實(shí)現(xiàn)精確到達(dá)角和測(cè)距的UWB超寬帶天線設(shè)計(jì)考慮因素

從UWB超寬帶基礎(chǔ)知識(shí)開始

當(dāng)你繪制第一張饋線圖時(shí)，你真正需要了解什么？首先要明確你要輻射的信號(hào)類型，以及超寬帶輻射器在極寬的相對(duì)帶寬范圍內(nèi)如何工作。這些背景信息將指導(dǎo)你做出的每一個(gè)幾何形狀和疊層結(jié)構(gòu)選擇。

 

UWB對(duì)天線工程師意味著什么

對(duì)于天線設(shè)計(jì)而言，UWB 指的是瞬時(shí)帶寬 > 500 MHz 或圍繞選定中心頻率的分?jǐn)?shù)帶寬 > 0.2。實(shí)際上，目前大多數(shù)定位系統(tǒng)都采用IEEE 802.15.4高速脈沖超寬帶（UWB）技術(shù)，利用脈沖無線電信號(hào)和低頻段及高頻段信道，例如，在6.49 GHz附近的高頻段信道帶寬為499.2 MHz。在美國(guó)，免許可UWB頻段大致覆蓋3.1–10.6 GHz，這構(gòu)成了許多物聯(lián)網(wǎng)和測(cè)距設(shè)計(jì)人員所關(guān)注的超寬帶頻率范圍。區(qū)域規(guī)則和部署細(xì)節(jié)至關(guān)重要：實(shí)際產(chǎn)品曾在ETSI和FCC標(biāo)準(zhǔn)下使用6.5 GHz信道，帶寬為500 MHz；由于脈沖持續(xù)時(shí)間短，需要采用門控測(cè)量；而對(duì)于某些頻段未獲批準(zhǔn)的日本市場(chǎng)，則需要進(jìn)行固件調(diào)整或更改頻段。

 

 

您可能還想知道什么是 5G 超寬帶。在本指南中，UWB 指的是用于精確測(cè)距和定位的 IEEE 802.15.4 脈沖無線電技術(shù)。

 

S11 之外的核心性能支柱

寬分?jǐn)?shù)帶寬改變了規(guī)則。你會(huì)發(fā)現(xiàn)，即使是微小的布局或材料變化也會(huì)移動(dòng)諧振頻率并改變脈沖形狀。在進(jìn)行仿真之前，務(wù)必先確定驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

• 覆蓋所選 UWB 信道集的阻抗帶寬。
• 輻射效率足以滿足您的鏈路預(yù)算和占空比要求。
• 模式穩(wěn)定性跨越頻段和使用場(chǎng)景，而不僅僅是在某個(gè)特定頻率上。
• 群延遲平坦，紋波極小，避免脈沖出現(xiàn)振鈴現(xiàn)象。
• 整合限制因素，例如離地間隙、房屋間距和禁入?yún)^(qū)域。

了解您實(shí)際發(fā)貨地區(qū)和渠道的監(jiān)管規(guī)定。

可衡量的目標(biāo)記錄：回波損耗帶、群延遲紋波趨勢(shì)、目標(biāo)輻射削減。

 

為什么時(shí)域?qū)y(cè)距和定位很重要

超寬帶 (UWB) 使用極短的脈沖，通常小于納秒級(jí)，因此天線表現(xiàn)得像一個(gè)非常寬的帶通元件。這意味著，如果天線的相位不是線性的，它可能會(huì)導(dǎo)致波形失真、引入振鈴效應(yīng)，并使視相位中心發(fā)生偏移。為了獲得清晰的飛行時(shí)間和到達(dá)角數(shù)據(jù)，應(yīng)力求實(shí)現(xiàn)非色散特性，并在整個(gè)工作頻帶內(nèi)保持近乎恒定的群延遲，否則即使 S11 參數(shù)看起來良好，厘米級(jí)測(cè)距精度也會(huì)下降。IntechOpen。

 

首先要考慮系統(tǒng)層面。你需要為實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)（RTLS）錨點(diǎn)和標(biāo)簽提供全向覆蓋，還是需要更高的方向增益來應(yīng)對(duì)更長(zhǎng)的鏈路和多路徑控制？緊湊的尺寸比效率更重要嗎？現(xiàn)在就確定這些問題的答案，接下來的章節(jié)中的幾何結(jié)構(gòu)、堆疊方式和測(cè)試計(jì)劃自然就會(huì)水到渠成。

 

 

明智地選擇基材和疊層結(jié)構(gòu)

為什么兩塊使用相同CAD設(shè)計(jì)的電路板在測(cè)試臺(tái)上看起來卻不一樣？在超寬帶（UWB）應(yīng)用中，電路板的堆疊結(jié)構(gòu)往往決定了寬帶天線能否保持頻率帶寬和脈沖形狀，還是會(huì)造成波形振鈴和損耗。

