中心議題：
- 介紹有源天線的設(shè)計(jì)思想
- 分析可以用低增益的小型天線接收FM調(diào)頻信號(hào)的原因
解決方案：
- 把天線的功能和免提耳機(jī)的連接線分開(kāi)，最好把天線放到移動(dòng)電話里面
- 發(fā)射元件和前置放大器一起設(shè)計(jì)和整合
- 可以用低增益的小型天線接收FM調(diào)頻信號(hào)
這幾年來(lái)，多數(shù)移動(dòng)電話中都使用了無(wú)線調(diào)頻（FM）信號(hào)接收組件。由于波長(zhǎng)長(zhǎng)（λ～3m），占調(diào)頻頻帶較大（帶寬是FM調(diào)頻頻帶76～108MHz的35%），免提耳機(jī)的連接線常被當(dāng)作天線使用，而電話的底板（也許還有使用者）則當(dāng)作地線，于是在收聽(tīng)時(shí)需要連接免提耳機(jī)。這種做法的缺點(diǎn)是不能使用藍(lán)牙免提耳機(jī)，也不能使用音頻揚(yáng)聲器。最近，在短距離內(nèi)傳送音頻信號(hào)的技術(shù)開(kāi)始興起，即把音頻信號(hào)從便攜式MP3播放器傳送到家用收音機(jī)或者汽車(chē)收音機(jī)上，移動(dòng)電話很快也會(huì)具備這個(gè)功能。所以，人們把天線的功能和免提耳機(jī)的連接線分開(kāi)，最好把天線放到移動(dòng)電話里面。
在整合方面的問(wèn)題
在把天線集成電話里面時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題。第一，由于現(xiàn)代終端設(shè)備的尺寸很小，空間非常有限，可以接收波長(zhǎng)會(huì)受到限制。此外，印刷電路板一般至少有一層（接地面）是完全金屬化的，與地之間的最大高度在4～8mm的范圍（相當(dāng)于不到0.003λ）。因此，任何單極型天線的長(zhǎng)度都要大量地縮短，以便產(chǎn)生諧振，結(jié)果在帶寬和天線的接收效率方面有很大損失。第二個(gè)問(wèn)題就是發(fā)射天線的隔離。發(fā)射電線和電話里面的調(diào)頻天線是安置在一起的，尤其是在GSM850/900波段，發(fā)射器會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。
有源天線的設(shè)計(jì)思想
很多公司都提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方案。以萊爾德科技股分有限公司為例，他們研制了一種內(nèi)置天線（ActivvTM），可用于接收FM調(diào)頻信號(hào)。其性能與使用有源設(shè)計(jì)思想的耳機(jī)連接線相似，這就是發(fā)射元件和前置放大器一起設(shè)計(jì)，并且整合在一起。與傳統(tǒng)的無(wú)源天線相比，這個(gè)方法有如下優(yōu)點(diǎn)。
● 并不要求天線的電阻必須是50Ω，因此避免了損失，也不需要會(huì)限制帶寬的匹配元件。
● 前置放大器的增益能夠減少FM調(diào)頻接收器產(chǎn)生的噪聲，一般為6dB左右。這相當(dāng)于使用增益增大了6dB的無(wú)源天線。
● 由于有源天線的增益大，送到FM調(diào)頻接收器的信號(hào)電平更加合適。這是因?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)的調(diào)頻接收器中的自動(dòng)增益控制（AGC）的動(dòng)態(tài)范圍有限。要注意的一點(diǎn)是，增大增益并不能改善射頻的信噪比SNR（因?yàn)樵肼暫托盘?hào)都同樣地放大了），但在轉(zhuǎn)換成音頻信號(hào)時(shí)，它的確大量地提高了信噪比。
