如何应对便携设备中FM天线的设计挑战

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。