 

基板和堆疊結(jié)構(gòu)的選擇可以拓寬帶寬

基板的介電常數(shù) (Dk)、損耗角正切、厚度和銅含量都會(huì)影響阻抗、效率和色散。FR-4 基板經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，但其介電常數(shù)會(huì)隨頻率、溫度和濕度變化，且損耗角正切在高 GHz 頻率下增大；而射頻層壓板的介電常數(shù) (Dk) 保持穩(wěn)定，損耗也低得多。采用高介電常數(shù)粘合劑的聚酰亞胺薄膜堆疊結(jié)構(gòu)，可以在超寬帶 (UWB) 高頻段保持良好的時(shí)域特性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)輻射器的微型化。

 

選項(xiàng)	DK 和損失	帶寬和效率的影響	制造工藝和公差敏感性	UWB 筆記
FR-4層壓板	1 GHz 頻率下介電常數(shù) Dk 約為 4.2–4.7，存在波動(dòng)；1 GHz 頻率下?lián)p耗角正切約為 0.02，10 GHz 頻率下更高。	較高的損耗會(huì)降低天線寬帶上限附近的效率；介電常數(shù)漂移會(huì)導(dǎo)致失諧。	成本低、供應(yīng)充足、交貨期短	適用于非關(guān)鍵應(yīng)用，頻率范圍約為 6–10 GHz；注意色散和重復(fù)性。
低損耗射頻層壓板	某些系列產(chǎn)品在 10 GHz 頻率下可實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的介電常數(shù)控制和低損耗角正切值（低至約 0.0012）。	支持更寬的可用頻率帶寬和更清晰的相位	成本更高，需要特殊處理，交貨期可能更長(zhǎng)	更適用于窄阻抗和低損耗的超寬帶設(shè)計(jì)
薄膜聚酰亞胺 + 高介電常數(shù)粘合劑	例如，PI Dk ~3.3，粘合劑 Dk ~6，薄銅和薄膜	高深度層能夠以犧牲帶寬為代價(jià)來減小文件大小。	極薄的疊層結(jié)構(gòu)對(duì)粘合和連接器效應(yīng)非常敏感。	測(cè)量得到的高頻段超寬帶天線表現(xiàn)出寬S11帶寬和穩(wěn)定的群延遲。
表面處理和銅材均勻性	過程相關(guān)	鍍層不一致或表面粗糙度會(huì)擾亂阻抗	保持所有產(chǎn)品表面處理類型的一致性。	盡早確認(rèn)完成情況，以減少單元間差異

 

制造公差導(dǎo)致超寬帶天線失諧

微小的物理誤差會(huì)在天線寬帶范圍內(nèi)產(chǎn)生較大的分?jǐn)?shù)偏移。你會(huì)注意到，饋源附近介質(zhì)層厚度、銅層厚度或阻焊層蠕變的微小變化都會(huì)導(dǎo)致諧振頻率和紋波群延遲的偏移。使用隔離區(qū)保護(hù)輻射器，并在饋源周圍使用阻焊層回縮以降低容性負(fù)載。保持輻射器下方和周圍的接地間隙，并使用密集的過孔柵欄來確保發(fā)射電路的穩(wěn)定性。

要求制造商提供介質(zhì)厚度和介電常數(shù)（Dk）的全公差疊層結(jié)構(gòu)。

在廠商規(guī)定的范圍內(nèi)，對(duì)基板厚度和介電常數(shù)進(jìn)行最壞情況掃描。

明確控制銅層厚度并確認(rèn)電鍍目標(biāo)。

保持面板分割一致，避免對(duì)外側(cè)優(yōu)惠券造成邊緣效應(yīng)。

DFM 檢查清單，用于確認(rèn)：走線寬度、銅厚度、介質(zhì)厚度、掩模對(duì)準(zhǔn)、表面處理類型、過孔鉆孔和電鍍、拼板方法。

 

連接器和發(fā)射效應(yīng)發(fā)生在電路板邊緣

在超寬帶（UWB）應(yīng)用中，板邊發(fā)射極可能會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生顯著影響。在一款纖薄緊湊的UWB單極天線中，板邊SMA連接器及其加寬的接地層顯著改變了測(cè)量結(jié)果，因此我們采用了一種單端口去嵌入工作流程來去除連接器對(duì)S11參數(shù)的影響。即便如此，電纜損耗和焊接仍然會(huì)在仿真和測(cè)量結(jié)果之間造成一些細(xì)微的偏差，但該天線仍然能夠提供約5–10.8 GHz的實(shí)測(cè)S11帶寬，并且在6–9 GHz的高頻段具有穩(wěn)定的群延遲，這凸顯了精心設(shè)計(jì)和去嵌入的重要性。MDPI Electronics。

