者帶來更高質(zhì)量的音頻體驗(yàn)，使SNR最大化非常重要。
天線是連接RF電路與電磁波的橋梁。就FM接收而言，天線就是一種變換器，能將能量從電磁波轉(zhuǎn)換成電子電路(如低噪聲放大器；LNA)可用的電壓。FM接收系統(tǒng)的靈敏度直接關(guān)系到內(nèi)部LNA所接收的電壓。為了最大化靈敏度，必須盡量提高這一電壓。
市場上有各式各樣的天線，包括頭戴式耳機(jī)、金屬短柱(stub)、回路和芯片型天線等，但所有的天線都可以用等效電路進(jìn)行分析。圖1顯示出一種通用的等效天線電路模型：
圖1：通用的天線等效電路模型。
在圖1中，X可以是一個(gè)電容或一個(gè)電感。X的選擇取決于天線拓樸，其電抗值(電感或電容)與天線幾何學(xué)有關(guān)。損耗電阻(Rloss)與天線中以熱能形式散發(fā)的功耗有關(guān)。輻射阻抗(Rrad)則與電磁波產(chǎn)生的電壓有關(guān)。為了便于說明，本文將分析回路天線模型，同樣的計(jì)算也可適用于其它類型的天線，如短單極天線和耳機(jī)天線。
使諧振頻率效率最大化
為了盡量提高天線的轉(zhuǎn)換能量，我們使用了一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)來抵銷天線的反作用阻抗，而這種阻抗可能使天線轉(zhuǎn)換至內(nèi)部LNA的電壓值衰減。對于電感式回路天線來說，電容(Cres)可用以使天線在所需的頻率時(shí)產(chǎn)生諧振：
諧振頻率(ƒres)是指天線可使電磁波轉(zhuǎn)換成電壓的最高效率時(shí)所使用的頻率。天線效率是Rrad的功率與天線總功率的比值，以Rrad/Zant表示，其中Zant是具有天線諧振網(wǎng)絡(luò)的天線阻抗。Zant可表示為：
當(dāng)天線處于諧振狀態(tài)時(shí)，效率η可以表示為：
在其它頻率時(shí)的效率為：
除了諧振頻率以外的天線效率η低于最大效率ηres，因?yàn)榇藭r(shí)的天線輸入阻抗Zant如果不是電容式的，就是電感式的。
最大化天線尺寸
為了恢復(fù)所傳輸?shù)纳漕l信號，天線必須從電磁波中盡可能地收集到最多的能量，并有效率地將電磁波能量轉(zhuǎn)換成電壓。所收集到的能量受制于便攜式設(shè)備中的天線可用空間和大小。對于傳統(tǒng)的耳機(jī)天線來說，它的長度可達(dá)到FM信號的四分之一波長，就能夠收集到足夠的能量并轉(zhuǎn)換成內(nèi)部LNA的可用電壓。在此情況下，最大化天線的效率就不那么重要了。
不過，由于便攜式設(shè)備正變得更小更薄，能用于嵌入式FM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，在使用較小天線的情況下，還必須兼顧不至于犧牲性能，提高天線效率η就變得更為重要。
