在移动电话中的接收和发射FM信号的内置天线.docx
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在移动电话中的接收和发射FM信号的内置天线
在移动电话中的接收和发射FM信号的内置天线
问题的提出
这几年来,多数移动电话中都使用了无线调频(FM)信号接收组件。
由于波长长(λ~3m),占调频频带较大(带宽是FM调频频带76~108MHz的35%),免提耳机的连接线常被当作天线使用,而电话的底板(也许还有使用者)则当作地线,于是在收听时需要连接免提耳机。
这种做法的缺点是不能使用蓝牙免提耳机,也不能使用音频扬声器。
最近,在短距离内传送音频信号的技术开始兴起,即把音频信号从便携式MP3播放器传送到家用收音机或者汽车收音机上,移动电话很快也会具备这个功能。
所以,人们把天线的功能和免提耳机的连接线分开,最好把天线放到移动电话里面。
在整合方面的问题
在把天线集成电话里面时会出现两个问题。
第一,由于现代终端设备的尺寸很小,空间非常有限,可以接收波长会受到限制。
此外,印刷电路板一般至少有一层(接地面)是完全金属化的,与地之间的最大高度在4~8mm的范围(相当于不到0.003λ)。
因此,任何单极型天线的长度都要大量地缩短,以便产生谐振,结果在带宽和天线的接收效率方面有很大损失。
第二个问题就是发射天线的隔离。
发射电线和电话里面的调频天线是安置在一起的,尤其是在GSM850/900波段,发射器会产生严重的干扰。
有源天线的设计思想
很多公司都提出了相应的设计方案。
以莱尔德科技股分有限公司为例,他们研制了一种内置天线(ActivvTM),可用于接收FM调频信号。
其性能与使用有源设计思想的耳机连接线相似,这就是发射元件和前置放大器一起设计,并且整合在一起。
与传统的无源天线相比,这个方法有如下优点。
●并不要求天线的电阻必须是50Ω,因此避免了损失,也不需要会限制带宽的匹配元件。
●前置放大器的增益能够减少FM调频接收器产生的噪声,一般为6dB左右。
这相当于使用增益增大了6dB的无源天线。
●由于有源天线的增益大,送到FM调频接收器的信号电平更加合适。
这是因为标准的调频接收器中的自动增益控制(AGC)的动态范围有限。
要注意的一点是,增大增益并不能改善射频的信噪比SNR(因为噪声和信号都同样地放大了),但在转换成音频信号时,它的确大量地提高了信噪比。
●放大器不需要无条件稳定,对于给定的晶体管(它的隔离等效参数S12不等于零),只能利用电阻性负载把它稳定,而电阻性负载又会严重地降低增益并且增大天线的噪声。
与无源天线相比,有源天线的性能好得多,但这些优点是有代价的。
设计和测定特性的复杂程度都增大了(在下一节将谈到这点),最重要的是,要在没有电阻性负载的情况下做到稳定,线性度要好。
此外,有源元件需要静电保护,但又不能降低灵敏度。
有源天线的特性-G/T损失
有源天线不用增益、效率、返回损失这些普通的参数来描述它的特性。
例如,只要增大前置放大器的增益,或者在输出端再串联一级放大器,就可以随意增大它的增益。
因此,增益本身是没有意义的。
相反,有源天线的主要性能指标是按总输出噪声温度正则化后的总增益(天线和放大器的增益),即G/T损失(G/Tdegradation)。
在实际应用中,除了受天线特性的影响,有两个外来的因素会影响G/T损失的数值:
接收器的噪声指数和环境噪声温度Ta。
接收器的噪声指数会增大天线的输出噪声Tout(因而降低G/T),环境噪声温度也会增大输出噪声。
噪声电平升高表示有源器件和电阻器产生的噪声影响减少了。
除非是内置天线,其发射元件的增益很低,一般情况下,天线的实际温度支配着噪声温度。
而且,噪声背景强表示,在低噪声的理想情况下,可以降低对发射元件的要求,并不会明显地降低G/T。
这点可以定性地这样理解:
效率高的天线接收到的信号大于效率低的天线接收到的信号,但是它接收到的噪声也比较大。
因此,在天线输出端的信噪比并没有好一些。
第二点是接收器的噪声指数NFrec也增加了天线输出的噪声,但是只要放大器的增益相当大(即Gamp>NFrec),它的影响就很小,与无源天线相比,这就提高了系统的性能(从噪声背景方面讲)。