 

確定一個(gè)穩(wěn)固的堆疊結(jié)構(gòu)，可以更容易地選擇合適的散熱器系列，其中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了大部分的模式和尺寸權(quán)衡。

 

比較全向和定向需求的超寬帶天線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

選擇輻射器感覺像是在瞎猜？首先要將每種超寬帶天線的物理特性與您的系統(tǒng)目標(biāo)相匹配。如果您需要可靠的測(cè)距性能，請(qǐng)優(yōu)先考慮穩(wěn)定的輻射方向圖和清晰的瞬態(tài)響應(yīng)。如果您需要遠(yuǎn)距離傳輸，請(qǐng)考慮方向性增益和物理孔徑。

 

根據(jù)約束條件選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

印刷單極子天線是緊湊型超寬帶天線設(shè)計(jì)的首選，因?yàn)樗鼈兡軌蚋采w非常寬的頻段并具有近乎全向的特性；而錐形縫隙天線或準(zhǔn)八木天線則能提供更高的方向性，適用于更長(zhǎng)的鏈路。已發(fā)表的原型表明，印刷單極子天線覆蓋約 1.6–12.4 GHz 頻段，具有近乎全向的輻射方向圖；而喇叭形準(zhǔn)八木天線則覆蓋 3.06–12.37 GHz 頻段，具有約 10 dBi 的峰值增益和高效率，這充分展現(xiàn)了多種選擇（ResearchGate）。對(duì)于需要從任意角度接收信號(hào)的標(biāo)簽和錨點(diǎn)，應(yīng)使用全向天線；而在環(huán)境復(fù)雜的地方，則應(yīng)選擇定向錐形縫隙天線來擴(kuò)大通信距離或減少多徑效應(yīng)。

 

拓?fù)溥x擇決定了 80% 的集成負(fù)擔(dān)；匹配只能完善模式物理，而不能重新發(fā)明模式物理。

拓?fù)?/p>	相對(duì)帶寬	效率	全方位行為	尺寸	整合復(fù)雜度
印刷單極子	高的	中高	高的	中等的	低至中等
平面倒F變體	中等的	中等的	中等的	小的	中等的
插槽和戒指	高的	中高	中高	中等的	中等的
錐形槽或維瓦爾第	高的	高的	低的	大的	高的
帶插槽/缺口的補(bǔ)丁	中等的	中高	中等的	中等的	中等的
斜面或緊湊形狀	中高	中等的	中高	中小型	中等的

 

模式穩(wěn)定性和身體負(fù)荷效應(yīng)

手、電池和人體組織都會(huì)導(dǎo)致天線失諧并降低效率。當(dāng)輻射器放置在損耗較大的人體模型上時(shí)，測(cè)得的阻抗會(huì)增加約 17% 至 20%，輻射功率會(huì)下降約 9% 至 11%，效率和增益也會(huì)相應(yīng)降低，這凸顯了預(yù)留裕量和謹(jǐn)慎放置PMC 的必要性。對(duì)于可穿戴或手持產(chǎn)品，應(yīng)預(yù)留額外的離地間隙，避免在輻射邊緣附近放置金屬，并驗(yàn)證有外殼和無外殼兩種情況下的輻射方向圖。

 

空間受限產(chǎn)品和離地間隙規(guī)則

在空間有限的機(jī)箱布局中，優(yōu)先選擇接地型散熱器，這種散熱器可以兼容較小的電路板，但仍需嚴(yán)格遵守隔離、發(fā)射控制以及使用低介電常數(shù)和低損耗的外殼材料等防塵措施。盡早確定散熱器的安裝位置，避免金屬部件靠近散熱器，并在機(jī)械部件穩(wěn)定后再進(jìn)行調(diào)校。

印刷單極子：保留部分接地切口，保持饋電區(qū)域無阻焊層蔓延，并在安裝最終邊框后進(jìn)行測(cè)試。

平面倒 F 型：保持穩(wěn)定的短路路徑和一致的參考接地，并注意身體附近的失諧。

槽和環(huán)：保持槽周圍均勻接地，控制 CPW 或微帶間隙，避免在孔徑上放置金屬標(biāo)簽。

錐形槽或 Vivaldi：提供開放的開口空間和無吸收器的視線；將電纜遠(yuǎn)離耀斑。

帶槽/缺口的補(bǔ)?。候?yàn)證缺口不會(huì)在 UWB 頻段引入不必要的群延遲紋波。

 

接下來，我們將把這些比較結(jié)果轉(zhuǎn)化為可重復(fù)的打印單極子工作流程，您可以從最初的草圖到腔室運(yùn)行。

 

 

 

逐步講解UWB印刷單極子設(shè)計(jì)