● 放大器不需要無(wú)條件穩(wěn)定，對(duì)于給定的晶體管（它的隔離等效參數(shù)S12不等于零），只能利用電阻性負(fù)載把它穩(wěn)定，而電阻性負(fù)載又會(huì)嚴(yán)重地降低增益并且增大天線的噪聲。
與無(wú)源天線相比，有源天線的性能好得多，但這些優(yōu)點(diǎn)是有代價(jià)的。設(shè)計(jì)和測(cè)定特性的復(fù)雜程度都增大了（在下一節(jié)將談到這點(diǎn)），最重要的是，要在沒(méi)有電阻性負(fù)載的情況下做到穩(wěn)定，線性度要好。此外，有源元件需要靜電保護(hù)，但又不能降低靈敏度。
有源天線的特性－G/T損失
有源天線不用增益、效率、返回?fù)p失這些普通的參數(shù)來(lái)描述它的特性。例如，只要增大前置放大器的增益，或者在輸出端再串聯(lián)一級(jí)放大器，就可以隨意增大它的增益。因此，增益本身是沒(méi)有意義的。相反，有源天線的主要性能指標(biāo)是按總輸出噪聲溫度正則化后的總增益（天線和放大器的增益），即G/T損失（G/T degradation）。
在實(shí)際應(yīng)用中，除了受天線特性的影響，有兩個(gè)外來(lái)的因素會(huì)影響G/T損失的數(shù)值：接收器的噪聲指數(shù)和環(huán)境噪聲溫度Ta。接收器的噪聲指數(shù)會(huì)增大天線的輸出噪聲Tout（因而降低G/T），環(huán)境噪聲溫度也會(huì)增大輸出噪聲。
噪聲電平升高表示有源器件和電阻器產(chǎn)生的噪聲影響減少了。除非是內(nèi)置天線，其發(fā)射元件的增益很低，一般情況下，天線的實(shí)際溫度支配著噪聲溫度。而且，噪聲背景強(qiáng)表示，在低噪聲的理想情況下，可以降低對(duì)發(fā)射元件的要求，并不會(huì)明顯地降低G/T。這點(diǎn)可以定性地這樣理解：效率高的天線接收到的信號(hào)大于效率低的天線接收到的信號(hào)，但是它接收到的噪聲也比較大。因此，在天線輸出端的信噪比并沒(méi)有好一些。第二點(diǎn)是接收器的噪聲指數(shù)NFrec也增加了天線輸出的噪聲，但是只要放大器的增益相當(dāng)大（即Gamp>NFrec），它的影響就很小，與無(wú)源天線相比，這就提高了系統(tǒng)的性能（從噪聲背景方面講）。要注意的一點(diǎn)是，這兩方面（也就是背景噪聲和NFrec）的作用一般是分不開(kāi)的。例如，背景噪聲溫度高時(shí)，接收器的噪聲指數(shù)起的作用就小，反過(guò)來(lái)也是這樣。
一般地講，我們不知道發(fā)射元件的效率和放大器的增益分別是多大（至少不能通過(guò)測(cè)量得到，但可以通過(guò)模擬或者模型分析得到這些數(shù)據(jù)）。相反，G/T損失是直接通過(guò)測(cè)量天線的輸出噪聲總功率得到的，這時(shí)天線是放在一個(gè)特殊的環(huán)境中（例如在消聲室中，Ta=T0），增益是用增益置換法借助一個(gè)增益已知的參照天線通過(guò)測(cè)量得到的。但是要小心。要通過(guò)標(biāo)定把測(cè)量設(shè)備產(chǎn)生的噪聲去掉，在測(cè)量時(shí)沒(méi)有金屬物體（同軸電纜線或者電源線）和它相連。由于這個(gè)原因，萊爾德科技公司研制了一種代替電纜線的系統(tǒng)，它利用了光纖的原理，連同一個(gè)用電池供電的前置放大器，這些在一起可以妥善地測(cè)定小天線的電氣特性（見(jiàn)圖１）。估計(jì)同軸電纜線引入的測(cè)量誤差的設(shè)置如圖2所示。圖2中，在單極天線從基板上伸出來(lái)的長(zhǎng)度不同的情況下，用同軸電纜線和光纖系統(tǒng)測(cè)量了它們的增益。可以看到，在長(zhǎng)度為10mm左右（這是內(nèi)置天線的實(shí)際長(zhǎng)度）時(shí)，測(cè)量誤差超過(guò)20dB。
圖1 使用光纖系統(tǒng)、沒(méi)有使用電纜線的測(cè)量裝置
