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满足便携式设备中FM天线的设计挑战
来源:本站整理  作者:佚名  2009-08-10 11:40:58



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。

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。 
 
图2:FM频段内的典型固定谐振天线性能。

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值代表指质量因子,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:

 
 
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显眼。
天线的Q值也与天线频宽有关,其间的关系可表示为:


 
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。
 
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。 
 
图3:Si4704/05的概念架构图。

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