聽起來很復(fù)雜？使用可重復(fù)的流程，讓數(shù)據(jù)引導(dǎo)編輯。這種方法適用于緊湊型超寬帶天線，它們必須像寬帶天線一樣工作才能實(shí)現(xiàn)精確測(cè)距。

 

參考幾何形狀和一階尺寸

從簡(jiǎn)單的入手。帶有部分接地和共面波導(dǎo) (CPW) 或微帶饋電的印刷單極子天線是一種成熟的寬帶天線構(gòu)建模塊。接地尺寸決定了低頻截止頻率和方向圖平衡，因此在深入研究輻射器細(xì)節(jié)之前，應(yīng)盡早規(guī)劃電路板接地尺寸的掃描方案。仿真和測(cè)量表明，縮小接地尺寸可以提高低頻截止頻率并縮小阻抗帶寬，同時(shí)保持方向圖大致全向，這對(duì)于2007 年 ISAP 的布局限制至關(guān)重要。

 

確定感興趣的頻段。記錄目標(biāo)信道集、模式目標(biāo)以及工作范圍內(nèi)可接受的群延遲紋波。

選擇合適的基板和厚度。作為驗(yàn)證的參考，我們成功地使用了一種基于 Rogers RT5880 基板、厚度為 1.575 mm、介電常數(shù)為 2.2 的共面波導(dǎo)饋電超寬帶單極子天線進(jìn)行寬帶研究和時(shí)域分析。

 

繪制散熱器和接地開孔草圖。在散熱器下方預(yù)留一塊干凈的禁區(qū)。計(jì)劃掃掠接地面積，因?yàn)樗鼤?huì)改變下邊緣位置并影響全向性，正如超寬帶單極子天線研究中觀察到的那樣。

 

添加饋源并發(fā)射。使用可控共面波導(dǎo) (CPW) 或微帶饋源。在電磁工具中設(shè)置開放邊界，并在遠(yuǎn)離幾何體的空腔處放置一個(gè)空腔，以模擬自由空間。校準(zhǔn)連接器，如果可能，去除連接器嵌入，以避免饋源掩蓋天線特性。

 

對(duì)散熱器長(zhǎng)度、倒角或缺口以及接地槽進(jìn)行電磁掃描。盡可能使用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分，并通過細(xì)化網(wǎng)格并重新運(yùn)行幾個(gè)點(diǎn)來檢查收斂性。

 

評(píng)估S11參數(shù)和群延遲。通過取傳輸相位與頻率關(guān)系曲線的負(fù)斜率，將S參數(shù)轉(zhuǎn)換為群延遲。平坦的群延遲表明脈沖保真度更高。

導(dǎo)出到PCB時(shí)需考慮制造限制。在進(jìn)給端添加阻焊層回拉，保持接地間隙，并一致地放置過孔擋板以穩(wěn)定出料。

準(zhǔn)備測(cè)試樣品。包括裸天線樣品和饋通標(biāo)準(zhǔn)樣品，以驗(yàn)證校準(zhǔn)、連接器質(zhì)量和去嵌入工作流程。

 

參數(shù)掃描使目標(biāo)頻帶居中

先從粗略入手，再進(jìn)行精細(xì)調(diào)整。首先，同時(shí)調(diào)整輻射器的高度和寬度，以滑動(dòng)頻帶。接下來，用斜面或小凹槽修剪邊緣，以平滑回波損耗。然后，調(diào)整接地窗口和任何縫隙，以提高帶寬和方向圖穩(wěn)定性。再次檢查 S11、S21 相位和群延遲是否在所有信道上保持平滑，而不是集中在某個(gè)特定頻率。如果您的產(chǎn)品對(duì)方向有要求，請(qǐng)?jiān)趻呙柽^程中進(jìn)行非垂直方向圖和相位檢查，以免因色散特性而犧牲帶寬（IEEE TAP）。

 

從電磁模型到PCB，漂移極小

許多大型設(shè)計(jì)項(xiàng)目在仿真和實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試之間容易出現(xiàn)偏差。在電磁模型中，應(yīng)確保器件的堆疊結(jié)構(gòu)和表面處理與實(shí)際制造的器件一致。保持CAD模型和實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試中的連接器、焊盤和發(fā)射幾何形狀完全相同。使用TOSM或其他等效校準(zhǔn)工具，將參考平面移動(dòng)到天線饋源，并在工具允許的情況下去除嵌入夾具。然后疊加多個(gè)單元，以確認(rèn)重復(fù)性和公差靈敏度。

