中心議題：

• 介紹有源天線(xiàn)的設計思想
• 分析可以用低增益的小型天線(xiàn)接收FM調頻信號的原因

解決方案：

• 把天線(xiàn)的功能和免提耳機的連接線(xiàn)分開(kāi)，最好把天線(xiàn)放到移動(dòng)電話(huà)里面
• 發(fā)射元件和前置放大器一起設計和整合
• 可以用低增益的小型天線(xiàn)接收FM調頻信號

這幾年來(lái)，多數移動(dòng)電話(huà)中都使用了無(wú)線(xiàn)調頻（FM）信號接收組件。由于波長(cháng)長(cháng)（λ～3m），占調頻頻帶較大（帶寬是FM調頻頻帶76～108MHz的35%），免提耳機的連接線(xiàn)常被當作天線(xiàn)使用，而電話(huà)的底板（也許還有使用者）則當作地線(xiàn)，于是在收聽(tīng)時(shí)需要連接免提耳機。這種做法的缺點(diǎn)是不能使用藍牙免提耳機，也不能使用音頻揚聲器。最近，在短距離內傳送音頻信號的技術(shù)開(kāi)始興起，即把音頻信號從便攜式MP3播放器傳送到家用收音機或者汽車(chē)收音機上，移動(dòng)電話(huà)很快也會(huì )具備這個(gè)功能。所以，人們把天線(xiàn)的功能和免提耳機的連接線(xiàn)分開(kāi)，最好把天線(xiàn)放到移動(dòng)電話(huà)里面。

在整合方面的問(wèn)題
在把天線(xiàn)集成電話(huà)里面時(shí)會(huì )出現兩個(gè)問(wèn)題。第一，由于現代終端設備的尺寸很小，空間非常有限，可以接收波長(cháng)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（相當于不到0.003λ）。因此，任何單極型天線(xiàn)的長(cháng)度都要大量地縮短，以便產(chǎn)生諧振，結果在帶寬和天線(xiàn)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(xiàn)的隔離。發(fā)射電線(xiàn)和電話(huà)里面的調頻天線(xiàn)是安置在一起的，尤其是在GSM850/900波段，發(fā)射器會(huì )產(chǎn)生嚴重的干擾。

有源天線(xiàn)的設計思想
很多公司都提出了相應的設計方案。以萊爾德科技股分有限公司為例，他們研制了一種內置天線(xiàn)（ActivvTM），可用于接收FM調頻信號。其性能與使用有源設計思想的耳機連接線(xiàn)相似，這就是發(fā)射元件和前置放大器一起設計，并且整合在一起。與傳統的無(wú)源天線(xiàn)相比，這個(gè)方法有如下優(yōu)點(diǎn)。
● 并不要求天線(xiàn)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調頻接收器產(chǎn)生的噪聲，一般為6dB左右。這相當于使用增益增大了6dB的無(wú)源天線(xiàn)。

● 由于有源天線(xiàn)的增益大，送到FM調頻接收器的信號電平更加合適。這是因為標準的調頻接收器中的自動(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（因為噪聲和信號都同樣地放大了），但在轉換成音頻信號時(shí)，它的確大量地提高了信噪比?！?/p>

● 放大器不需要無(wú)條件穩定，對于給定的晶體管（它的隔離等效參數S12不等于零），只能利用電阻性負載把它穩定，而電阻性負載又會(huì )嚴重地降低增益并且增大天線(xiàn)的噪聲。

與無(wú)源天線(xiàn)相比，有源天線(xiàn)的性能好得多，但這些優(yōu)點(diǎn)是有代價(jià)的。設計和測定特性的復雜程度都增大了（在下一節將談到這點(diǎn)），最重要的是，要在沒(méi)有電阻性負載的情況下做到穩定，線(xiàn)性度要好。此外，有源元件需要靜電保護，但又不能降低靈敏度。

有源天線(xiàn)的特性－G/T損失
有源天線(xiàn)不用增益、效率、返回損失這些普通的參數來(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(xiàn)的主要性能指標是按總輸出噪聲溫度正則化后的總增益（天線(xiàn)和放大器的增益），即G/T損失（G/T degradation）。

