調頻(FM)收音機在高傳真音樂和語音廣播中已經被採用好多年了，它能提供極佳的音質、訊號穩定性和抗雜訊能力。最近，FM收音機已開始出現在更多的行動和個人媒體播放器等市場應用中。然而，傳統的FM設計方法必須使用很長的天線，例如有線的頭戴式耳機，因而對於許多未具備有線耳機的用戶造成限制。另外，隨著無線使用模式在可攜式設備中的不斷普及，越來越多的用戶也希望能使用其它FM天線的無線FM收音機，同時利用無線耳機或揚聲器來聽聲音。

本文將介紹一種FM收音機接收器解決方案，它將天線整合或嵌入於可攜式設備內部，使得耳機線成為一種可選用的配件。我們首先從最大化接收靈敏度著手，然後介紹實現最大化靈敏度的方法，包括最大化諧振頻率的效率、最大化天線尺寸，以及利用可調諧匹配網路最大化整個FM頻寬效率。最後，本文還將提出可調諧匹配網路的建置方案。

最大化靈敏度

靈敏度可被定義為FM接收器系統可接收並能實現特定訊噪比(SNR)的最小訊號。這是FM接收系統性能的一項重要參數，它與訊號和雜訊都有關係。接收訊號強度指示器(RSSI)只能在特定調諧頻率時指出射頻(RF)訊號強度，並不提供有關雜訊或訊號品質的任何資訊。在比較使用不同天線的接收機性能時，音頻訊噪比(SNR)或許是一項更好的參數。因此，想為聆聽者帶來更高品質的音訊體驗，使SNR最大化非常重要。

天線是連接RF電路與電磁波的橋樑。就FM接收而言，天線就是一種變換器，能將能量從電磁波轉換成電子電路(如低雜訊放大器；LNA)可用的電壓。FM接收系統的靈敏度直接關係到內部LNA所接收的電壓。為了最大化靈敏度，必須盡量提高這一電壓。

市場上有各式各樣的天線，包括頭戴式耳機、金屬短柱(stub)、迴路和晶片型天線等，但所有的天線都可以用等效電路進行分析。圖1顯示出一種通用的等效天線電路模型：

圖1：通用的天線等效電路模型。

在圖1中，X可以是一個電容或一個電感。X的選擇取決於天線拓樸，其電抗值(電感或電容)與天線幾何學有關。損耗電阻(Rloss)與天線中以熱能形式散發的功耗有關。輻射阻抗(Rrad)則與電磁波產生的電壓有關。為了便於說明，本文將分析迴路天線模型，同樣的計算也可適用於其它類型的天線，如短單極天線和耳機天線。

使諧振頻率效率最大化

為了盡量提高天線的轉換能量，我們使用了一個諧振網路來抵銷天線的反作用阻抗，而這種阻抗可能使天線轉換至內部LNA的電壓值衰減。對於電感式迴路天線來說，電容(Cres)可用以使天線在所需的頻率時產生諧振：

諧振頻率(ƒres)是指天線可使電磁波轉換成電壓的最高效率時所使用的頻率。天線效率是Rrad的功率與天線總功率的比值，以Rrad/Zant表示，其中Zant是具有天線諧振網路的天線阻抗。Zant可表示為：

當天線處於諧振狀態時，效率η可以表示為：

在其它頻率時的效率為：

除了諧振頻率以外的天線效率η低於最大效率ηres，因為此時的天線輸入阻抗Zant如果不是電容式的，就是電感式的。

最大化天線尺寸

為了恢復所傳輸的射頻訊號，天線必須從電磁波中盡可能地收集到最多的能量，並有效率地將電磁波能量轉換成電壓。所收集到的能量受制於可攜式設備中的天線可用空間和大小。對於傳統的耳機天線來說，它的長度可達到FM訊號的四分之一波長，就能夠收集到足夠的能量並轉換成內部LNA的可用電壓。在此情況下，最大化天線的效率就不那麼重要了。

不過，由於可攜式設備正變得更小更薄，能用於嵌入式FM天線的空間已變得非常有限。雖然已盡量增加天線尺寸，但嵌入式天線收集到的能量仍非常小。因此，在使用較小天線的情況下，還必須兼顧不至於犧牲性能，提高天線效率η就變得更為重要。

