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（Activv^TM），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/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T_out（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NF_rec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G_amp>NF_rec），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NF_rec）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6 Nokia 6125电话中的ActivvTM有源天线的照片

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