在實(shí)際應用中，除了受天線(xiàn)特性的影響，有兩個(gè)外來(lái)的因素會(huì )影響G/T損失的數值：接收器的噪聲指數和環(huán)境噪聲溫度Ta。接收器的噪聲指數會(huì )增大天線(xiàn)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。除非是內置天線(xiàn)，其發(fā)射元件的增益很低，一般情況下，天線(xiàn)的實(shí)際溫度支配著(zhù)噪聲溫度。而且，噪聲背景強表示，在低噪聲的理想情況下，可以降低對發(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(xiàn)接收到的信號大于效率低的天線(xiàn)接收到的信號，但是它接收到的噪聲也比較大。因此，在天線(xiàn)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NFrec也增加了天線(xiàn)輸出的噪聲，但是只要放大器的增益相當大（即Gamp>NFrec），它的影響就很小，與無(wú)源天線(xiàn)相比，這就提高了系統的性能（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)測量得到，但可以通過(guò)模擬或者模型分析得到這些數據）。相反，G/T損失是直接通過(guò)測量天線(xiàn)的輸出噪聲總功率得到的，這時(shí)天線(xiàn)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(xiàn)通過(guò)測量得到的。但是要小心。要通過(guò)標定把測量設備產(chǎn)生的噪聲去掉，在測量時(shí)沒(méi)有金屬物體（同軸電纜線(xiàn)或者電源線(xiàn)）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(xiàn)的系統，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定小天線(xiàn)的電氣特性（見(jiàn)圖１）。估計同軸電纜線(xiàn)引入的測量誤差的設置如圖2所示。圖2中，在單極天線(xiàn)從基板上伸出來(lái)的長(cháng)度不同的情況下，用同軸電纜線(xiàn)和光纖系統測量了它們的增益?？梢钥吹?，在長(cháng)度為10mm左右（這是內置天線(xiàn)的實(shí)際長(cháng)度）時(shí)，測量誤差超過(guò)20dB。
 

圖1 使用光纖系統、沒(méi)有使用電纜線(xiàn)的測量裝置
 

圖2 在測量小天線(xiàn)時(shí)，金屬電纜線(xiàn)引入的測量誤差
最后，要注意人體對小天線(xiàn)在FM調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(xiàn)或者底板接觸的情況下。這是因為，在100MHz左右，人體是效率相當好的天線(xiàn)，半波長(cháng)是1.5m左右。圖3給出了人體接觸天線(xiàn)和沒(méi)有接觸天線(xiàn)時(shí)，接收天線(xiàn)的輸出頻譜。很明顯，用手接觸天線(xiàn)時(shí)，G/T提高了10～15dB。由于大多數使用者在聽(tīng)電話(huà)時(shí)和移動(dòng)電話(huà)是靠得很近的，所以可以合理地假定，FM調頻天線(xiàn)的實(shí)際性能優(yōu)于它處在自由空間時(shí)的性能。
 

圖3 人體對增益和信噪比的影響

ActivvTM有源天線(xiàn)的性能
圖4說(shuō)明有源天線(xiàn)ActivvTM的設計思想。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)在多數情況下，它起的作用不夠大?；芈返碾姼泻头糯笃鬏斎攵耍艠O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(xiàn)的等效阻抗的電阻部分（它也提高了穩定性），從而增強了噪聲的匹配。前置放大器是共源極電路，使用現代的微波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，它的增益相當大，線(xiàn)性度也相當好。

偏置點(diǎn)是靠直流反饋來(lái)穩定的，通過(guò)設計把偏置電路產(chǎn)生的噪聲減少到幾乎為零。由于放大器的設計是配合天線(xiàn)進(jìn)行的，放大器不需要無(wú)條件穩定（對于獨立的放大器，要求是無(wú)條件穩定的）。這是有源天線(xiàn)設計思想的巨大優(yōu)點(diǎn)，因為在大多數情況下只有加上電阻負載才能做到無(wú)條件穩定的。而電阻負載會(huì )嚴重地降低天線(xiàn)的增益，并且增大天線(xiàn)的噪聲。人們一般擔心的是，天線(xiàn)的阻抗不是固定的常數，而是隨著(zhù)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（因為它是短路的環(huán)路）影響發(fā)射元件的輸入阻抗，這是相當不尋常的。
 

