利用内置天线实现手机FM收发器介绍

标签:天线
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FM无线电接收器模块是最现代化的移动电话中的标准功能。短距FM发射(Tx)近来已成为一种受欢迎的手段,它可以将音频从便携式MP3播放器转移到在家中或汽车收音机中,该功能不久将可以用于移动电话。Laird TECHNOLOGIES公司已经开发了一款用于手机FM无线电接收的内置天线RadioAnt,其通过辐射器件与联合设计前置放大器的集成提供了与已经过时的有线耳机天线类似的性能。

  这种方法与传统的无源解决方案相比具有几点优势。其中一个是有效消除了对天线阻抗为50欧的要求。这是非常重要的调频频率,此处可以达到大约1 米的辐射阻抗。而固有的辐射放大器阻抗接口在有源天线中并非在50欧左右,输出可以调整到任何阻抗水平,对适当连接到接收器的输入包括了50个单端或 200个差分阻抗。

  前置放大器的增益抑制了FM接收器大约6dB的噪声。这相当于采用具有6dB高增益的无源天线。由于限制了标准接收器自动增益控制的动态范围,有源天线的高增益为FM接收器提供了更为适合的信号水平。然而更高的增益(由于噪声和信号被同等放大)并未提高RF频率下的信噪比(SNR),其极大提高了下变频音频频率的SNR。但是,消除了对阻抗负载的需要,其严重降低了增益并增加了天线噪声,放大器并不需要无条件的稳定。

  这种有源天线确有弊端,但可以应付。具体来说,就是设计与特性更为复杂,并且前置放大器耗费功率与PCB面积。此外,有源器件必须受到保护来避免ESD,而且不会使灵敏度下降。最重要的是,必须在没有电阻负载的条件下达到稳定性与线性,即使天线在放大器输入端会出现接近开路或短路的阻抗。

  有源天线的特性

  有益于有源天线的主要指标是由总输出噪声温度G/T(简称为G比T)归一化的总增益(天线+放大器)。目前,如果提高放大器增益,输出噪声将增加,在G/T方面没有任何改善。例如,G/T无损,完全匹配短偶极子或环路天线在室内温度下为-22.8 dB/K(具有1.8dBi的方向性,1.8dBi- 10log(290K))。此处提出的G/T退化与完全匹配无损短偶极子天线有关的概念是与噪声指数(NF)的概念类似,因为在两个不同的节点对SNR进行了比较,但是在290 K噪声温度下在输入(如定义为NF的度量)并未要求匹配的源。通常,由于大部分电学小型天线具有1.8dBi的方向性,增益G被认为是在各个角度上的“平均增益”,其与标准天线效率一致(所以,最大是0dB或100%)。在本文整篇文章中,增益是与效率同义的,因此,并未包含方向性。例如,G/T下降 10dB,系统性能等价于无源天线-10dB效率(如果所有天线都被连接到无噪声接收器)。

  除天线特性外,实际应用中G/T的退化值是受两个外部因素影响的:会增加输出噪声的周围噪声温度Ta,以及会增加天线输出噪声Tout(并因此减小G/T)的接收器噪声指数NFre。已经表明由于人造RF噪声,Ta的值在FM频率下远高于室温T0(例如290 K 或-174 dBm/Hz)。所增加的噪声水平意味着减小了来自有源器件及电阻噪声贡献的影响,除非采用内置天线,辐射器件的增益是如此低以至于天线物理温度决定了噪声温度。此外,高的背景噪声水平意味着可以减少辐射器件的效率要求,对理想的低噪声情况而没有与G/T一样极大地减小。这可以被定性的理解为高效率的天线会比低效率的天线收到更大的信号水平,但其也会收到更多的噪声。因此,天线输出端的SNR并没有显著改善。

  第二个影响就是NFrec,还为天线的输出贡献噪声,但通过选择极高增益的放大器(Gamp > NFrec)可以使其变得微不足道,从而与采用无源天线相比改善了系统的NF性能。应当指出,背景噪声和NFrec的这两种影响通常并不可分,例如一个高背景噪声温度可以实现接收器无关的噪声指数,反之亦然。

  如果辐射器的效率与放大器的增益Gamp已知(假设天线在室温T0下,并且“了解”周围的噪声温度Ta),通过以下公式(其中温度单位是K)可以计算有源天线G/T的退化值:


然而,辐射器的效率通常与放大器的增益并不分别已知(至少不是通过测量获得的,但是仿真或分析模型可以用来获得这些数据)。反之,当放置在特定环境下(例如,在屏蔽室中Ta = T0)以及通过例如与已知增益的天线相比来测量增益时,通过测量天线的总输出噪声功率可以获得G/T的退化值。必须认真采取措施以便通过校准来消除来自测量设备的噪声贡献,并且在测量期间没有附着金属物体(同轴测量线或电压源线),原因先前已经解释过了。

  为了支持这些要求,Laird科技公司已经开发出基于光纤的电缆替代系统,其连同电池驱动前置放大器便于正确表征电学小型天线(图1)。采用同轴线以及光纤系统测量从屏蔽盒突出来的不同长度单极子天线的增益。长度大约在10m以下的光纤系统测量误差大约为20dB,这是内置天线的实际值。