在寬帶天線中，饋電區(qū)銅和附近的接地或過孔柵欄往往比精細(xì)的輻射器設(shè)計(jì)更能主導(dǎo)諧振。

制作前進(jìn)行健全性檢查

• 確認(rèn)空氣箱和邊界設(shè)置足夠遠(yuǎn)，以避免反射耦合。
• 驗(yàn)證整個(gè)頻帶內(nèi)多個(gè)頻率下的網(wǎng)格收斂性。
• 導(dǎo)出 Gerber 文件，其中包含進(jìn)給間隙周圍的掩?；乜s和受控銅厚度說明。
• 包含一張僅限地面使用的優(yōu)惠券和一條用于脫嵌練習(xí)的貫穿線。
• 計(jì)劃在首批文章之后計(jì)算群延遲并檢查時(shí)域變換中的任何振鈴現(xiàn)象。

 

幾何結(jié)構(gòu)鎖定后，下一步是測(cè)量時(shí)域行為和群延遲，以確保天線在測(cè)距過程中保持脈沖保真度。

 

時(shí)域性能和測(cè)量

幾何結(jié)構(gòu)已鎖定。現(xiàn)在如何確保測(cè)距和攻角測(cè)量所需的脈沖信號(hào)保持純凈？時(shí)域檢測(cè)可以告訴您輻射器在超寬帶頻率范圍內(nèi)是否能保持波形形狀。

 

用于清晰測(cè)距的群組延遲漣漪目標(biāo)

為了實(shí)現(xiàn)精確的到達(dá)時(shí)間差 (TDoA) 和超寬帶 (UWB) 跟蹤，需要關(guān)注以下三個(gè)概念：群延遲平坦度是指天線相位與頻率近似呈線性關(guān)系；脈沖保真度描述了接收脈沖與發(fā)射脈沖模板的匹配程度；振鈴是指主瓣之前或之后的不需要的能量。

實(shí)際操作中，應(yīng)將整個(gè)頻段內(nèi)的群延遲變化控制在 1 ns 以內(nèi)，并將天線傳遞函數(shù)變化控制在 10 dB 以內(nèi)。

 

這些限制反映了已發(fā)表的時(shí)域評(píng)估結(jié)果，其中即使是匹配良好的天線，當(dāng)高階模式隨頻率移動(dòng)相位中心時(shí)，也會(huì)展寬脈沖，盡管 S11 IntechOpen良好，但測(cè)距性能仍然下降。

 

 

從S參數(shù)到時(shí)域洞察

聽起來很復(fù)雜？用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA) 就能搞定。測(cè)量?jī)筛炀€之間的 S11 參數(shù)，如果條件允許，還要測(cè)量 S21 參數(shù)。應(yīng)用時(shí)域變換得到脈沖響應(yīng)，然后使用加窗和門控技術(shù)將固定裝置和發(fā)射源的信號(hào)與輻射源的信號(hào)區(qū)分開來。

設(shè)置較寬的頻率范圍和足夠的采樣點(diǎn)，以提高時(shí)間分辨率和時(shí)間范圍。

對(duì)于帶寬受限的被測(cè)器件，選擇帶通模式；對(duì)于直流特性重要的被測(cè)器件，選擇低通模式。

應(yīng)用加窗來權(quán)衡主瓣寬度和旁瓣，然后啟用時(shí)間門控來消除夾具回波，并將清理后的結(jié)果重新投影到頻率。

捕獲脈沖響應(yīng)，根據(jù)相位斜率計(jì)算群延遲，并注意與幾何特征相關(guān)的任何預(yù)振鈴或后振鈴。

文檔設(shè)置，以便后續(xù)運(yùn)行結(jié)果具有可比性。

 

采用時(shí)域變換、加窗和門控的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）工作流程已在天線和互連領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

 

解讀損害超寬帶跟蹤的失真

你會(huì)注意到，干凈的天線會(huì)呈現(xiàn)出單一的窄主瓣，具有較小的半峰全寬（FWHM）和快速衰減。群延遲中過大的紋波或較強(qiáng)的旁瓣表明存在多模特性，這可能會(huì)影響到達(dá)角（AoA）或延長(zhǎng)超寬帶（UWB）應(yīng)用中的飛行時(shí)間（TOF）。

 

實(shí)用測(cè)試設(shè)置和去嵌入技巧

• 在一致的距離和極化條件下，沿簡(jiǎn)單的視線路徑測(cè)量 S21。
• 在連接器平面上進(jìn)行校準(zhǔn)，并盡可能去除嵌入發(fā)射。
• 在評(píng)估天線之前，使用時(shí)間門控技術(shù)消除電纜和固定裝置的反射。
• 將多個(gè)被測(cè)器件疊加在一起，以發(fā)現(xiàn)器件間的差異和公差敏感性。
• 將時(shí)域異常關(guān)聯(lián)起來，以確定是饋銅、接地窗還是外殼金屬。

 

