天線(xiàn)的物理知識(shí)

傳統(tǒng)的AM/FM頻率范圍已擴(kuò)展，AM廣播目前已延展到30 MHz，以使汽車(chē)無(wú)線(xiàn)電能夠接收DRM (世界數(shù)字廣播) 信號(hào)。而FM廣播的頻率范圍則起始于78 MHz的日本頻帶，終止于最大頻率為240 MHz 的band III，使用該頻帶可在歐洲接收DAB信號(hào)。

由于AM廣播采用垂直極化的電波來(lái)發(fā)送信號(hào)，因此汽車(chē)天線(xiàn)也應(yīng)按垂直方向極化。在FM廣播中，發(fā)射信號(hào)大多數(shù)按水平方向極化；這與AM的接收要求似乎有沖突。

好在汽車(chē)的金屬車(chē)體能改變電磁場(chǎng)，因而對(duì)FM廣播也可使用AM廣播所要求的垂直天線(xiàn)。圖1所示為車(chē)體對(duì)電磁場(chǎng)的影響；可以看出車(chē)體水平面處(例如：車(chē)頂或后備箱)只存在垂直方向的電磁場(chǎng)分量。水平分量向垂直方向彎曲了。



此外，車(chē)窗形成的開(kāi)口導(dǎo)致車(chē)體金屬表面不連續(xù)，使場(chǎng)強(qiáng)增大。而這種不連續(xù)的表面結(jié)構(gòu)決定了汽車(chē)天線(xiàn)最合適的安裝位置。車(chē)頂中間通常不是安裝天線(xiàn)的最佳位置。

由于車(chē)體物理構(gòu)造對(duì)電磁場(chǎng)有加強(qiáng)效應(yīng)，采用小型偶極天線(xiàn) (天線(xiàn)形式中的一種) 對(duì)接收AM和FM廣播是可行的。

出于設(shè)計(jì)方面的考慮，現(xiàn)在的車(chē)頂天線(xiàn)長(zhǎng)度都比信號(hào)波長(zhǎng)短很多。這樣，天線(xiàn)阻抗就非常小，并有較大的容抗分量。如果將這樣的天線(xiàn)接到電纜上，那么，即使采用的是專(zhuān)用的低容抗 (如20 ?C 30 pF/米) 電纜，最終的電纜容抗也會(huì)輕易達(dá)到150 pF。在這種情況下，電纜容抗就扮演了電容分壓器的角色，從而降低汽車(chē)無(wú)線(xiàn)電調(diào)諧器輸入端處的有效信號(hào)強(qiáng)度。

在這種情況下，最好加一個(gè)天線(xiàn)放大器，尤其是在天線(xiàn)和電纜間加一個(gè)針對(duì)AM信號(hào)的隔離放大器。愛(ài)特梅爾的單片集成天線(xiàn)放大器ATR4251在AM頻帶下有很低的輸入容抗 (2.45 pF)，其AM隔離放大器輸出端的阻抗也非常低 (5歐姆)，因而有利于驅(qū)動(dòng)電纜容抗。較之于直接與電纜連接的無(wú)源天線(xiàn)，帶AM隔離放大器的方案可使增益提高35 dB。當(dāng)然，具體提升量取決于天線(xiàn)和電纜阻抗。

由于距發(fā)射站的距離不同，以及多路徑干擾引起的屏蔽效應(yīng)，接收環(huán)境的差異可能會(huì)很大。天線(xiàn)LNA (低噪聲放大器) 必須調(diào)配到能接收完整的AM或FM廣播，必須具有優(yōu)良的大信號(hào)表現(xiàn)，二階交調(diào)截取點(diǎn) (IP2) 和三階交調(diào)截取點(diǎn) (IP3) 非常高。

此外，對(duì)非常大的信號(hào)，必須要有自動(dòng)增益控制 (AGC) 來(lái)抑制信號(hào)峰值，并在汽車(chē)無(wú)線(xiàn)電調(diào)諧器輸入端維持恒定的最大電平。另一方面，天線(xiàn)放大器還必須具有很好的小信號(hào)性能參數(shù)，尤其噪聲指數(shù)和穩(wěn)定性因子 (k)。

ATR4251的基本原理

ATR4251是單片集成的AM/FM天線(xiàn)匹配放大器電路。由于工作頻率以及頻帶要求不同，對(duì)AM和FM頻帶可以分別使用兩個(gè)獨(dú)立的放大器。這樣，可以分別使用獨(dú)立的天線(xiàn)，但是兩個(gè)放大器也可以連接到單個(gè)天線(xiàn)上 (如車(chē)頂天線(xiàn))。

