ATR4251在現(xiàn)代汽車天線設計中的應用

天線的物理知識

傳統(tǒng)的AM/FM頻率范圍已擴展，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，車窗形成的開口導致車體金屬表面不連續(xù)，使場強增大。而這種不連續(xù)的表面結構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。

由于車體物理構造對電磁場有加強效應，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諧器輸入端處的有效信號強度。

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，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)，二階交調截取點 (IP2) 和三階交調截取點 (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，門限可分別調節(jié)，可防止AM強信號阻塞微弱的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諧器的輸入阻抗，從而減小來自天線的信號。對于標準應用，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諧器有確定源阻抗；另一方面用于保護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行優(yōu)化配接。對低成本應用，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；這種接法的交調截點 (OIP3)高，達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。對于具體的應用，AGC的閾值可通過改變外接分壓器的分壓比來輕易調節(jié)。當信號達到閾值，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)置的帶隙電壓基準電路可維持整體技術參數(shù)不隨溫度和工作電壓變化而變化，即使擴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償。

愛特梅爾已計劃推出ATR4251的提升版，進一步提高性能和降低應用的部件成本。

愛特梅爾在設計無線廣播解決方案領域已有30年經(jīng)驗，例如AM/FM前端器件或有源天線方案，其中一個重要領域是汽車無線電。愛特梅爾擁有精深的無線電技術秘訣，符合行業(yè)標準 (ISO 9001和TS 16949)，因而能滿足汽車市場的特定質量和性能要求。愛特梅爾提供天線放大器和調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計) 以支持設計的實現(xiàn)。