圖2 在測(cè)量小天線時(shí)，金屬電纜線引入的測(cè)量誤差
最后，要注意人體對(duì)小天線在FM調(diào)頻頻帶的增益的影響是正面的，尤其是使用者的身體與天線或者底板接觸的情況下。這是因?yàn)椋?00MHz左右，人體是效率相當(dāng)好的天線，半波長(zhǎng)是1.5m左右。圖3給出了人體接觸天線和沒(méi)有接觸天線時(shí)，接收天線的輸出頻譜。很明顯，用手接觸天線時(shí)，G/T提高了10～15dB。由于大多數(shù)使用者在聽(tīng)電話時(shí)和移動(dòng)電話是靠得很近的，所以可以合理地假定，F(xiàn)M調(diào)頻天線的實(shí)際性能優(yōu)于它處在自由空間時(shí)的性能。
圖3 人體對(duì)增益和信噪比的影響
ActivvTM有源天線的性能
圖4說(shuō)明有源天線ActivvTM的設(shè)計(jì)思想。發(fā)射元件是一匝的半環(huán)回路，發(fā)射元件的一端在底板的一側(cè)接地，發(fā)射元件的另一端接到放大器上。也可以用多匝發(fā)射元件，它能夠提高發(fā)射元件的電阻。不過(guò)在多數(shù)情況下，它起的作用不夠大。回路的電感和放大器輸入端（柵極和源極之間）上并聯(lián)的電容產(chǎn)生諧振，這樣做除了提高增益外，還增大了天線的等效阻抗的電阻部分（它也提高了穩(wěn)定性），從而增強(qiáng)了噪聲的匹配。前置放大器是共源極電路，使用現(xiàn)代的微波FET晶體管，減少了噪聲。整個(gè)放大器在3V時(shí)消耗的電流是3mA，它的增益相當(dāng)大，線性度也相當(dāng)好。
偏置點(diǎn)是靠直流反饋來(lái)穩(wěn)定的，通過(guò)設(shè)計(jì)把偏置電路產(chǎn)生的噪聲減少到幾乎為零。由于放大器的設(shè)計(jì)是配合天線進(jìn)行的，放大器不需要無(wú)條件穩(wěn)定（對(duì)于獨(dú)立的放大器，要求是無(wú)條件穩(wěn)定的）。這是有源天線設(shè)計(jì)思想的巨大優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)樵诖蠖鄶?shù)情況下只有加上電阻負(fù)載才能做到無(wú)條件穩(wěn)定的。而電阻負(fù)載會(huì)嚴(yán)重地降低天線的增益，并且增大天線的噪聲。人們一般擔(dān)心的是，天線的阻抗不是固定的常數(shù)，而是隨著近場(chǎng)環(huán)境變化而變化。不過(guò)在這種情況下，只有磁性材料（因?yàn)樗嵌搪返沫h(huán)路）影響發(fā)射元件的輸入阻抗，這是相當(dāng)不尋常的。
圖4 使用半個(gè)回路發(fā)射元件的ActivvTM有源天線原理圖
這也表明，天線不會(huì)因?yàn)楦浇奈矬w的影響而失去調(diào)諧。天線在諧振頻率的響應(yīng)特性減少了GSM發(fā)射信號(hào)引起的串音，妥善設(shè)計(jì)發(fā)射元件也減少了這個(gè)串音。天線的一端是短路的，在另一端并聯(lián)一個(gè)電容器（從而產(chǎn)生諧振），交流信號(hào)由于這個(gè)電容器而與地短路，因此天線在GSM天線的E場(chǎng)為最大時(shí)對(duì)地短路，從而確保串音很低。對(duì)GSM串音的靈敏度是這樣測(cè)定的：把一個(gè)參照雙極天線（824～960MHz和1710～2170MHz）放在電話附近，并把它接到一個(gè)大功率CW發(fā)射器上。測(cè)量信號(hào)的惡化情況，在824MHz（信號(hào)變差的最嚴(yán)重頻率）時(shí)大約是+36dBm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GSM的最大輸出功率。圖5所示為Nokia 6125中的ActivvTM天線的G/T損失值和增益，是在閉路位置（最壞的情形）時(shí)的測(cè)量值相對(duì)增益而言，G/T是平坦的，這是因?yàn)榉糯笃鞯脑肼曋笖?shù)和失配程度的關(guān)系是非線性的。