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調(diào)頻(FM)收音機(jī)在高保真音樂(lè)和語(yǔ)音廣播中已經(jīng)被采用好多年了，它能提供極好的聲音質(zhì)量、信號(hào)魯棒性和抗噪聲能力。最近，F(xiàn)M收音機(jī)開(kāi)始越來(lái)越多地用于移動(dòng)和個(gè)人媒體播放器中。然而，傳統(tǒng)FM設(shè)計(jì)方法需要很長(zhǎng)的天線，例如有線耳機(jī)，從而限制了許多沒(méi)帶有線耳機(jī)的用戶。另外，隨著無(wú)線使用模型在便攜式設(shè)備中的不斷普及，更多用戶可以從使用其他類(lèi)型FM天線的無(wú)線FM收音機(jī)中受益，且同時(shí)可利用無(wú)線耳機(jī)或揚(yáng)聲器來(lái)聽(tīng)聲音。
本文將介紹一種FM收音機(jī)接收機(jī)解決方案，它將天線集成或嵌入在便攜式設(shè)備內(nèi)部，使得耳機(jī)線成為可選件。我們首先從最大化接收靈敏度講起，然后介紹取得最大化靈敏度的方法，包括最大化諧振頻率的效率，最大化天線尺寸，以及利用可調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)最大化整個(gè)調(diào)頻帶寬上的效率。最后，本文還將給出可調(diào)諧匹配網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)方法。
最大化靈敏度
靈敏度可以被定義為調(diào)頻接收系統(tǒng)可以接收到的、同時(shí)能達(dá)到一定程度信噪比(SNR)的最小信號(hào)。這是調(diào)頻接收系統(tǒng)性能的一個(gè)重要參數(shù)，它與信號(hào)和噪聲都有關(guān)系。接收信號(hào)強(qiáng)度指示器(RSSI)只是指出了特定調(diào)諧頻率點(diǎn)的射頻信號(hào)強(qiáng)度，它并不提供有關(guān)噪聲或信號(hào)質(zhì)量的任何信息。在比較不同天線下接收機(jī)性能時(shí)，音頻信噪比(SNR)也許是一個(gè)更好的參數(shù)。因此，想為聆聽(tīng)者帶來(lái)高質(zhì)量的音頻體驗(yàn)，使SNR最大化非常重要。
天線是連接射頻電路與電磁波的橋梁。就調(diào)頻接收而言，天線就是一個(gè)變換器，即將能量從電磁波轉(zhuǎn)換成電子電路(如低噪聲放大器(LNA))可以使用的電壓。調(diào)頻接收系統(tǒng)的靈敏度直接與內(nèi)部LNA接收的電壓相關(guān)。為了最大化靈敏度，必須盡量提高這個(gè)電壓。
市場(chǎng)上有各種各樣的天線，包括耳機(jī)、短鞭、環(huán)路和芯片型天線等，但所有天線都可以用等效電路進(jìn)行分析。圖1給出了一種通用的等效天線電路模型：
在圖1中，X可以是一個(gè)電容或一個(gè)電感。X的選擇取決于天線拓?fù)�，其電抭(感抗或容抗)值與天線幾何形狀有關(guān)。損耗電阻Rloss與天線中以熱能形式散發(fā)的功耗有關(guān)。幅射電阻Rrad與從電磁波產(chǎn)生的電壓有關(guān)。為了便于說(shuō)明，后文將以環(huán)路天線模型作為分析對(duì)象，同樣的計(jì)算也可以用于其他類(lèi)型的天線，如短的單極天線和耳機(jī)天線。
圖1：天線等效電路模型。
使諧振頻率點(diǎn)的效率最大化
為了盡量提高天線轉(zhuǎn)換出來(lái)的能量，可以使用一個(gè)諧振網(wǎng)絡(luò)來(lái)抵消天線的電抗性阻抗，而這種阻抗會(huì)衰減天線傳導(dǎo)到內(nèi)部LNA的電壓值。對(duì)電感性環(huán)路天線來(lái)說(shuō)，電容Cres用來(lái)使天線在想要的頻率點(diǎn)發(fā)生諧振：
諧振頻率是指天線將電磁波轉(zhuǎn)換成電壓的效率最高的頻率點(diǎn)。天線效率是Rrad上的功率與天線收到的總功率的比值，可以表示為Rrad/Zant，其中Zant是帶天線諧振網(wǎng)絡(luò)的天線阻抗。Zant表示為：
當(dāng)天線處于諧振狀態(tài)時(shí)，效率η可以表示為：
在其他頻率點(diǎn)時(shí)效率為：
非諧振頻率點(diǎn)的天線效率η要低于最大效率ηres，因?yàn)榇藭r(shí)的天線輸入阻抗Zant要么是容性的，要么是感性的。
最大化天線尺寸
為了恢復(fù)所傳輸?shù)纳漕l信號(hào)，天線必須從電磁波里收集到盡可能多的能量，并高效地將電磁波能量轉(zhuǎn)換成通過(guò)Rrad的電壓。收集到的能量多少受制于便攜式設(shè)備所使用天線的可用空間和大小。對(duì)于傳統(tǒng)的耳機(jī)天線來(lái)說(shuō)，它的長(zhǎng)度可達(dá)到調(diào)頻信號(hào)的四分之一波長(zhǎng)，能收集到足夠的能量并轉(zhuǎn)換成內(nèi)部LNA可用的電壓。在這種情況下，最大化天線效率就不那么重要。
不過(guò)，由于便攜式設(shè)備正變得更小更薄，留給嵌入式調(diào)頻天線的空間已變得非常有限。雖然已盡量增加天線尺寸，但嵌入式天線收集到的能量仍非常小。因此在既不犧牲性能、又要使用較小的天線的情況下，提高天線效率η就變得非常重要。
利用可調(diào)匹配網(wǎng)絡(luò)，使調(diào)頻頻段上的效率最大化
大多數(shù)國(guó)家的調(diào)頻廣播頻段的頻率范圍是87.5MHz到108.0MHz。日本的調(diào)頻廣播頻段是76MHz到90MHz。在一些東歐國(guó)家，調(diào)頻廣播頻段是65.8MHz到74MHz。為了適應(yīng)全球所有的調(diào)頻頻段，調(diào)頻接收系統(tǒng)需要有40MHz的帶寬。傳統(tǒng)解決方案通常是將天線調(diào)諧在調(diào)頻頻段的中心頻率。然而就如上述公式表明的那樣，天線系統(tǒng)的效率是頻率的函數(shù)。效率在諧振點(diǎn)達(dá)到最大值，當(dāng)頻率偏離諧振頻率時(shí)，效率將下降。值得注意的是，由于全球調(diào)頻頻段的帶寬達(dá)40MHz，當(dāng)頻率遠(yuǎn)離諧振頻率點(diǎn)時(shí)天線效率將有顯著下降。
例如，設(shè)定一個(gè)固定諧振頻率98MHz，那么在該頻率點(diǎn)可取得很高的效率，但其他頻率點(diǎn)的效率將有顯著下降，從而劣化了遠(yuǎn)離諧振頻率點(diǎn)時(shí)的調(diào)頻性能。
圖2給出了固定諧振頻率在頻段中心(98MHz)時(shí)兩種天線(耳機(jī)天線和短天線)的效率曲線。
圖2：調(diào)頻頻段內(nèi)的典型固定諧振天線性能。