總之，即使天線滿足回波損耗要求，如果超寬帶頻率范圍內(nèi)脈沖失真嚴(yán)重，測(cè)距仍然可能失敗。因此，首先要驗(yàn)證時(shí)域指標(biāo)，然后再進(jìn)行寬帶匹配和射頻集成，以確保指標(biāo)保持穩(wěn)定。

 

 

寬帶匹配和射頻集成

想在不損害脈沖保真度的前提下，追求更高的回波損耗嗎？正確的方法是保持帶寬寬、群延遲平滑，從而確保測(cè)距和迎角準(zhǔn)確。

 

何時(shí)匹配散熱器以及何時(shí)重新塑造散熱器形狀

首先從裸天線入手。如果其史密斯圓圖軌跡在大部分頻段內(nèi)阻抗已接近 50 Ω，則應(yīng)優(yōu)先調(diào)整輻射器和接地，而非進(jìn)行復(fù)雜的匹配。請(qǐng)記住，簡(jiǎn)單的 L 型截面可以在一個(gè)頻率上實(shí)現(xiàn)共軛匹配，而真正的寬帶匹配則需要一個(gè)跨度優(yōu)化的帶通型網(wǎng)絡(luò)（參見MathWorks）。盡量簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以避免諧振陷波和群延遲紋波。此外，還應(yīng)考慮 SMD 寄生參數(shù)和公差——未補(bǔ)償?shù)膮?shù)值會(huì)導(dǎo)致響應(yīng)偏移數(shù)百兆赫茲，而當(dāng)收緊 GHz 范圍內(nèi)的公差時(shí)，良率會(huì)顯著提高。本節(jié)重點(diǎn)討論脈沖 UWB 天線匹配，而非 5G UWB 或超寬帶 5G 等概念，也不應(yīng)與藍(lán)牙相關(guān)的任何頻率混淆。

 

寬帶天線史密斯圓圖工作流程

測(cè)量整個(gè)運(yùn)行中的超寬帶頻段的去嵌入天線阻抗。在史密斯圓圖上繪制其軌跡。

 

判斷單個(gè)串聯(lián)或并聯(lián)元件能否拓寬可用頻帶。如果不能，則考慮使用適中的帶通濾波器網(wǎng)絡(luò)，并優(yōu)化頻率范圍內(nèi)的平均反射率，而不是追求單一陷波目標(biāo)。

 

模擬實(shí)際元件：包括ESR、ESL、SRF和封裝效應(yīng)。寄生效應(yīng)可使匹配頻率偏移數(shù)百兆赫茲，在2.4–2.6 GHz目標(biāo)頻段附近使用5%公差的元件，S11 ≤ −10 dB的良率約為99.3%，而使用10%公差時(shí)良率僅為81.9%。

 

保持互連線短，避免短截線。對(duì)于 0402 網(wǎng)絡(luò)，如果布局合理，焊盤間約 0.5 毫米的互連線對(duì)高達(dá)數(shù) GHz 的頻率影響極小。

 

在兩個(gè)域中進(jìn)行驗(yàn)證：檢查 S11 平坦度，計(jì)算時(shí)域響應(yīng)和群延遲，以確認(rèn)匹配沒有增加振鈴。

 

保持比賽透明的布局規(guī)則

 

使用接地共面波導(dǎo)，背面連續(xù)接地，并采用對(duì)稱的入射方式。在接地平面上添加過孔柵欄；過孔間距在最高頻率下不超過λ/10，并將柵欄放置在距離信號(hào)邊緣約一到三個(gè)間隙寬度的位置，以實(shí)現(xiàn)隔離，同時(shí)避免線路過載。

 

做	不
使用低公差元件，并確認(rèn) SRF 高于您的頻段。	依靠高Q值元素來產(chǎn)生窄陷阱和漣漪
將元素緊密排列，并使用短而對(duì)稱的路徑	在進(jìn)料口附近添加長(zhǎng)短不一、蜿蜒曲折或不對(duì)稱的造型
取消嵌入啟動(dòng)并檢查任何更改后的組延遲	僅憑 S11 判斷成功與否，而不進(jìn)行時(shí)域檢查

 

匹配要輕柔。大多數(shù)寬帶增益都來自于輻射器和地線的調(diào)諧，并用一個(gè)輕柔的網(wǎng)絡(luò)來平滑最后的邊緣。保持相位線性度能夠確保陣列校準(zhǔn)和到達(dá)角（AoA）處理在下一階段順利進(jìn)行。

 

UWB陣列設(shè)計(jì)中精確AoA的陣列校準(zhǔn)

想要獲得亞度級(jí)的超寬帶入射角估計(jì)值，并且這些估計(jì)值在實(shí)驗(yàn)室外也能保持穩(wěn)定？首先要確保良好的幾何結(jié)構(gòu)與可重復(fù)的入射角校準(zhǔn)流程相匹配。你會(huì)發(fā)現(xiàn)，在數(shù)字信號(hào)處理（DSP）之前，對(duì)稱性、間距和相位控制就已經(jīng)完成了大部分繁重的工作。

