ATR4251在現(xiàn)代汽車天線設(shè)計中的應(yīng)用

天線的物理知識

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。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。

由于AM廣播采用垂直極化的電波來發(fā)送信號，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) 對接收AM和FM廣播是可行的。

出于設(shè)計方面的考慮，現(xiàn)在的車頂天線長度都比信號波長短很多。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強(qiáng)度。

在這種情況下，最好加一個天線放大器，尤其是在天線和電纜間加一個針對AM信號的隔離放大器。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)良的大信號表現(xiàn)，二階交調(diào)截取點 (IP2) 和三階交調(diào)截取點 (IP3) 非常高。

此外，對非常大的信號，必須要有自動增益控制 (AGC) 來抑制信號峰值，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AM和FM頻帶可以分別使用兩個獨立的放大器。這樣，可以分別使用獨立的天線，但是兩個放大器也可以連接到單個天線上 (如車頂天線)。

為避免在大信號情況下出現(xiàn)激勵過度，兩個放大器都配有自動增益控制電路 (AGC)。兩個獨立的AGC電路，門限可分別調(diào)節(jié)，可防止AM強(qiáng)信號阻塞微弱的FM電臺，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特性 (FM輸入交調(diào)截取點為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。對于標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用，ATR4251的AM放大器輸出端還串接了一個約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，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。對高端應(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 (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AM和FM頻帶配備了兩個獨立的AGC電路，防止天線放大器在非常強(qiáng)的天線信號下出現(xiàn)過度激勵。放大器輸出接了一個分壓器 (在AM電路中為電阻性的，在FM中為電容性的)。分出的信號施加在對應(yīng)的AGC電平檢測器上 (該檢測器經(jīng)專門優(yōu)化失真很小)。整流后的信號與內(nèi)部參考電平相比較。對于具體的應(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)信號達(dá)到閾值，AGC輸出打開一個外接晶體管；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)展到汽車級溫度范圍-40到+115℃。之所以要考慮這么高的上限溫度是因為天線放大器會安裝在車頂。

總結(jié)和展望

愛特梅爾針對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現(xiàn)出色的接收性能。愛特梅爾的天線放大器動態(tài)范圍大，因而收音清晰，甚至在汽車行駛時天線處于信號強(qiáng)度快速變化的極端困難情況下也不會失真。這種長電纜、小尺寸的時髦天線會造成信號損失，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)計無線廣播解決方案領(lǐng)域已有30年經(jīng)驗，例如AM/FM前端器件或有源天線方案，其中一個重要領(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) 以支持設(shè)計的實現(xiàn)。