于是在設(shè)計(jì)放大器時(shí)可以自由一些，可以在設(shè)計(jì)上提高有源天線的G/T帶寬，而這點(diǎn)是無(wú)源天線做不到的。ActivvTM有源天線可用于頻率調(diào)諧（如果可以得到FM調(diào)頻接收器的控制信號(hào)）。將接收器在頻帶兩端的信噪比幾個(gè)dB（尤其是在需要覆蓋整個(gè)76～108MHz的情況下），也提高了容忍頻帶內(nèi)信號(hào)堵塞的程度。不過(guò)這是屬于選用的功能，不一定會(huì)得到很好的性能。
圖5 Nokia 6125電話中的ActivvTM天線G/T損失和增益的測(cè)量結(jié)果
在發(fā)射時(shí)，發(fā)射元件起標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)源天線作用，它用一個(gè)單刀單擲（SPST）通斷控制進(jìn)行連接（見(jiàn)圖4）。前置放大器處在Rx狀態(tài)，仍然與天線連接（但是切斷電源）。用一個(gè)內(nèi)阻為50Ω的信號(hào)源供給信號(hào)時(shí)，失配的半圈天線的增益測(cè)定值如圖7所示。寬帶范圍的平均增益（或者效率）達(dá)到-53～-49dB。在開(kāi)關(guān)和調(diào)頻發(fā)射組件之間接入一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)，或者選擇適當(dāng)?shù)墓Ψ泡敵鲎杩梗敲磳?duì)輸出功率的要求可以放寬很多。
圖6 Nokia 6125電話中的ActivvTM有源天線的照片
圖7 Nokia 6125電話半圈發(fā)射元件在發(fā)射（Tx）狀態(tài)下的增益測(cè)定值
為什么可以用低增益的小型天線接收FM調(diào)頻信號(hào)？
由現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試可知，在接收FM調(diào)頻信號(hào)時(shí)，ActivvTM有源天線的性能相當(dāng)于耳機(jī)連接線型天線，雖然這兩種天線的尺寸有很大差別。考慮到有源天線的體積小，它的幅射電阻大約只有1mΩ，而寄生損失電阻至少有1Ω左右，增益在-30～-50dBi的范圍內(nèi)。對(duì)于大多數(shù)RF工程師來(lái)講，這樣的增益是很難接受的。但是有一個(gè)因素極大地放寬了接收FM調(diào)頻信號(hào)時(shí)對(duì)增益的要求，即很高的環(huán)境噪聲溫度。圖8是一個(gè)消聲室（為了得到保守的估計(jì)）在屏蔽裝置拿走后的噪聲電平。大多數(shù)無(wú)線系統(tǒng)工作在頻率高于1GHz的范圍，環(huán)境噪聲接近室溫，增益為-10dBi，相當(dāng)于信噪比降低了10dB，在FM頻段內(nèi)，在城市的大部分地區(qū)，由于人為噪聲的影響，噪聲電平高了大約20dB（對(duì)于調(diào)幅會(huì)更高）。因此，與完美的雙極電線相比，效率差的天線收到的信號(hào)較弱，噪聲較小。圖9給出了增益不同（0、-20、-40dB）的三種天線不同噪聲溫度時(shí)的G/T值。所有三種天線都接到噪聲指數(shù)為6dB的接收器上。對(duì)于增益為-40dB的實(shí)際天線（在室溫下G/T值減少46dB），當(dāng)情況相同時(shí)，在23.000K的典型溫度下性能提高了19dB。對(duì)于有源天線，通過(guò)壓制接收器的噪聲指數(shù)，可以把性能再提高6dB。所以，從信噪比方面看，增益為 -40dB的無(wú)源天線，只比完美的雙極天線差27dB。
圖8 在城市中測(cè)量到的環(huán)境噪聲。
圖9 無(wú)源天線在不同環(huán)境噪聲溫度下的G/T值
