- 易迪拓培训,专注于微波、射频、天线设计工程师的培养
在移动电话中的接收和发射FM信号的内置天线
录入：edatop.com 点击：
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,芈返牡绺泻头糯笃魇淙攵耍ㄕぜ和源极之间）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,芈返牡绺泻头糯笃魇淙攵耍ㄕぜ和源极之间）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，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5 Nokia 6125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7 Nokia 6125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
来源：