圖4 使用半個(gè)回路發(fā)射元件的ActivvTM有源天線(xiàn)原理圖
這也表明，天線(xiàn)不會(huì )因為附近的物體的影響而失去調諧。天線(xiàn)在諧振頻率的響應特性減少了GSM發(fā)射信號引起的串音，妥善設計發(fā)射元件也減少了這個(gè)串音。天線(xiàn)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），交流信號由于這個(gè)電容器而與地短路，因此天線(xiàn)在GSM天線(xiàn)的E場(chǎng)為最大時(shí)對地短路，從而確保串音很低。對GSM串音的靈敏度是這樣測定的：把一個(gè)參照雙極天線(xiàn)（824～960MHz和1710～2170MHz）放在電話(huà)附近，并把它接到一個(gè)大功率CW發(fā)射器上。測量信號的惡化情況，在824MHz（信號變差的最嚴重頻率）時(shí)大約是+36dBm，遠遠高于GSM的最大輸出功率。圖5所示為Nokia 6125中的ActivvTM天線(xiàn)的G/T損失值和增益，是在閉路位置（最壞的情形）時(shí)的測量值相對增益而言，G/T是平坦的，這是因為放大器的噪聲指數和失配程度的關(guān)系是非線(xiàn)性的。于是在設計放大器時(shí)可以自由一些，可以在設計上提高有源天線(xiàn)的G/T帶寬，而這點(diǎn)是無(wú)源天線(xiàn)做不到的。ActivvTM有源天線(xiàn)可用于頻率調諧（如果可以得到FM調頻接收器的控制信號）。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信號堵塞的程度。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(huà)中的ActivvTM天線(xiàn)G/T損失和增益的測量結果
在發(fā)射時(shí)，發(fā)射元件起標準的無(wú)源天線(xiàn)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(xiàn)連接（但是切斷電源）。用一個(gè)內阻為50Ω的信號源供給信號時(shí)，失配的半圈天線(xiàn)的增益測定值如圖7所示。寬帶范圍的平均增益（或者效率）達到-53～-49dB。在開(kāi)關(guān)和調頻發(fā)射組件之間接入一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò )，或者選擇適當的功放輸出阻抗，那么對輸出功率的要求可以放寬很多。
 

圖6 Nokia 6125電話(huà)中的ActivvTM有源天線(xiàn)的照片
 

圖7 Nokia 6125電話(huà)半圈發(fā)射元件在發(fā)射（Tx）狀態(tài)下的增益測定值

為什么可以用低增益的小型天線(xiàn)接收FM調頻信號？
由現場(chǎng)測試可知，在接收FM調頻信號時(shí)，ActivvTM有源天線(xiàn)的性能相當于耳機連接線(xiàn)型天線(xiàn)，雖然這兩種天線(xiàn)的尺寸有很大差別?？紤]到有源天線(xiàn)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。對于大多數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調頻信號時(shí)對增益的要求，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）在屏蔽裝置拿走后的噪聲電平。大多數無(wú)線(xiàn)系統工作在頻率高于1GHz的范圍，環(huán)境噪聲接近室溫，增益為-10dBi，相當于信噪比降低了10dB，在FM頻段內，在城市的大部分地區，由于人為噪聲的影響，噪聲電平高了大約20dB（對于調幅會(huì )更高）。因此，與完美的雙極電線(xiàn)相比，效率差的天線(xiàn)收到的信號較弱，噪聲較小。圖9給出了增益不同（0、-20、-40dB）的三種天線(xiàn)不同噪聲溫度時(shí)的G/T值。所有三種天線(xiàn)都接到噪聲指數為6dB的接收器上。對于增益為-40dB的實(shí)際天線(xiàn)（在室溫下G/T值減少46dB），當情況相同時(shí)，在23.000K的典型溫度下性能提高了19dB。對于有源天線(xiàn)，通過(guò)壓制接收器的噪聲指數，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(xiàn)，只比完美的雙極天線(xiàn)差27dB。
 

圖8 在城市中測量到的環(huán)境噪聲。
 

圖9 無(wú)源天線(xiàn)在不同環(huán)境噪聲溫度下的G/T值