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[分享] 基于ATR4251放大器的汽车天线设计

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发表于 2016-3-29 06:36:50 | 显示全部楼层 |阅读模式
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  现代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/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。

车体对电磁场的影响

车体对电磁场的影响

  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)。

ATR4251的功能框图

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。
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