中心議題：

• 介紹有源天線的設計思想
• 分析可以用低增益的小型天線接收FM調頻信號的原因

解決方案：

• 把天線的功能和免提耳機的連接線分開，最好把天線放到移動電話裏麵
• 發射元件和前置放大器一起設計和整合
• 可以用低增益的小型天線接收FM調頻信號

這幾年來，多數移動電話中都使用了無線調頻（FM）信號接收組件。由於波長長（λ～3m）
，占調頻頻帶較大（帶寬是FM調頻頻帶76～108MHz的35%）
，免提耳機的連接線常被當作天線使用
，而電話的底板（也許還有使用者）則ze當dang作zuo地di線xian，於yu是shi在zai收shou聽ting時shi需xu要yao連lian接jie免mian提ti耳er機ji。這zhe種zhong做zuo法fa的de缺que點dian是shi不bu能neng使shi用yong藍lan牙ya免mian提ti耳er機ji，也ye不bu能neng使shi用yong音yin頻pin揚yang聲sheng器qi。最zui近jin
，在zai短duan距ju離li內nei傳chuan送song音yin頻pin信xin號hao的de技ji術shu開kai始shi興xing起qi，即ji把ba音yin頻pin信xin號hao從cong便bian攜xie式shiMP3播bo放fang器qi傳chuan送song到dao家jia用yong收shou音yin機ji或huo者zhe汽qi車che收shou音yin機ji上shang
，移yi動dong電dian話hua很hen快kuai也ye會hui具ju備bei這zhe個ge功gong能neng。所suo以yi，人ren們men把ba天tian線xian的de功gong能neng和he免mian提ti耳er機ji的de連lian接jie線xian分fen開kai，最zui好hao把ba天tian線xian放fang到dao移yi動dong電dian話hua裏li麵mian。

在整合方麵的問題
在(zai)把(ba)天(tian)線(xian)集(ji)成(cheng)電(dian)話(hua)裏(li)麵(mian)時(shi)會(hui)出(chu)現(xian)兩(liang)個(ge)問(wen)題(ti)。第(di)一(yi)，由(you)於(yu)現(xian)代(dai)終(zhong)端(duan)設(she)備(bei)的(de)尺(chi)寸(cun)很(hen)小(xiao)，空(kong)間(jian)非(fei)常(chang)有(you)限(xian)，可(ke)以(yi)接(jie)收(shou)波(bo)長(chang)會(hui)受(shou)到(dao)限(xian)製(zhi)。此(ci)外(wai)，印(yin)刷(shua)電(dian)路(lu)板(ban)一(yi)般(ban)至(zhi)少(shao)有(you)一(yi)層(ceng)（接地麵）是完全金屬化的，與地之間的最大高度在4～8mm的範圍（相當於不到0.003λ）。因yin此ci，任ren何he單dan極ji型xing天tian線xian的de長chang度du都dou要yao大da量liang地di縮suo短duan，以yi便bian產chan生sheng諧xie振zhen，結jie果guo在zai帶dai寬kuan和he天tian線xian的de接jie收shou效xiao率lv方fang麵mian有you很hen大da損sun失shi。第di二er個ge問wen題ti就jiu是shi發fa射she天tian線xian的de隔ge離li。發fa射she電dian線xian和he電dian話hua裏li麵mian的de調tiao頻pin天tian線xian是shi安an置zhi在zai一yi起qi的de
，尤you其qi是shi在zaiGSM850/900波段，發射器會產生嚴重的幹擾。

有源天線的設計思想
很多公司都提出了相應的設計方案。以萊爾德科技股分有限公司為例，他們研製了一種內置天線（ActivvTM）

，可用於接收FM調tiao頻pin信xin號hao。其qi性xing能neng與yu使shi用yong有you源yuan設she計ji思si想xiang的de耳er機ji連lian接jie線xian相xiang似si，這zhe就jiu是shi發fa射she元yuan件jian和he前qian置zhi放fang大da器qi一yi起qi設she計ji，並bing且qie整zheng合he在zai一yi起qi。與yu傳chuan統tong的de無wu源yuan天tian線xian相xiang比bi，這zhe個ge方fang法fa有you如ru下xia優you點dian。
● 並不要求天線的電阻必須是50Ω

，因此避免了損失，也不需要會限製帶寬的匹配元件。

● 前置放大器的增益能夠減少FM調頻接收器產生的噪聲

，一般為6dB左右。這相當於使用增益增大了6dB的無源天線。

● 由於有源天線的增益大，送到FM調頻接收器的信號電平更加合適。這是因為標準的調頻接收器中的自動增益控製（AGC）的動態範圍有限。要注意的一點是
，增大增益並不能改善射頻的信噪比SNR（因為噪聲和信號都同樣地放大了），但在轉換成音頻信號時，它的確大量地提高了信噪比。　