要注意的一点是,这两方面(也就是背景噪声和NFrec)的作用一般是分不开的。
例如,背景噪声温度高时,接收器的噪声指数起的作用就小,反过来也是这样。
一般地讲,我们不知道发射元件的效率和放大器的增益分别是多大(至少不能通过测量得到,但可以通过模拟或者模型分析得到这些数据)。
相反,G/T损失是直接通过测量天线的输出噪声总功率得到的,这时天线是放在一个特殊的环境中(例如在消声室中,Ta=T0),增益是用增益置换法借助一个增益已知的参照天线通过测量得到的。
但是要小心。
要通过标定把测量设备产生的噪声去掉,在测量时没有金属物体(同轴电缆线或者电源线)和它相连。
由于这个原因,莱尔德科技公司研制了一种代替电缆线的系统,它利用了光纤的原理,连同一个用电池供电的前置放大器,这些在一起可以妥善地测定小天线的电气特性(见图1)。
估计同轴电缆线引入的测量误差的设置如图2所示。
图2中,在单极天线从基板上伸出来的长度不同的情况下,用同轴电缆线和光纤系统测量了它们的增益。
可以看到,在长度为10mm左右(这是内置天线的实际长度)时,测量误差超过20dB。
图1使用光纤系统、没有使用电缆线的测量装置
图2在测量小天线时,金属电缆线引入的测量误差
最后,要注意人体对小天线在FM调频频带的增益的影响是正面的,尤其是使用者的身体与天线或者底板接触的情况下。
这是因为,在100MHz左右,人体是效率相当好的天线,半波长是1.5m左右。
图3给出了人体接触天线和没有接触天线时,接收天线的输出频谱。
很明显,用手接触天线时,G/T提高了10~15dB。
由于大多数使用者在听电话时和移动电话是靠得很近的,所以可以合理地假定,FM调频天线的实际性能优于它处在自由空间时的性能。
图3人体对增益和信噪比的影响
ActivvTM有源天线的性能
图4说明有源天线ActivvTM的设计思想。
发射元件是一匝的半环回路,发射元件的一端在底板的一侧接地,发射元件的另一端接到放大器上。
也可以用多匝发射元件,它能够提高发射元件的电阻。
不过在多数情况下,它起的作用不够大。
回路的电感和放大器输入端(栅极和源极之间)上并联的电容产生谐振,这样做除了提高增益外,还增大了天线的等效阻抗的电阻部分(它也提高了稳定性),从而增强了噪声的匹配。
前置放大器是共源极电路,使用现代的微波FET晶体管,减少了噪声。
整个放大器在3V时消耗的电流是3mA,它的增益相当大,线性度也相当好。
偏置点是靠直流反馈来稳定的,通过设计把偏置电路产生的噪声减少到几乎为零。
由于放大器的设计是配合天线进行的,放大器不需要无条件稳定(对于独立的放大器,要求是无条件稳定的)。
这是有源天线设计思想的巨大优点,因为在大多数情况下只有加上电阻负载才能做到无条件稳定的。
而电阻负载会严重地降低天线的增益,并且增大天线的噪声。
人们一般担心的是,天线的阻抗不是固定的常数,而是随着近场环境变化而变化。
不过在这种情况下,只有磁性材料(因为它是短路的环路)影响发射元件的输入阻抗,这是相当不寻常的。
图4使用半个回路发射元件的ActivvTM有源天线原理图
这也表明,天线不会因为附近的物体的影响而失去调谐。
天线在谐振频率的响应特性减少了GSM发射信号引起的串音,妥善设计发射元件也减少了这个串音。
天线的一端是短路的,在另一端并联一个电容器(从而产生谐振),交流信号由于这个电容器而与地短路,因此天线在GSM天线的E场为最大时对地短路,从而确保串音很低。
对GSM串音的灵敏度是这样测定的:
把一个参照双极天线(824~960MHz和1710~2170MHz)放在电话附近,并把它接到一个大功率CW发射器上。
测量信号的恶化情况,在824MHz(信号变差的最严重频率)时大约是+36dBm,远远高于GSM的最大输出功率。
图5所示为Nokia6125中的ActivvTM天线的G/T损失值和增益,是在闭路位置(最坏的情形)时的测量值相对增益而言,G/T是平坦的,这是因为放大器的噪声指数和失配程度的关系是非线性的。
于是在设计放大器时可以自由一些,可以在设计上提高有源天线的G/T带宽,而这点是无源天线做不到的。
