【无线射频天线】-FM汽车有源天线参考设计

----宋停云与您分享--------宋停云与您分享----AM/FM汽车有源天线参考设计本应用笔记介绍了一个AM/FM汽车天线参考设计(RD)。设计采纳高度集成的AM/FM低噪声放大器(LNA)MAX2180，特别适合有源天线模块。LNA在AM和FM信号通路均集成了Maxim的自动增益掌握架构，用户可选择设置点。AM、FM信号通道的最大增益可以依据不同用户的需求进行调整。RD充分体现了这一集成汽车方案的敏捷性。

概述

汽车天线要求更小、集成度更高的解决方案，同时还要满意现代AM/FM无线通信装置的高性能需求。有些解决方案需要自动增益掌握(AGC)，有些则采纳固定增益LNA，以获得最低成本。有些方案中为有源天线供应了一个稳压电源电压，但多数采纳电池供电。天线方案供应商所面临的挑战是：如何避开分立方案的重复设计，避开使用昂贵的IC(仍需外部PIN二极管和稳压器)，同时还要满意各种行业要求。在资源、空间有限的状况下，天线供应商的抱负方案必定是高性能、低成本且设计敏捷的IC；而且在不需重复设计、重复更改BOM及电路板的条件下，即可轻松满意各种要求。

目前，只有少数厂商为有源天线供应AM/FM集成方案。但这些方案需要外部PIN二极管供应AGC，这些方案在电池供电时还需要配备一个稳压电源，或者一个外部调整管。外部元件增加了成本，扩大了方案尺寸。假如不需要AGC，解决方案通常采纳分立设计，以获得最低成本。分立设计的问题是：增益、电源电压或电路板尺寸的任何变化都将导致重新设计，从而占用更多的设计资源，而设计资源在多数状况下特别匮乏。

天线优化方案和MAX2180

Maxim开发的AM/FM天线解决方案集成了全部有源器件，满意当前汽车天线的苛刻需求。天线采纳MAX2180LNA，MAX2180采纳内部高压CMOS工艺，在4mmx4mm小尺寸TQFP封装内集成了AM和FMAGC，以及高压稳压器。这种设计避开了全部PIN二极管和外部稳压电路或调整管，能够工作在电池或稳压电源下。MAX2180为AM、FM通道供应最高增益，可调整AGC设置点。器件内置天线监测功能，在故障条件下吸入15mA电流。

LNA的片上稳压器可接受7V至24V供电，为防止过热损坏，集成温度传感器通过折返限流来限制最高结温。保证放大器在任何环境条件下正常工作。

AM输入为高阻、输出为低阻，FM放大器供应50输入、输出阻抗。最大AM增益可通过转变外部电阻在0dB至6dB范围内调整；最大FM增益可在5.8dB至8.5dB(R1=0)范围内变化。为了改善噪声系数，R1应为390，从而将增益范围提高至10.0dB至10.8dB。两条信号通路均采纳Maxim拥有专利的AGC架构，增益掌握范围为30dB。此外，可调整AGC设置点，为主机供应所要求的最大输出水平。

采纳MAX2180设计时，参考数据手册中的表格选择所需要的信号通路增益和AGC设置点，以简化设计。这种自定义参数范围使得一款设计即可满意多种需求，无需重新布置电路板。如图1所示，与竞争方案相比，MAX2180供应了更高的集成度，同时又可以敏捷支持不同的应用需求，图2所示为单天线解决方案的应用原理图。

图1.MAX2180高集成度解决方案(A)与AM/FM有源天线竞争方案(B)的比较。

图2.采纳MAX2180的单天线解决方案应用原理图。

设计实例

我们的测试实例为用于小型汽车的一款低增益天线。这种应用需要更大增益，但是小型汽车中的短电缆减小了从天线至主机的损耗，目标最大输入水平对AM来说为+80dBV，FM为+95dBV。

AM：引脚1电阻=0，增益为6.5dB(表1)；引脚2短路至地，AM输出AGC设置点为+79dBV(表2)。

FM：引脚10短路至地，FM增益为8.5dB(表3)；引脚12对地电阻=39k，FM输出AGC爱护点为+94dBV(表4)。

表1.AM信号通路增益

引脚1()AM增益(dB，典型值)06.5225682.51800.5330-1表2.AM信号通路设置点

引脚2AM输出设置点(dBV，典型值)Ground79Open83VLDO86表3.FM信号通路增益

引脚10FM增益(dB，典型值；无外部电阻)FM增益(dB，典型值；外部电阻=390)VLDO8.510.8Open7.110.3Ground5.810表4.FM信号通路设置点

引脚12(k)FM输出爱护点(dBV，典型值)010410100189627953994479356926890输入电路

对于单天线应用，双工器必需将等效输入电容降至最小，不馈入高阻AM输入。在AM频段，天线通常为高阻，增大并联电容将衰减AM信号。电路还必需与FM输入保持匹配，在获得最佳噪声系数和频率响应的同时抑制带外信号。

在AM输入端连接一个FM"陷波器'，将耦合到AM输入的FM信号降至最小。为避开馈入FM频带，陷波抑制至少为60dBc，并在天线和陷波电路之间安装一个4.7H电感。为消退FM-AM失真，在AM输入安装一个串联电感，改善FM频带的反馈。双工器的FM部分需要采纳50天线匹配，同时对AM频段供应90dB以上衰减。应保持最低电感，考虑到有限的Q值，增加的每个元件都会造成噪声系数变差。

双天线解决方案(图3)允许采纳更少的元件，简化滤波设计并可获得较好的FM匹配。

图3.采纳MAX2180双天线解决方案应用原理图。

输出电路

输出电路需要组合AM和FM输出，同时将幻象电源馈送到集成高压稳压器。为了便于衰减耦合到稳压器的AM信号，幻象电源通过一个连接在沟通耦合AM输出的大电感馈送到集成稳压器。AM输出通过另一个小尺寸电感连接到输出连接器，防止FM输出在AM输出级产生失真。FM输出采纳沟通耦合，带有一个小尺寸隔直流电容，有助于避开IM2重量(A-B)在AM输出产生失真。对于反馈通路，建议采纳390电阻(R1)与2200pF电容(C1)串联，以获得最佳噪声系数。必要时，可以在输出隔直流电容(C2)后面增加一级衰减网络，调整总增益。依据阻抗匹配和增益确定FMOUT上拉电感(L1)的大小。LDO输出(VLDO)之间的R/C滤波器(3.3/10nF)有助于改善FM噪声系数。FMBYP引脚需要100pF旁路电容，供应30dB的AGC范围。

散热

电路板设计需要在器件的裸焊盘与模块外壳之间保持尽可能低的热阻。为达到这一目标，将引脚20至23接地，使裸焊盘与底盘焊点或者这些引脚过孔之间形成覆铜区域(图4)。器件内置温度传感器，一旦管芯温度达到+135C，则渐渐减小电流。热爱护状态下，器件仍可保持工作。

图4.具有低热阻的印制板(PCB)布局

总结

MAX2180AM/FM天线LNA集成了设计汽车天线所需的功能和特性，满意各种高性能要求。由于LNA的设计敏捷性，无需重新设计或更改BOM，即可省升级天线，以满意不同的应用需求。对于成本敏感系统，可以使用高集成度MAX2180，削减外