● 放大器不需要無條件穩定，對於給定的晶體管（它的隔離等效參數S12不等於零）
，隻能利用電阻性負載把它穩定，而電阻性負載又會嚴重地降低增益並且增大天線的噪聲。

與無源天線相比，有源天線的性能好得多，但這些優點是有代價的。設計和測定特性的複雜程度都增大了（在下一節將談到這點），最重要的是，要在沒有電阻性負載的情況下做到穩定，線性度要好。此外，有源元件需要靜電保護，但又不能降低靈敏度。

有源天線的特性－G/T損失
有源天線不用增益、效率、返(fan)回(hui)損(sun)失(shi)這(zhe)些(xie)普(pu)通(tong)的(de)參(can)數(shu)來(lai)描(miao)述(shu)它(ta)的(de)特(te)性(xing)。例(li)如(ru)
，隻(zhi)要(yao)增(zeng)大(da)前(qian)置(zhi)放(fang)大(da)器(qi)的(de)增(zeng)益(yi)，或(huo)者(zhe)在(zai)輸(shu)出(chu)端(duan)再(zai)串(chuan)聯(lian)一(yi)級(ji)放(fang)大(da)器(qi)，就(jiu)可(ke)以(yi)隨(sui)意(yi)增(zeng)大(da)它(ta)的(de)增(zeng)益(yi)。因(yin)此(ci)，增(zeng)益(yi)本(ben)身(shen)是(shi)沒(mei)有(you)意(yi)義(yi)的(de)。相(xiang)反(fan)，有(you)源(yuan)天(tian)線(xian)的(de)主(zhu)要(yao)性(xing)能(neng)指(zhi)標(biao)是(shi)按(an)總(zong)輸(shu)出(chu)噪(zao)聲(sheng)溫(wen)度(du)正(zheng)則(ze)化(hua)後(hou)的(de)總(zong)增(zeng)益(yi)（天線和放大器的增益），即G/T損失（G/T degradation）。

在實際應用中，除了受天線特性的影響，有兩個外來的因素會影響G/T損失的數值：接收器的噪聲指數和環境噪聲溫度Ta。接收器的噪聲指數會增大天線的輸出噪聲Tout（因而降低G/T），環境噪聲溫度也會增大輸出噪聲。

噪zao聲sheng電dian平ping升sheng高gao表biao示shi有you源yuan器qi件jian和he電dian阻zu器qi產chan生sheng的de噪zao聲sheng影ying響xiang減jian少shao了le。除chu非fei是shi內nei置zhi天tian線xian，其qi發fa射she元yuan件jian的de增zeng益yi很hen低di，一yi般ban情qing況kuang下xia，天tian線xian的de實shi際ji溫wen度du支zhi配pei著zhe噪zao聲sheng溫wen度du。而er且qie，噪zao聲sheng背bei景jing強qiang表biao示shi
，在zai低di噪zao聲sheng的de理li想xiang情qing況kuang下xia

，可ke以yi降jiang低di對dui發fa射she元yuan件jian的de要yao求qiu，並bing不bu會hui明ming顯xian地di降jiang低diG/T。這點可以定性地這樣理解：效xiao率lv高gao的de天tian線xian接jie收shou到dao的de信xin號hao大da於yu效xiao率lv低di的de天tian線xian接jie收shou到dao的de信xin號hao，但dan是shi它ta接jie收shou到dao的de噪zao聲sheng也ye比bi較jiao大da。因yin此ci，在zai天tian線xian輸shu出chu端duan的de信xin噪zao比bi並bing沒mei有you好hao一yi些xie。第di二er點dian是shi接jie收shou器qi的de噪zao聲sheng指zhi數shuNFrec也增加了天線輸出的噪聲，但是隻要放大器的增益相當大（即Gamp>NFrec）
，它的影響就很小，與無源天線相比


，這就提高了係統的性能（從噪聲背景方麵講）。要注意的一點是，這兩方麵（也就是背景噪聲和NFrec）的作用一般是分不開的。例如，背景噪聲溫度高時

，接收器的噪聲指數起的作用就小，反過來也是這樣。

一般地講，我們不知道發射元件的效率和放大器的增益分別是多大（至少不能通過測量得到
，但可以通過模擬或者模型分析得到這些數據）。相反，G/T損失是直接通過測量天線的輸出噪聲總功率得到的
，這時天線是放在一個特殊的環境中（例如在消聲室中
，Ta=T0）
，增zeng益yi是shi用yong增zeng益yi置zhi換huan法fa借jie助zhu一yi個ge增zeng益yi已yi知zhi的de參can照zhao天tian線xian通tong過guo測ce量liang得de到dao的de。但dan是shi要yao小xiao心xin。要yao通tong過guo標biao定ding把ba測ce量liang設she備bei產chan生sheng的de噪zao聲sheng去qu掉diao