最后,应该指出人体的出现提高了FM频率下小型天线的增益,特别是如果用户接触天线或屏蔽盒的话。这是因为人体是一个约为100MHz的相当高效的天线,半波长约为1.5米,并且在如此低的频率下人体组织是导电的。蜂窝天线相比,蜂窝天线可能在谈话位置损失超过10dB的增益。积极的人体影响如图2所示,图中所示是用户接触与没有接触天线时接收天线的输出频谱。手触摸的情况下增益要高得多,并且该图还显示了在这种情况下G/T退化被提高了 10dB至15dB。


实测性能

  RadioAnt有源天线的设计如图3所示。辐射器件为单匝半环,其中在屏蔽盒短边的辐射器被地线包围,并被连接到另一边的放大器。通过短边的短路天线以及另一短边并联电容(来获得谐振)的AC短路天线,天线在GSM的E场最大处被短路,因此保证了低串扰。在放大器输入端栅源节点之间是并联电容,除了提高增益,还通过增加由放大器看过去的天线实部提供了更好的噪声匹配(改善了稳定性)。放大器中采用了共源拓扑的微波FET晶体管配置,使得噪声贡献最小化。整个放大器在3 V下消耗3 mA,其为应用提供了充足的增益与线性。通过dc反馈稳定了偏置点,并通过设计将来自偏置网络的噪声贡献减小到接近零。由于微波晶体管在10 GHz及以上频率具有正增益,必须审慎考虑以确保由天线提供的源阻抗处的稳定性。辐射器的输入阻抗仅对磁性材料敏感(因为其是一个短环),这是比较罕见的,所以天线并没受到靠近物体的影响出现反调谐(de-tuned)。通过在靠近电话处放置参考偶极子天线(824MHz到960MHz,以及 1710MHz到2170MHz)并将其连接到高功率CW发射器来测量GSM串扰的敏感度。在824MHz(最差条件频率)下检测到信号恶化开始处大约为+36 dBm,其远高于GSM的峰值输出功率。


实测G/T下降以及RadioAnt增益如图4所示,对诺基亚6125手机的应用如图5所示。该手机可以工作在两种模式下,开放和关闭,具有不同的性能。通常,由于更长的屏蔽盒长度,开放位置要优于关闭位置几个dB,但预计关闭位置将主要用于收听期间。尽管增益具有大约20dB带内差异、G/T 退化的高度谐振,它是有益于接收和音频质量的重要指标,该增益几乎是平坦的,具有大约5dB的带内差异。因此,就不要求可调协性。然而,RadioAnt 模块支持频率可调协性(如果可以从FM接收器获得控制信号),其将在频带边沿将接收到的SNR水平改善几个dB(尤其是,如果必须覆盖整个76MHz到 108MHz频带),并还将提高强大的带内阻断信号的容差。这是一个可选特性,并且对获得良好性能而言并不必要。


对发射而言,采用辐射器作为标准无源天线并通过SPST(开/关)开关进行连接(图3)。具有Rx模式前置放大器仍然连接(但是被关闭)并且来自50欧源输入的未匹配半环天线实测增益如图6所示。获得了-53 dB到-49 dB的宽带平均增益(或效率),并且在欧洲的最大允许输出功率为50 nW或-43 dBm,因此,FM Tx功率放大器(PA)必须能够提供大约+10 dBm,并且容许输出的感应电压与电流摆动。


小型天线FM无线电接收

  现场测试表明RadioAnt实现了与基于有线耳机的FM无线电接收一样的性能,虽然存在天线尺寸的区别。尽管有源天线几乎是一种提供了小体积的最优设计,但大约1m的辐射阻抗与至少1欧的寄生损耗电阻结合(例如在辐射金属和互连线来自有限电导率)必然导致-30 dBi至-50 dBi的增益。对大部分RF工程师而言,相信如此低的增益对任何涉及长距离通讯的应用是足够的非常难,但高环境噪声温度计大放宽了对FM接收增益的要求。

  大部分无线系统工作在1 GHz以上,其中环境噪声接近于室温并且-10 dBi的增益会转化为减少10 dB的SNR。然而,由于人造噪声,噪声水平在大部分城市地区在FM频率(以及甚至更高的AM)下大约为20 dB。因此,极差效率的天线将收集与较小信号一样的较小噪声,例如与完善的偶极子天线相比。如图7所示,当所有天线连接到6 dB NF接收器时,在三种天线不同噪声温度下的不同增益(0 dB、-20 dB和-40 dB)下对G/T退化进行比较。对具有-40 dB增益天线的真实情况而言(在室温下G/T减小46 dB),同样配置在典型的23.000 K温度下改善了19 dB的性能。对有源天线,从接收器噪声指数抑制中可以进一步增加6 dB。因此,-40 dB增益无源天线的SNR性能在完美的偶极子下只有27 dB。

  通过辐射器件与低噪声前置放大器的共同优化,RadioAnt获得了与有线耳机天线类似的性能。这使得手机支持无线耳机,与发射和接收FM无线电信号一样从而支持更多的用户特性。(Laird TECHNOLOGIES公司)

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