基于ATR4251的汽車天線研究
現(xiàn)代汽車天線的發(fā)展前景向人們提出了一些更難應(yīng)對(duì)的技術(shù)要求和約束條件。其中，最重要也是最富挑戰(zhàn)性的要求是縮小天線的尺寸；其次是連接電纜長 (尤其是在SUV (Sport Utility Vehicle) 運(yùn)動(dòng)型休旅車型中)。其它的要求還包括多天線設(shè)計(jì)，以及面向不同天線類型 (安裝在檔風(fēng)玻璃、車頂或前保險(xiǎn)杠上的天線) 的多樣化設(shè)計(jì)問題。
天線的物理知識(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，以使汽車無線電能夠接收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發(fā)送信號(hào)，因此汽車天線也應(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。
好在汽車的金屬車體能改變電磁場，因而對(duì)FM廣播也可使用AM廣播所要求的垂直天線。圖1所示為車體對(duì)電磁場的影響；可以看出車體水平面處(例如：車頂或后備箱)只存在垂直方向的電磁場分量。水平分量向垂直方向彎曲了。
此外，車窗形成的開口導(dǎo)致車體金屬表面不連續(xù)，使場強(qiáng)增大。而這種不連續(xù)的表面結(jié)構(gòu)決定了汽車天線最合適的安裝位置。車頂中間通常不是安裝天線的最佳位置。
由于車體物理構(gòu)造對(duì)電磁場有加強(qiáng)效應(yīng)，采用小型偶極天線 (天線形式中的一種) 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)在的車頂天線長度都比信號(hào)波長短很多。這樣，天線阻抗就非常小，并有較大的容抗分量。如果將這樣的天線接到電纜上，那么，即使采用的是專用的低容抗 (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，從而降低汽車無線電調(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)天線放大器，尤其是在天線和電纜間加一個(gè)針對(duì)AM信號(hào)的隔離放大器。愛特梅爾的單片集成天線放大器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源天線，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) 來抑制信號(hào)峰值，并在汽車無線電調(diào)諧器輸入端維持恒定的最大電平。另一方面，天線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，但是兩個(gè)放大器也可以連接到單個(gè)天線上 (如車頂天線)。
為避免在大信號(hào)情況下出現(xiàn)激勵(lì)過度，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還集成了電平檢測器，以使放大器具有高線性和出色的大信號(hào)特性 (FM輸入交調(diào)截取點(diǎn)為142 dBμV，AM為146 dBμV)。(見圖2：ATR4251的功能框圖)。
汽車無線電的AM調(diào)諧器在輸入端一般使用PIN 二極管衰減器。這些PIN二極管衰減器通過降低調(diào)諧器的輸入阻抗，從而減小來自天線的信號(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線電調(diào)諧器有確定源阻抗；另一方面用于保護(hù)AM天線放大器的輸出級(jí)，防止汽車無線電中的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改變外接部件來調(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，防止天線放大器在非常強(qiáng)的天線信號(hào)下出現(xiàn)過度激勵(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電平檢測器上 (該檢測器經(jīng)專門優(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的閾值可通過改變外接分壓器的分壓比來輕易調(diào)節(jié)。當(dāng)信號(hào)達(dá)到閾值，AGC輸出打開一個(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€放大器會(huì)安裝在車頂。
總結(jié)和展望
愛特梅爾針對(duì)AM、FM、DRM以及HD無線電提供高集成度的天線放大器。用這種天線放大器能實(shí)現(xiàn)出色的接收性能。愛特梅爾的天線放大器動(dòng)態(tài)范圍大，因而收音清晰，甚至在汽車行駛時(shí)天線處于信號(hào)強(qiáng)度快速變化的極端困難情況下也不會(huì)失真。這種長電纜、小尺寸的時(shí)髦天線會(huì)造成信號(hào)損失，而這種損耗可通過阻抗匹配的放大器來補(bǔ)償。
愛特梅爾已計(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。
愛特梅爾在設(shè)計(jì)無線廣播解決方案領(lǐng)域已有30年經(jīng)驗(yàn)，例如AM/FM前端器件或有源天線方案，其中一個(gè)重要領(lǐng)域是汽車無線電。愛特梅爾擁有精深的無線電技術(shù)秘訣，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn) (ISO 9001和TS 16949)，因而能滿足汽車市場的特定質(zhì)量和性能要求。愛特梅爾提供天線放大器和調(diào)諧器前端的完整解決方案，并有各種開發(fā)工具 (包括軟件和專門的參考設(shè)計(jì)) 以支持設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn).
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