在移动电话中的接收和发射FM信号的内置天线

来源:米乐直播安卓版   更新时间:2024-07-05 15:23:13点击次数:589次
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

  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可以使用蓝牙免提耳机,也不可以使用音频扬声器。最近,在短距离内传送音频

  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。

  很多公司都提出了相应的设计的具体方案。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,这样的解决方法有如下优点。

  ● 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,增益本身是毫无意义的。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/T degradation)。

  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,正常的情况下,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,能够更好的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GampNFrec),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(至少不能经过测量得到,但能够最终靠模拟或者模型分析得到这一些数据)。相反,G/T损失是直接经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经过测量得到的。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)。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。能够正常的看到,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、没用电缆线 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dB。由于大多数使用者在听电话时和移动电话是靠得很近的,所以能合理地假定,FM调频天线的实际性能优于它处在自由空间时的性能。

  ActivvTM有源天线说明有源天线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,它可提升发射元件的电阻。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。不过在这样的一种情况下,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。

  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(由此产生谐振),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MHz)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,远高于GSM的最大输出功率。图5所示为Nokia 6125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,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能自由一些,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(若能得到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。

  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(但是断电)。用一个内阻为50Ω的信号源供给信号时,失配的半圈天线所示。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。

  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GHz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dB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 在城市中测量到的环境噪声。

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