，在zai測ce量liang時shi沒mei有you金jin屬shu物wu體ti（同軸電纜線或者電源線）和he它ta相xiang連lian。由you於yu這zhe個ge原yuan因yin，萊lai爾er德de科ke技ji公gong司si研yan製zhi了le一yi種zhong代dai替ti電dian纜lan線xian的de係xi統tong
，它ta利li用yong了le光guang纖xian的de原yuan理li，連lian同tong一yi個ge用yong電dian池chi供gong電dian的de前qian置zhi放fang大da器qi，這zhe些xie在zai一yi起qi可ke以yi妥tuo善shan地di測ce定ding小xiao天tian線xian的de電dian氣qi特te性xing（見圖１）。估計同軸電纜線引入的測量誤差的設置如圖2所示。圖2中，在單極天線從基板上伸出來的長度不同的情況下，用同軸電纜線和光纖係統測量了它們的增益。可以看到，在長度為10mm左右（這是內置天線的實際長度）時，測量誤差超過20dB。
 

圖1 使用光纖係統
、沒有使用電纜線的測量裝置
 

圖2 在測量小天線時
，金屬電纜線引入的測量誤差
最後，要注意人體對小天線在FM調頻頻帶的增益的影響是正麵的，尤其是使用者的身體與天線或者底板接觸的情況下。這是因為
，在100MHz左右，人體是效率相當好的天線
，半波長是1.5m左右。圖3給出了人體接觸天線和沒有接觸天線時
，接收天線的輸出頻譜。很明顯，用手接觸天線時，G/T提高了10～15dB。由於大多數使用者在聽電話時和移動電話是靠得很近的，所以可以合理地假定，FM調頻天線的實際性能優於它處在自由空間時的性能。
 

圖3 人體對增益和信噪比的影響

ActivvTM有源天線的性能
圖4說明有源天線ActivvTM的(de)設(she)計(ji)思(si)想(xiang)。發(fa)射(she)元(yuan)件(jian)是(shi)一(yi)匝(za)的(de)半(ban)環(huan)回(hui)路(lu)
，發(fa)射(she)元(yuan)件(jian)的(de)一(yi)端(duan)在(zai)底(di)板(ban)的(de)一(yi)側(ce)接(jie)地(di)
，發(fa)射(she)元(yuan)件(jian)的(de)另(ling)一(yi)端(duan)接(jie)到(dao)放(fang)大(da)器(qi)上(shang)。也(ye)可(ke)以(yi)用(yong)多(duo)匝(za)發(fa)射(she)元(yuan)件(jian)

，它(ta)能(neng)夠(gou)提(ti)高(gao)發(fa)射(she)元(yuan)件(jian)的(de)電(dian)阻(zu)。不(bu)過(guo)在(zai)多(duo)數(shu)情(qing)況(kuang)下(xia)，它(ta)起(qi)的(de)作(zuo)用(yong)不(bu)夠(gou)大(da)。回(hui)路(lu)的(de)電(dian)感(gan)和(he)放(fang)大(da)器(qi)輸(shu)入(ru)端(duan)（柵極和源極之間）上並聯的電容產生諧振，這樣做除了提高增益外
，還增大了天線的等效阻抗的電阻部分（它也提高了穩定性），從而增強了噪聲的匹配。前置放大器是共源極電路
，使用現代的微波FET晶體管，減少了噪聲。整個放大器在3V時消耗的電流是3mA
，它的增益相當大
，線性度也相當好。

偏pian置zhi點dian是shi靠kao直zhi流liu反fan饋kui來lai穩wen定ding的de
，通tong過guo設she計ji把ba偏pian置zhi電dian路lu產chan生sheng的de噪zao聲sheng減jian少shao到dao幾ji乎hu為wei零ling。由you於yu放fang大da器qi的de設she計ji是shi配pei合he天tian線xian進jin行xing的de，放fang大da器qi不bu需xu要yao無wu條tiao件jian穩wen定ding（對於獨立的放大器，要求是無條件穩定的）。這zhe是shi有you源yuan天tian線xian設she計ji思si想xiang的de巨ju大da優you點dian，因yin為wei在zai大da多duo數shu情qing況kuang下xia隻zhi有you加jia上shang電dian阻zu負fu載zai才cai能neng做zuo到dao無wu條tiao件jian穩wen定ding的de。而er電dian阻zu負fu載zai會hui嚴yan重zhong地di降jiang低di天tian線xian的de增zeng益yi，並bing且qie增zeng大da天tian線xian的de噪zao聲sheng。人ren們men一yi般ban擔dan心xin的de是shi
，天tian線xian的de阻zu抗kang不bu是shi固gu定ding的de常chang數shu
，而er是shi隨sui著zhe近jin場chang環huan境jing變bian化hua而er變bian化hua。不bu過guo在zai這zhe種zhong情qing況kuang下xia

