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(shi)MP3bofangqichuansongdaojiayongshouyinjihuozheqicheshouyinjishang，yidongdianhuahenkuaiyehuijubeizhegegongneng。suoyi，renmenbatianxiandegongnenghemiantierjidelianjiexianfenkai，zuihaobatianxianfangdaoyidongdianhualimian。

在整合方麵的問題
zaibatianxianjichengdianhualimianshihuichuxianlianggewenti。diyi
，youyuxiandaizhongduanshebeidechicunhenxiao，kongjianfeichangyouxian，keyijieshoubochanghuishoudaoxianzhi。ciwai
，yinshuadianlubanyibanzhishaoyouyiceng（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(zai)GSM850/900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FMtiaopinxinhao。qixingnengyushiyongyouyuanshejisixiangdeerjilianjiexianxiangsi

，zhejiushifasheyuanjianheqianzhifangdaqiyiqisheji，bingqiezhenghezaiyiqi。yuchuantongdewuyuantianxianxiangbi，zhegefangfayouruxiayoudian。
● 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），zengyishiyongzengyizhihuanfajiezhuyigezengyiyizhidecanzhaotianxiantongguoceliangdedaode。danshiyaoxiaoxin。yaotongguobiaodingbaceliangshebeichanshengdezaoshengqudiao，zaiceliangshimeiyoujinshuwuti（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deG/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