ActivvTM有源天线可用于频率调谐(如果可以得到FM调频接收器的控制信号)。
将接收器在频带两端的信噪比几个dB(尤其是在需要覆盖整个76~108MHz的情况下),也提高了容忍频带内信号堵塞的程度。
不过这是属于选用的功能,不一定会得到很好的性能。
图5Nokia6125电话中的ActivvTM天线G/T损失和增益的测量结果
在发射时,发射元件起标准的无源天线作用,它用一个单刀单掷(SPST)通断控制进行连接(见图4)。
前置放大器处在Rx状态,仍然与天线连接(但是切断电源)。
用一个内阻为50Ω的信号源供给信号时,失配的半圈天线的增益测定值如图7所示。
宽带范围的平均增益(或者效率)达到-53~-49dB。
在开关和调频发射组件之间接入一个匹配网络,或者选择适当的功放输出阻抗,那么对输出功率的要求可以放宽很多。
图6Nokia6125电话中的ActivvTM有源天线的照片
图7Nokia6125电话半圈发射元件在发射(Tx)状态下的增益测定值
为什么可以用低增益的小型天线接收FM调频信号?
由现场测试可知,在接收FM调频信号时,ActivvTM有源天线的性能相当于耳机连接线型天线,虽然这两种天线的尺寸有很大差别。
考虑到有源天线的体积小,它的幅射电阻大约只有1mΩ,而寄生损失电阻至少有1Ω左右,增益在-30~-50dBi的范围内。
对于大多数RF工程师来讲,这样的增益是很难接受的。
但是有一个因素极大地放宽了接收FM调频信号时对增益的要求,即很高的环境噪声温度。
图8是一个消声室(为了得到保守的估计)在屏蔽装置拿走后的噪声电平。
大多数无线系统工作在频率高于1GHz的范围,环境噪声接近室温,增益为-10dBi,相当于信噪比降低了10dB,在FM频段内,在城市的大部分地区,由于人为噪声的影响,噪声电平高了大约20dB(对于调幅会更高)。
因此,与完美的双极电线相比,效率差的天线收到的信号较弱,噪声较小。
图9给出了增益不同(0、-20、-40dB)的三种天线不同噪声温度时的G/T值。
所有三种天线都接到噪声指数为6dB的接收器上。
对于增益为-40dB的实际天线(在室温下G/T值减少46dB),当情况相同时,在23.000K的典型温度下性能提高了19dB。
对于有源天线,通过压制接收器的噪声指数,可以把性能再提高6dB。
所以,从信噪比方面看,增益为-40dB的无源天线,只比完美的双极天线差27dB。
图8在城市中测量到的环境噪声。
图9无源天线在不同环境噪声温度下的G/T值
随着科技的不断进步,电子元件越来越集成化,极大刺激了便携式产品的功能多样和小型化。
FM收音机功能在便携式产品中的使用已经非常普遍,特别是在手机产品中基本上已经是一种标配。
通常来说,这类产品的FM天线大都是用耳塞的地线来做的。
人们在使用过程中有一个缺点,就是耳塞天线携带很不方便,由此很多人都不愿意携带,使FM收音的好处得不到充分发挥。
正是因为如此,把天线内置于产品内部必定成为未来的发展方向。
内置FM天线是技术难题
从技术上来讲,要把FM收音的天线内置化是有很大难度的。
耳塞一般长度1m多,正好大约符合了收音机频段的需求。
很短的天线即便通过加载的办法使之谐振,也会带来性能下降的缺点。
更别说便携产品因尺寸原因,能提供的有效长度极有限。
因此以下问题难以避免:
1、天线因有效长度太短、增益太小使收音机效果将会差到难以接受的程度;
2、加感谐振后,变成一种窄带谐振,其带宽也远远满足不了FM频段的需求。
图1长天线效果
图2加感天线效果
现在市面上已有的大多数FM内置天线产品采用的都是短线或者陶瓷天线直接替换原来的耳塞天线,而上述提到的问题没有得到很好解决,因此普遍存在以下不足:
1、系统接收灵敏度差、收台很少;
2、方向性很强,移动中接收不稳定;
3、易受人体影响;
4、有效带宽不够,导致不同的频点效果差距很大。
解决方案
针对现行方案的缺点,世强电讯公司推出了精心设计的高性能内置天线FM系统方案。
该方案应用了跟踪调谐、带宽拓宽技术等多个独特的信号处理办法,立足于一个很小体积小方块天线的基础上,将整体效果大大提高。