，隻zhi有you磁ci性xing材cai料liao（因為它是短路的環路）影響發射元件的輸入阻抗
，這是相當不尋常的。
 

圖4 使用半個回路發射元件的ActivvTM有源天線原理圖
這也表明，天線不會因為附近的物體的影響而失去調諧。天線在諧振頻率的響應特性減少了GSM發射信號引起的串音
，妥善設計發射元件也減少了這個串音。天線的一端是短路的，在另一端並聯一個電容器（從而產生諧振）
，交流信號由於這個電容器而與地短路，因此天線在GSM天線的E場為最大時對地短路，從而確保串音很低。對GSM串音的靈敏度是這樣測定的：把一個參照雙極天線（824～960MHz和1710～2170MHz）放在電話附近
，並把它接到一個大功率CW發射器上。測量信號的惡化情況，在824MHz（信號變差的最嚴重頻率）時大約是+36dBm
，遠遠高於GSM的最大輸出功率。圖5所示為Nokia 6125中的ActivvTM天線的G/T損失值和增益
，是在閉路位置（最壞的情形）時的測量值相對增益而言，G/T是(shi)平(ping)坦(tan)的(de)

，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)放(fang)大(da)器(qi)的(de)噪(zao)聲(sheng)指(zhi)數(shu)和(he)失(shi)配(pei)程(cheng)度(du)的(de)關(guan)係(xi)是(shi)非(fei)線(xian)性(xing)的(de)。於(yu)是(shi)在(zai)設(she)計(ji)放(fang)大(da)器(qi)時(shi)可(ke)以(yi)自(zi)由(you)一(yi)些(xie)，可(ke)以(yi)在(zai)設(she)計(ji)上(shang)提(ti)高(gao)有(you)源(yuan)天(tian)線(xian)的(de)G/T帶寬
，而這點是無源天線做不到的。ActivvTM有源天線可用於頻率調諧（如果可以得到FM調頻接收器的控製信號）。將接收器在頻帶兩端的信噪比幾個dB（尤其是在需要覆蓋整個76～108MHz的情況下），也提高了容忍頻帶內信號堵塞的程度。不過這是屬於選用的功能
，不一定會得到很好的性能。
 

圖5 Nokia 6125電話中的ActivvTM天線G/T損失和增益的測量結果
在發射時
，發射元件起標準的無源天線作用
，它用一個單刀單擲（SPST）通斷控製進行連接（見圖4）。前置放大器處在Rx狀態，仍然與天線連接（但是切斷電源）。用一個內阻為50Ω的信號源供給信號時，失配的半圈天線的增益測定值如圖7所示。寬帶範圍的平均增益（或者效率）達到-53～-49dB。在開關和調頻發射組件之間接入一個匹配網絡，或者選擇適當的功放輸出阻抗，那麼對輸出功率的要求可以放寬很多。
 

圖6 Nokia 6125電話中的ActivvTM有源天線的照片
 

圖7 Nokia 6125電話半圈發射元件在發射（Tx）狀態下的增益測定值

為什麼可以用低增益的小型天線接收FM調頻信號
？
由現場測試可知，在接收FM調頻信號時
，ActivvTM有源天線的性能相當於耳機連接線型天線，雖然這兩種天線的尺寸有很大差別。考慮到有源天線的體積小，它的幅射電阻大約隻有1mΩ，而寄生損失電阻至少有1Ω左右，增益在-30～-50dBi的範圍內。對於大多數RF工程師來講，這樣的增益是很難接受的。但是有一個因素極大地放寬了接收FM調頻信號時對增益的要求，即很高的環境噪聲溫度。圖8是一個消聲室（為了得到保守的估計）在屏蔽裝置拿走後的噪聲電平。大多數無線係統工作在頻率高於1GHz的範圍，環境噪聲接近室溫，增益為-10dBi，相當於信噪比降低了10dB，在FM頻段內，在城市的大部分地區，由於人為噪聲的影響，噪聲電平高了大約20dB（對於調幅會更高）。因此，與完美的雙極電線相比
，效率差的天線收到的信號較弱
，噪聲較小。圖9給出了增益不同（0、-20、-40dB）的三種天線不同噪聲溫度時的G/T值。所有三種天線都接到噪聲指數為6dB的接收器上。對於增益為-40dB的實際天線（在室溫下G/T值減少46dB）
，當情況相同時，在23.000K的典型溫度下性能提高了19dB。對於有源天線，通過壓製接收器的噪聲指數，可以把性能再提高6dB。所以，從信噪比方麵看，增益為 -40dB的無源天線，隻比完美的雙極天線差27dB。
 

圖8 在城市中測量到的環境噪聲。
 

圖9 無源天線在不同環境噪聲溫度下的G/T值