利用可調諧匹配網路最大化FM頻段效率

大多數國家的FM廣播頻段的頻率範圍是87.5MHz到108.0MHz。日本的FM廣播頻段是76MHz到90MHz。而在一些東歐國家中，FM廣播頻段是65.8MHz到74MHz。為了適應全球所有的FM頻段，FM接收系統必須具備40MHz的頻寬。傳統的解決方案通常是將天線調諧在FM頻段的中心頻率。然而，如同上述公式所顯示的，天線系統的效率是頻率的函數。這一效率可在諧振頻率時達到最大值，但在頻率偏離諧振頻率時，其效率也隨之下降。因此，由於全球FM頻段的頻寬達40MHz，當頻率遠離諧振頻率時的天線效率將會顯著下降。

例如，設定一個固定諧振頻率98MHz，那麼在該頻率點時可實現很高的效率，但其它頻率點的效率將明顯下降，從而降低遠離諧振頻率時的FM性能。

圖2顯示出固定諧振頻率在中心頻段(98MHz)時的兩種天線(耳機天線和短天線)效率曲線。

圖2：FM頻段內的典型固定諧振天線性能。

從上圖可以看出，98MHz時可實現最佳效率，但頻率越接近頻帶邊緣，效率就隨之遞減。對於耳機天線來說這不是什麼大問題，因為這種天線尺寸已經大到能夠在整個頻帶內收集到足夠的電磁能量，並轉換成較高的電壓至RF接收器中。然而，相較於較長的耳機天線而言，短天線尺寸小，收集到的能量也少，因此當頻率遠離諧振點時效率也會快速地降低。這可能會在頻段邊緣使用固定諧振方案時，造成接收方面的問題，主要原因是短天線具有比耳機更高的'Q'值，使其效率在頻帶邊緣驟低。

Q值代表指品質因數，它與每單位時間內天線網路中儲存的能量與損耗或輻射能量成正比。針對具有天線諧振網路的天線等效電路而言，Q值滿足：

與短天線相比，耳機天線由於尺寸較大，天生就具有較高的輻射電阻Rrad，因此也使其Q值較低。由於嵌入式應用必須使用較高Q值的短天線，因而效率驟降的問題就格外顯眼。

天線的Q值也與天線頻寬有關，其間的關係可表示為：

其中，fc是諧振頻率fc，而BW是天線的3dB頻寬。與較長的耳機天線相較，高Q值的短天線具有較小的頻寬，因而在頻帶邊緣的損耗較大。

為了克服高Q值固定諧振天線的頻寬限制問題，可以採用自調諧振電路而將'固定諧振'改變為'可調諧振'，使電路得以常處於最大化接收靈敏度的諧振頻率。採用自調諧振天線還可獲得較高的訊噪比，因為來自諧振天線的增益可降低接收器的系統雜訊係數，而嵌入式天線固有的高Q值又有助於濾除可能與本地振盪器諧波混合在一起的干擾。

可調諧匹配網路的建置

圖3顯示增強型FM接收器架構的概念方塊圖。該FM接收器架構可用以支援嵌入式短天線，其'可調諧振'採用晶片上可調諧的變容二極體和調諧演算法來實現。

圖3：Si4704/05的概念架構圖。

上述設計使用具有數位訊號處理器(DSP)的混合訊號數位低中頻架構，建置出一項包括自調諧嵌入式短天線的先進訊號處理算法。天線演算法可根據設備的每個頻率調諧點，自動調整變容二極體的電容值，以實現最佳性能。

舉例來說，如果用戶調諧到101.1MHz(圖4中的電台1)，天線演算法將把天線電路諧振點調諧到101.1MHz，從而最佳化101.1MHz的天線效率和接收性能。當用戶調諧到84.1MHz(圖4中的電台2)時，天線演算法隨之重新調諧天線電路諧振點，而使84.1MHz的接收性能最佳化。

圖4：可調諧振的好處。

利用調諧後的頻率來調整天線諧振，使其可為每一固定頻率提供最大效率，從而使整個FM頻段上的接收訊號強度最大化。在採用可調諧振電路後，整個頻帶上使用嵌入式天線的系統性均有所提升。在指定的頻率上諧振天線還能使其它頻率的干擾衰減，從而顯著地提高接收器的選擇性。因此，使用這種具嵌入式天線的接收器用戶還能免於其它意外訊號源的干擾。這一點在FM頻帶擁擠的市區尤其重要。

本文小結

隨著無線使用模式在可攜式設備中越來越普及，更多的用戶希望使用具有嵌入式天線的無線FM收音機，同時也用無線耳機或揚聲器聆聽節目。為了實現最大化靈敏度的目標，本文討論如何改善使用嵌入式天線的FM接收效果，並進一步探討其建置方法。由於內建嵌入式天線的可攜式設備可用空間非常有限，可以考慮採用自調諧諧振網路來最大化整個FM頻帶上的接收器的靈敏度，從而使短天線在每個頻率時都能實現最高效率。