满足便携式设备中FM天线的设计挑战

调频(FM)收音机在高传真音乐和语音广播中已经被采用好多年了，它能提供极佳的音质、信号稳定性和抗噪声能力。最近，FM收音机已开始出现在更多的移动和个人媒体播放器等市场应用中。然而，传统的FM设计方法必须使用很长的天线，例如有线的头戴式耳机，因而对于许多未具备有线耳机的用户造成限制。另外，随着无线使用模式在便携式设备中的不断普及，越来越多的用户也希望能使用其它FM天线的无线FM收音机，同时利用无线耳机或扬声器来听声音。

本文将介绍一种FM收音机接收器解决方案，它将天线集成或嵌入于便携式设备内部，使得耳机线成为一种可选用的配件。我们首先从最大化接收灵敏度着手，然后介绍实现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FM频宽效率。最后，本文还将提出可调谐匹配网络的建置方案。

最大化灵敏度

灵敏度可被定义为FM接收器系统可接收并能实现特定信噪比(SNR)的最小信号。这是FM接收系统性能的一项重要参数，它与信号和噪声都有关系。接收信号强度指示器(RSSI)只能在特定调谐频率时指出射频(RF)信号强度，并不提供有关噪声或信号质量的任何信息。在比较使用不同天线的接收器性能时，音频信噪比(SNR)或许是一项更好的参数。因此，想为聆听者带来更高质量的音频体验，使SNR最大化非常重要。

天线是连接RF电路与电磁波的桥梁。就FM接收而言，天线就是一种变换器，能将能量从电磁波转换成电子电路(如低噪声放大器；LNA)可用的电压。FM接收系统的灵敏度直接关系到内部LNA所接收的电压。为了最大化灵敏度，必须尽量提高这一电压。

市场上有各式各样的天线，包括头戴式耳机、金属短柱(stub)、回路和芯片型天线等，但所有的天线都可以用等效电路进行分析。图1显示出一种通用的等效天线电路模型：

图1：通用的天线等效电路模型。

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朴，其电抗值(电感或电容)与天线几何学有关。损耗电阻(Rloss)与天线中以热能形式散发的功耗有关。辐射阻抗(Rrad)则与电磁波产生的电压有关。为了便于说明，本文将分析回路天线模型，同样的计算也可适用于其它类型的天线，如短单极天线和耳机天线。

使谐振频率效率最大化

为了尽量提高天线的转换能量，我们使用了一个谐振网络来抵销天线的反作用阻抗，而这种阻抗可能使天线转换至内部LNA的电压值衰减。对于电感式回路天线来说，电容(Cres)可用以使天线在所需的频率时产生谐振：

谐振频率(ƒres)是指天线可使电磁波转换成电压的最高效率时所使用的频率。天线效率是Rrad的功率与天线总功率的比值，以Rrad/Zant表示，其中Zant是具有天线谐振网络的天线阻抗。Zant可表示为：

当天线处于谐振状态时，效率η可以表示为：

在其它频率时的效率为：

除了谐振频率以外的天线效率η低于最大效率ηres，因为此时的天线输入阻抗Zant如果不是电容式的，就是电感式的。

最大化天线尺寸

为了恢复所传输的射频信号，天线必须从电磁波中尽可能地收集到最多的能量，并有效率地将电磁波能量转换成电压。所收集到的能量受制于便携式设备中的天线可用空间和大小。对于传统的耳机天线来说，它的长度可达到FM信号的四分之一波长，就能够收集到足够的能量并转换成内部LNA的可用电压。在此情况下，最大化天线的效率就不那么重要了。

不过，由于便携式设备正变得更小更薄，能用于嵌入式FM天线的空间已变得非常有限。虽然已尽量增加天线尺寸，但嵌入式天线收集到的能量仍非常小。因此，在使用较小天线的情况下，还必须兼顾不至于牺牲性能，提高天线效率η就变得更为重要。