其方向性、人体手感效应、移动干扰、带内各频点性能平坦性等方面都有了非凡的表现。
几乎可以媲美耳塞天线的效果。
并且由于天线使用规则形状,相对市场上某些异型的导线天线方案,世强电讯方案对结构设计的要求难度大大降低,开发时间也大大降低。
其主要特点有:
1、采用跟踪调谐功能,针对短天线的带宽窄的现实,采用跟踪调谐,提高平坦度,可大大提高整体效果。
如表1
图3跟踪调谐效果图
2、在挑选适当天线的前提下,运用特殊处理,寻求调整以拓宽天线本身的带宽。
减小天线增益的损失。
3、良好的信号处理电路,大大提高系统的灵敏度。
4、多种系统设计技巧,改善人体干扰、方向性等问题。
5、使用规则的小体积天线,尺寸最小到23*4*2mm,利于设计和组装,成本低廉。
从理论分析以及测试的结果看,相对于市面现行方案,世强电讯方案有效灵敏度在大部分频点都有10~15dB的提高,能收到更多效果更好的电台。
从表2可以看到世强电讯方案的性能要远优于N公司和M公司相应手机效果,因此在业内备受好评。
据悉,此方案目前已经经过实际批量生产的验证,客户反响很好。
针对采用此方案的客户,世强电讯公司将提供相关电路图等资料,相关元器件设计意见以及全程跟进的技术支持服务。
使用FET2SK241(场效应管)制作FM接收高频放大器
使用FET(场效应管)高频放大期的设计-制作
高频……FM广播频带用小信号放大器应具备的特性
今以最常见到的可以将FM广播电波放大的高频放大器为例说明,使用于离广播电台的距离很远,所接收到的FM广播电波较弱,无法得到良好的立体广播接收效果等类似情况。
此时,如果利用高频放大器将天线所接收的信号放大後,再输入调谐器时,便可以得到良好的立体广播。
由於为FM广播,利用高频放大器放大,其目的是改善信号讯杂比。
假设FM广播带的频率为76M~90MHz(译者注:
我国FM广播频率范围是88MHz~108MHz),则高频放大器所需要的频带宽为90M-76M=14MHz。
可是,对於特定的地区而言,由於FM广播电台所发射的频率已经决定了,故实际电路并非需要100%完整含盖此一FM频带的宽度。
在这里,可以设定高频小信号放大器的输入电路与输出电路的频带宽为10MHz。
由天线所输入的信号很微弱,将此微弱信号放大的电路,也有将此电路称为前置放大器(Pre-Amp)的。
对於此一高频小信号放大器所要求的特性如下:
(1)只允许通过所需要的频带(Q:
选择性)
(2)功率增益要足够大(Gp:
功率增益)
(3)放大器本身所产生的杂讯很小(NF:
NoiseFigure)
(4)放大器的线性要宽广。
定下设计方向---低杂讯
表1所示的是本高频小信号放大器的设计要求,输入输出阻抗与同轴电缆线的特性阻抗匹配,定为50Ω。
电源电压
10V
输入阻抗
50Ω
输出阻抗
50Ω
中心频率
83MHz
功率增益
20dB(min)
杂讯指数(NF)
3dB(max)
最高工作温度
60℃
频带宽
输入回路,输出回路均设计频带宽为10MHz
如果所通过的频带为78M~88MHz,频带宽BW成为10MHz,则中心频率为83MHz。
放大器的功率增益Gp定为20dB(100倍)以上,在放大器内所产生的杂讯指数NF(NoiseFigure)为3dB以下。
以下说明可以满足表1规格的元件与电路方式的选择方法。
(选择能够满足此一规格条件的FET。
其功率增益为20dB,将信号放大为100倍)
图5FM调谐器用高频放大器的方块图
(针对各方块图的重点来展开电路的设计,例如,输入输出回路的重点是为取得所必要的频带宽,需要设计适当
的选择性,另外也要注意阻抗变换,放大部的目的是得到良好的信号放大)
图5所示的是高频小信号放大器的方块图,为了得到低杂讯,使用FET代替2SC型式的高频晶体管。
图6所示的是FET2SK241(东芝)的规格,此元件一般供FM调谐器所使用,功率增益Gp为28dB(typ),杂讯指数NF为1.7dB(typ)。
高频放大电路为了能得到稳定的放大作用,—般均采用栅极接地的方式,其目的是为了减少回授电容量Grss,但此一制作如图7所示,使用的却是源极接地放大电路,为什么呢?