 

能夠保留全方位線索的陣列幾何結(jié)構(gòu)

單元間距決定了清晰的相位窗口。作為實(shí)際目標(biāo)，將單元放置在通道中心附近 0.45 λ 的位置，以避免相位纏繞并保持高分辨率。對(duì)于雙頻段陣列，應(yīng)根據(jù)較高頻段調(diào)整單元間距，以確保較低頻段的相位保持在安全范圍內(nèi)。保持有效孔徑和頻段內(nèi)的群延遲變化較小，并考慮前后方向模糊。單極子陣列需要 IMU 數(shù)據(jù)、方向圖或第三個(gè)單元的輔助才能解決前后方向模糊問題。保持 50 歐姆饋電和一致的布線，以便校準(zhǔn)僅消除微小的殘余誤差。

 

隔離和相互耦合緩解

耦合會(huì)使相位模糊。單元間隔離度應(yīng)至少達(dá)到 25 dB，并在布局允許的情況下使用接地槽、柵欄或吸音結(jié)構(gòu)。優(yōu)先選擇板載饋線，并使用短而等長(zhǎng)的線路。微型同軸電纜可能會(huì)引入對(duì)彎曲敏感的相移和單位力校準(zhǔn)。對(duì)于超寬帶陣列設(shè)計(jì)，應(yīng)將外殼視為陣列的一部分。保持環(huán)境對(duì)稱，并確保大型金屬部件、電池和顯示屏框架圍繞陣列中心保持平衡。

 

保持各元件間離地間隙和邊框距離的對(duì)稱性。

保持饋線長(zhǎng)度一致，并盡可能避免在射頻路徑中使用過孔。

將電纜遠(yuǎn)離火炬或散熱器布置，并左右對(duì)稱布置電纜路徑。

使用密集的過孔柵來限制 CPWG 場(chǎng)并減少交叉耦合。

將附近的金屬放置得遠(yuǎn)一些或?qū)ΨQ一些，以簡(jiǎn)化 DSP 校正。

 

在后處理中，寬帶互耦抑制可以利用單元方向圖重構(gòu)將嵌入式方向圖轉(zhuǎn)換為孤立方向圖，并解耦子帶間的接收信號(hào)，這對(duì)于平面陣列以及線單元都是有效的。《國(guó)際天線與傳播雜志》

 

可重復(fù)校準(zhǔn)，適用于現(xiàn)場(chǎng)部署

• 寬頻帶上的微小相位誤差會(huì)累積成較大的迎角偏差。
• 實(shí)驗(yàn)室參考。使用已知的超寬帶信號(hào)源和轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行方位角掃描。記錄每個(gè)工作通道中每個(gè)單元的相位和振幅隨角度的變化。
• 每個(gè)通道進(jìn)行均衡。計(jì)算 0 度角和整個(gè)頻帶的幅度和相位偏移。存儲(chǔ)這些偏移，使 PDoA 居中并消除頻帶間漂移。
• 元件模式特征分析。記錄最終外殼安裝后的嵌入式元件模式。排除干擾并驗(yàn)證整個(gè)工作范圍內(nèi)的群延遲平坦度。
• 互耦校正。利用測(cè)量模式或電磁模型構(gòu)建寬帶補(bǔ)償矩陣，并在PDoA估計(jì)過程中將其應(yīng)用于DSP中。
• 定期進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查。使用已知方位角的便攜式參考信標(biāo)來刷新偏移量，并在沖擊或維護(hù)后確認(rèn)陣列健康狀況。

 

穩(wěn)健的天線延遲和偏差校準(zhǔn)能夠顯著提高定位精度；一項(xiàng)研究報(bào)告稱，校準(zhǔn)后，當(dāng)測(cè)量不確定性與接收功率進(jìn)行建模時(shí)，定位精度平均提高了 46% （arXiv）。如果校準(zhǔn)后的陣列仍然存在偏差或角度跳動(dòng)，請(qǐng)繼續(xù)進(jìn)行故障排除和驗(yàn)證流程。

 

 

故障排除和驗(yàn)證工作流程

當(dāng)您的原型天線未達(dá)到預(yù)定的測(cè)距或迎角目標(biāo)時(shí)，您該從何入手？使用這套經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證的天線故障排除流程，在超寬帶天線測(cè)試期間隔離S11異常、輻射方向圖畸變、增益不足和單元間漂移等問題。

 

