卓越天线放大器的天线设计

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汽车无线电天线正在成为汽车设计中的标配要素。爱特梅尔的天线放大器芯片专门应对这一富挑战性的小型和微型天线设计趋势，同时保持汽车无线电的接收效果。
　　现代汽车天线的发展前景向人们提出了一些更难应对的技术要求和约束条件。其中，最重要也是最富挑战性的要求是缩小天线的尺寸；其次是连接电缆长 (尤其是在SUV (Sport Utility Vehicle) 运动型休旅车型中)。其它的要求还包括多天线设计，以及面向不同天线类型 (安装在档风玻璃、车顶或前保险杠上的天线) 的多样化设计问题。
　　
天线的物理知识
　　传统的AM/FM频率范围已扩展，AM广播目前已延展到30 MHz，以使汽车无线电能够接收DRM (世界数字广播) 信号。而FM广播的频率范围则起始于78 MHz的日本频带，终止于最大频率为240 MHz 的band III，使用该频带可在欧洲接收DAB信号。

  
　　由于AM广播采用垂直极化的电波来发送信号，因此汽车天线也应按垂直方向极化。在FM广播中，发射信号大多数按水平方向极化；这与AM的接收要求似乎有冲突。
　　好在汽车的金属车体能改变电磁场，因而对FM广播也可使用AM广播所要求的垂直天线。图1所示为车体对电磁场的影响；可以看出车体水平面处(例如：车顶或后备箱)只存在垂直方向的电磁场分量。水平分量向垂直方向弯曲了。
　　此外，车窗形成的开口导致车体金属表面不连续，使场强增大。而这种不连续的表面结构决定了汽车天线最合适的安装位置。车顶中间通常不是安装天线的最佳位置。
　　由于车体物理构造对电磁场有加强效应，采用小型偶极天线 (天线形式中的一种) 对接收AM和FM广播是可行的。
　　出于设计方面的考虑，现在的车顶天线长度都比信号波长短很多。这样，天线阻抗就非常小，并有较大的容抗分量。如果将这样的天线接到电缆上，那么，即使采用的是专用的低容抗 (如20 ?C 30 pF/米) 电缆，最终的电缆容抗也会轻易达到150 pF。在这种情况下，电缆容抗就扮演了电容分压器的角色，从而降低汽车无线电调谐器输入端处的有效信号强度。
　　在这种情况下，最好加一个天线放大器，尤其是在天线和电缆间加一个针对AM信号的隔离放大器。爱特梅尔的单片集成天线放大器ATR4251在AM频带下有很低的输入容抗 (2.45 pF)，其AM隔离放大器输出端的阻抗也非常低 (5欧姆)，因而有利于驱动电缆容抗。较之于直接与电缆连接的无源天线，带AM隔离放大器的方案可使增益提高35 dB。当然，具体提升量取决于天线和电缆阻抗。
　　由于距发射站的距离不同，以及多路径干扰引起的屏蔽效应，接收环境的差异可能会很大。天线LNA (低噪声放大器) 必须调配到能接收完整的AM或FM广播，必须具有优良的大信号表现，二阶交调截取点 (IP2) 和三阶交调截取点 (IP3) 非常高。
　　此外，对非常大的信号，必须要有自动增益控制 (AGC) 来抑制信号峰值，并在汽车无线电调谐器输入端维持恒定的最大电平。另一方面，天线放大器还必须具有很好的小信号性能参数，尤其噪声指数和稳定性因子 (k)。
　　
ATR4251的基本原理
　　ATR4251是单片集成的AM/FM天线匹配放大器电路。由于工作频率以及频带要求不同，对AM和FM频带可以分别使用两个独立的放大器。这样，可以分别使用独立的天线，但是两个放大器也可以连接到单个天线上 (如车顶天线)。
　　为避免在大信号情况下出现激励过度，两个放大器都配有自动增益控制电路 (AGC)。两个独立的AGC电路，门限可分别调节，可防止AM强信号阻塞微弱的FM电台，反之亦然。ATR4251还集成 了电平检测器，以使放大器具有高线性和出色的大信号特性 (FM输入交调截取点为142 dBμV，AM为146 dBμV)。(见图2：ATR4251的功能框图)。

  
　　汽车无线电的AM调谐器在输入端一般使用PIN 二极管衰减器。这些PIN二极管衰减器通过降低调谐器的输入阻抗，从而减小来自天线的信号。对于标准应用，ATR4251的AM放大器输出端还串接了一个约33欧姆的电阻。该串接电阻一方面用于确保无线电调谐器有确定源阻抗；另一方面用于保护AM天线放大器的输出级，防止汽车无线电中的PIN二极管衰减器造成短路。
　　FM放大器的NPN晶体管的所有管脚都可从外面按客户要求进行优化配接。对低成本应用，可采用共发射极接法；这种接法材料成本合理，性能也不错。对高端应用，可采用带无损变压器反馈的共基极接法；这种接法的交调截点 (OIP3)高，达148 dBμV，具有低噪声系数 (2.8 dB)，而且电流消耗合理。在两种接法下，放大器的增益、输入和输出阻抗都可通过改变外接部件来调节。
　　ATR4251芯片还分别针对AM和FM频带配备了两个独立的AGC电路，防止天线放大器在非常强的天线信号下出现过度激励。放大器输出接了一个分压器 (在AM电路中为电阻性的，在FM中为电容性的)。分出的信号施加在对应的AGC电平检测器上 (该检测器经专门优化失真很小)。整流后的信号与内部参考电平相比较。对于具体的应用，AGC的阈值可通过改变外接分压器的分压比来轻易调节。当信号达到阈值，AGC输出打开一个外接晶体管；该晶体管控制PIN二极管电流，从而降低放大器输入信号的电平。
　　内置的带隙电压基准电路可维持整体技术参数不随温度和工作电压变化而变化，即使扩展到汽车级温度范围-40到+115℃。之所以要考虑这么高的上限温度是因为天线放大器会安装在车顶。
　　
总结和展望
　　爱特梅尔针对AM、FM、DRM以及HD无线电提供高集成度的天线放大器。用这种天线放大器能实现出色的接收性能。爱特梅尔的天线放大器动态范围大，因而收音清晰，甚至在汽车行驶时天线处于信号强度快速变化的极端困难情况下也不会失真。这种长电缆、小尺寸的时髦天线会造成信号损失，而这种损耗可通过阻抗匹配的放大器来补偿。
　　爱特梅尔已计划推出ATR4251的提升版，进一步提高性能和降低应用的部件成本。
　　爱特梅尔在设计无线广播解决方案领域已有30年经验，例如AM/FM前端器件或有源天线方案， 其中一个重要领域是汽车无线电。爱特梅尔拥有精深的无线电技术秘诀，符合行业标准 (ISO 9001和TS 16949)，因而能满足汽车市场的特定质量和性能要求。爱特梅尔提供天线放大器和调谐器前端的完整解决方案，并有各种开发工具 (包括软件和专门的参考设计) 以支持设计的实现。