2SK241一般用途:
FM调谐器用、VHF频带放大用管。
基本特点:
.杂讯指数小:
NF=1.7dB(标准)
.功率杂讯大:
Gp=28dB(标准)
.回授电容量小:
Grss=0.035pF(标准)
.使用电压范围:
5~15V
2SK241最大极限参数(Ta=25℃)
参数
符号
额定值
单位
漏极-源极间电压
VDS
20
V
栅极-源极间电压
VGS
±5
V
漏极电流
ID
30
mA
允许功耗
PD
200
mW
节温度
Tch
125
℃
存储温度
Tstg
-55~125
℃
2SK241一般电性能指标参数(Ta=25℃)
参数
符号
测试条件
最小值
标准值
最大值
单位
栅极漏电流
IGSS
VDS=0,VGS=±5V
-
-
±50
nA
栅极-源极间电压
VDSX
VGS=-4V,ID=100µA
20
-
-
V
漏极电流
IDSS(注)
VDS=10V,VGS=0
1.5
-
14
mA
栅极-源极间关断电压
VGS(OFF)
VDS=10V,ID=100µA
-
-
-2.5
V
顺向转移导纳
|Yfs|
VDS=10V,VGS=0,f=1KHz
-
10
-
mS
输入电容
Ciss
VDS=10V,VGS=0,f=1MHz
-
3.0
-
pF
回馈电容
Crss
-
0.035
0.050
pF
功率增益
Gps
VDS=10V,VGS=0,f=10MHz
-
28
-
dB
杂音指数
NF
-
1.7
3.0
dB
注:
IDSS分类O:
1.5~3.5Y:
3.0~7.0GR:
6.0~14.0
从2SK241的规格表可以查出Crss=0.035pF(typ),显然是一个很小的值。
一般的FET其Crss为数pF,与此相此非常小。
再观察2SK241的内部,如图8所示,它实际上是由源极接地电路的FET与栅极接地的两个FET串接而成,此称为串接(cascode)。
为了便于参考,将FET的各种应用电路方式列出如图9所示。
从这些参数可以看出:
2SK241的内部是由输入阻抗很高的源极接地电路与回授电容量很小的栅极接地电路组合而戍,非常适合做为高频放大的用。
图7FM调谐器用高频放大器电路图
L1:
0.8mm镀镍线,卷绕4圈内径11mm拉长至7mm。
抽头为由接地算起往上方1圈处。
L2:
0.8mm镀镍线,卷绕3.5圈内径9mm拉长至8mm。
(由於输入输出回路的谐振电路为空芯线圈,可以用手卷绕。
整个放大电路使用VHF放大,电路形式采用FET2SK241GR做源极接地。
)
图8串接型FET2SK241内部构造
(2SK24l的外观所看进去的为l个FET,但是,其实际的内部构造是由.2个FET串接而成)
图9FET放大电路的各种接地方式
型号
极性
PCM(W)
ICM(mA)
BU(CEO)V
fT(MHZ)
hFE
主要用途
9011
NPN
0.4
30
50
370
28~198
通用功率放大
9012
PNP
0.625
500
40
64~202
9013
NPN
0.625
500
40
64~202
9014
NPN
0.625
100
50
270
60~1000
9015
PNP
0.45
100
50
190
60~600
9016
NPN
0.4
25
30
620
28~198
低噪声放大管
9018
NPN
0.4
50
30
1100
28~198
低噪声高频放大管
8050
NPN
1
1.5A
25
190
85~300
通用功率放大管
8550
PNP
1
1.5A
25
200
60~300
通用功率放大管
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- 移动电话 中的 接收 发射 FM 信号 内置 天线