為避免在大信號(hào)情況下出現(xiàn)激勵(lì)過(guò)度，兩個(gè)放大器都配有自動(dòng)增益控制電路 (AGC)。兩個(gè)獨(dú)立的AGC電路，門(mén)限可分別調(diào)節(jié)，可防止AM強(qiáng)信號(hào)阻塞微弱的FM電臺(tái)，反之亦然。ATR4251還集成了電平檢測(cè)器，以使放大器具有高線(xiàn)性和出色的大信號(hào)特性 (FM輸入交調(diào)截取點(diǎn)為142 dBμV，AM為146 dBμV)。(見(jiàn)圖2：ATR4251的功能框圖)。



汽車(chē)無(wú)線(xiàn)電的AM調(diào)諧器在輸入端一般使用PIN 二極管衰減器。這些PIN二極管衰減器通過(guò)降低調(diào)諧器的輸入阻抗，從而減小來(lái)自天線(xiàn)的信號(hào)。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用，ATR4251的AM放大器輸出端還串接了一個(gè)約33歐姆的電阻。該串接電阻一方面用于確保無(wú)線(xiàn)電調(diào)諧器有確定源阻抗；另一方面用于保護(hù)AM天線(xiàn)放大器的輸出級(jí)，防止汽車(chē)無(wú)線(xiàn)電中的PIN二極管衰減器造成短路。

FM放大器的NPN晶體管的所有管腳都可從外面按客戶(hù)要求進(jìn)行優(yōu)化配接。對(duì)低成本應(yīng)用，可采用共發(fā)射極接法；這種接法材料成本合理，性能也不錯(cuò)。對(duì)高端應(yīng)用，可采用帶無(wú)損變壓器反饋的共基極接法；這種接法的交調(diào)截點(diǎn) (OIP3)高，達(dá)148 dBμV，具有低噪聲系數(shù) (2.8 dB)，而且電流消耗合理。在兩種接法下，放大器的增益、輸入和輸出阻抗都可通過(guò)改變外接部件來(lái)調(diào)節(jié)。

ATR4251芯片還分別針對(duì)AM和FM頻帶配備了兩個(gè)獨(dú)立的AGC電路，防止天線(xiàn)放大器在非常強(qiáng)的天線(xiàn)信號(hào)下出現(xiàn)過(guò)度激勵(lì)。放大器輸出接了一個(gè)分壓器 (在AM電路中為電阻性的，在FM中為電容性的)。分出的信號(hào)施加在對(duì)應(yīng)的AGC電平檢測(cè)器上 (該檢測(cè)器經(jīng)專(zhuān)門(mén)優(yōu)化失真很小)。整流后的信號(hào)與內(nèi)部參考電平相比較。對(duì)于具體的應(yīng)用，AGC的閾值可通過(guò)改變外接分壓器的分壓比來(lái)輕易調(diào)節(jié)。當(dāng)信號(hào)達(dá)到閾值，AGC輸出打開(kāi)一個(gè)外接晶體管；該晶體管控制PIN二極管電流，從而降低放大器輸入信號(hào)的電平。

內(nèi)置的帶隙電壓基準(zhǔn)電路可維持整體技術(shù)參數(shù)不隨溫度和工作電壓變化而變化，即使擴(kuò)展到汽車(chē)級(jí)溫度范圍-40到+115℃。之所以要考慮這么高的上限溫度是因?yàn)樘炀€(xiàn)放大器會(huì)安裝在車(chē)頂。

總結(jié)和展望

愛(ài)特梅爾針對(duì)AM、FM、DRM以及HD無(wú)線(xiàn)電提供高集成度的天線(xiàn)放大器。用這種天線(xiàn)放大器能實(shí)現(xiàn)出色的接收性能。愛(ài)特梅爾的天線(xiàn)放大器動(dòng)態(tài)范圍大，因而收音清晰，甚至在汽車(chē)行駛時(shí)天線(xiàn)處于信號(hào)強(qiáng)度快速變化的極端困難情況下也不會(huì)失真。這種長(zhǎng)電纜、小尺寸的時(shí)髦天線(xiàn)會(huì)造成信號(hào)損失，而這種損耗可通過(guò)阻抗匹配的放大器來(lái)補(bǔ)償。

愛(ài)特梅爾已計(jì)劃推出ATR4251的提升版，進(jìn)一步提高性能和降低應(yīng)用的部件成本。

愛(ài)特梅爾在設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)廣播解決方案領(lǐng)域已有30年經(jīng)驗(yàn)，例如AM/FM前端器件或有源天線(xiàn)方案，其中一個(gè)重要領(lǐng)域是汽車(chē)無(wú)線(xiàn)電。愛(ài)特梅爾擁有精深的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)秘訣，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) (ISO 9001和TS 16949)，因而能滿(mǎn)足汽車(chē)市場(chǎng)的特定質(zhì)量和性能要求。愛(ài)特梅爾提供天線(xiàn)放大器和調(diào)諧器前端的完整解決方案，并有各種開(kāi)發(fā)工具 (包括軟件和專(zhuān)門(mén)的參考設(shè)計(jì)) 以支持設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)。