便携设备中FM天线的设计

　调频（FM）收音机在高保真音乐和语音广播中已经被采用好多年了，它能提供极好的声音质量、信号鲁棒性和抗噪声能力。最近，FM收音机开始越来越多地用于移动和个人媒体播放器中。然而，传统FM设计方法需要很长的天线，例如有线耳机，从而限制了许多没带有线耳机的用户。另外，随着无线使用模型在便携式设备中的不断普及，更多用户可以从使用其他类型FM天线的无线FM收音机中受益，且同时可利用无线耳机或扬声器来听声音。

　　本文将介绍一种FM收音机接收机解决方案，它将天线集成或嵌入在便携式设备内部，使得耳机线成为可选件。我们首先从最大化接收灵敏度讲起，然后介绍取得最大化灵敏度的方法，包括最大化谐振频率的效率，最大化天线尺寸，以及利用可调谐匹配网络最大化整个调频带宽上的效率。最后，本文还将给出可调谐匹配网络的实现方法。

　　最大化灵敏度

　　灵敏度可以被定义为调频接收系统可以接收到的、同时能达到一定程度信噪比（SNR）的最小信号。这是调频接收系统性能的一个重要参数，它与信号和噪声都有关系。接收信号强度指示器（RSSI）只是指出了特定调谐频率点的射频信号强度，它并不提供有关噪声或信号质量的任何信息。在比较不同天线下接收机性能时，音频信噪比（SNR）也许是一个更好的参数。因此，想为聆听者带来高质量的音频体验，使SNR最大化非常重要。

　　天线是连接射频电路与电磁波的桥梁。就调频接收而言，天线就是一个变换器，即将能量从电磁波转换成电子电路（如低噪声放大器（LNA））可以使用的电压。调频接收系统的灵敏度直接与内部LNA接收的电压相关。为了最大化灵敏度，必须尽量提高这个电压。

　　市场上有各种各样的天线，包括耳机、短鞭、环路和芯片型天线等，但所有天线都可以用等效电路进行分析。图1给出了一种通用的等效天线电路模型：

　　在图1中，X可以是一个电容或一个电感。 X的选择取决于天线拓扑，其电抭（感抗或容抗）值与天线几何形状有关。损耗电阻Rloss与天线中以热能形式散发的功耗有关。幅射电阻Rrad与从电磁波产生的电压有关。为了便于说明，后文将以环路天线模型作为分析对象，同样的计算也可以用于其他类型的天线，如短的单极天线和耳机天线。

　　图1：天线等效电路模型。

　　使谐振频率点的效率最大化

　　为了尽量提高天线转换出来的能量，可以使用一个谐振网络来抵消天线的电抗性阻抗，而这种阻抗会衰减天线传导到内部LNA的电压值。对电感性环路天线来说，电容Cres用来使天线在想要的频率点发生谐振：

　　谐振频率是指天线将电磁波转换成电压的效率最高的频率点。天线效率是Rrad上的功率与天线收到的总功率的比值，可以表示为Rrad/Zant，其中Zant是带天线谐振网络的天线阻抗。Zant表示为：

　　当天线处于谐振状态时，效率η可以表示为：

　　在其他频率点时效率为：

　　非谐振频率点的天线效率η要低于最大效率ηres，因为此时的天线输入阻抗Zant要么是容性的，要么是感性的。

　　最大化天线尺寸

　　为了恢复所传输的射频信号，天线必须从电磁波里收集到尽可能多的能量，并高效地将电磁波能量转换成通过Rrad的电压。收集到的能量多少受制于便携式设备所使用天线的可用空间和大小。对于传统的耳机天线来说，它的长度可达到调频信号的四分之一波长，能收集到足够的能量并转换成内部LNA可用的电压。在这种情况下，最大化天线效率就不那么重要。

　　不过，由于便携式设备正变得更小更薄，留给嵌入式调频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。因此在既不牺牲性能、又要使用较小的天线的情况下，提高天线效率η就变得非常重要。

　利用可调匹配网络，使调频频段上的效率最大化

　　大多数国家的调频广播频段的频率范围是 87.5MHz到108.0MHz。日本的调频广播频段是76MHz到90MHz。在一些东欧国家，调频广播频段是65.8MHz到74MHz。为了适应全球所有的调频频段，调频接收系统需要有40MHz的带宽。传统解决方案通常是将天线调谐在调频频段的中心频率。然而就如上述公式表明的那样，天线系统的效率是频率的函数。效率在谐振点达到最大值，当频率偏离谐振频率时，效率将下降。值得注意的是，由于全球调频频段的带宽达40MHz，当频率远离谐振频率点时天线效率将有显著下降。

　　例如，设定一个固定谐振频率98MHz，那么在该频率点可取得很高的效率，但其他频率点的效率将有显著下降，从而劣化了远离谐振频率点时的调频性能。

　　图2给出了固定谐振频率在频段中心（98MHz）时两种天线（耳机天线和短天线）的效率曲线。

图2：调频频段内的典型固定谐振天线