在幾何結(jié)構(gòu)改變之前進(jìn)行系統(tǒng)的 S11 分診

• 這聽起來顯而易見，但還是要先核實(shí)測(cè)量結(jié)果。錯(cuò)誤的參考值會(huì)掩蓋真正的問題，浪費(fèi)時(shí)間。
• 進(jìn)行 S11 故障排除時(shí)，請(qǐng)?jiān)谔炀€饋電平面處進(jìn)行全新校準(zhǔn)，而不是在 VNA 端口處進(jìn)行校準(zhǔn)。盡可能去除嵌入的發(fā)射和固定裝置。
• 掃描覆蓋所有目標(biāo)超寬帶信道的范圍。使用足夠的點(diǎn)來提高轉(zhuǎn)換到時(shí)域時(shí)的時(shí)間分辨率。
• 在評(píng)估輻射器性能之前，應(yīng)用時(shí)間門控和窗口化技術(shù)來消除燈具回波。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 (VNA) 支持帶通變換、門控和窗口化等多種權(quán)衡方法，能夠清晰地顯示不連續(xù)性。

 

模式和效率檢查，以找出根本原因

• 如果 S11 看起來不錯(cuò)，但鏈接較短或角度有偏差，請(qǐng)查看模式和損失。
• 先在自由空間進(jìn)行測(cè)試，然后逐步添加外殼。附近的金屬可能會(huì)改變旁瓣位置，填充零點(diǎn)，甚至在近場(chǎng)中以不可預(yù)測(cè)的方向增加幾分貝，因此當(dāng)硬件靠近時(shí)，不要依賴標(biāo)稱零點(diǎn)。
• 重新檢查散熱器和電池周圍的禁入?yún)^(qū)域。保持一定距離（例如與電池保持約 20 毫米）可以降低失諧風(fēng)險(xiǎn)并保持輻射效率。

 

制造缺陷以及如何快速發(fā)現(xiàn)它們

• 檢查發(fā)射：焊盤長(zhǎng)度、焊料焊盤、掩膜蠕變和接地間隙對(duì)寬帶性能起決定性作用。
• 使用顯微鏡或 X 射線檢測(cè)通孔，以檢查鍍層是否開路或過薄。比較多個(gè)單元以量化工藝偏差。
• 確認(rèn)實(shí)際組裝的結(jié)構(gòu)和表面處理與 EM 模型相符。
• 驗(yàn)證校準(zhǔn)和去嵌入。
• 檢查連接器并開始焊接。
• 與普通測(cè)試優(yōu)惠券進(jìn)行比較。
• 掃描圍欄的接近程度和方向。
• 使用 X 射線或顯微鏡檢查過孔和銅開口。
• 重新測(cè)量，并調(diào)整電纜位置，消除應(yīng)力。
• 運(yùn)行時(shí)域變換以定位不連續(xù)點(diǎn)并應(yīng)用門控。
• 使用實(shí)際建造的堆疊結(jié)構(gòu)和重新擬合參數(shù)更新 EM。

 

癥狀	可能原因	快速修復(fù)
S11頻段高移	更薄的介質(zhì)層、更長(zhǎng)的發(fā)射臺(tái)、掩模加載	去除嵌體，修剪饋銅，拉回阻焊層，重新安裝 EM 中的 Dk。
S11性能不錯(cuò)，但續(xù)航能力差	有損路徑或色散匹配增加群延遲紋波	簡(jiǎn)化匹配，檢查時(shí)域響應(yīng)，減少高Q值部件
封閉空間內(nèi)的輻射模式畸變	附近的金屬或電池連接器	增加隔離范圍，謹(jǐn)慎添加吸音材料，并在安裝隔音罩后驗(yàn)證隔音效果。
低增益模型	連接器損耗、銅質(zhì)粗糙、校準(zhǔn)誤差	重新校準(zhǔn)，檢查夾具，確認(rèn)表面處理和銅厚度
單位間變異性	通過電鍍擴(kuò)散進(jìn)行掩模定位	收緊晶圓廠公差，疊加多個(gè)被測(cè)器件，調(diào)整至中值

可重復(fù)使用的固定裝置和一致的電纜敷設(shè)與天線本身同樣重要。

預(yù)先設(shè)定驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。定義UWB通道的回波損耗通帶、關(guān)鍵切入點(diǎn)的模式均勻性窗口，以及門控后的群延遲紋波和時(shí)域振鈴的限制。對(duì)于附近有金屬的產(chǎn)品，由于上述近場(chǎng)不確定性，應(yīng)使用離軸增益保護(hù)包絡(luò)線，而不是依賴?yán)硐肓泓c(diǎn)。完成此檢查清單后，即可進(jìn)行模塊感知驗(yàn)證，以確認(rèn)其在實(shí)際功率水平和波形下的性能。

 

模塊感知型超寬帶天線集成

現(xiàn)在想把你的設(shè)計(jì)應(yīng)用到實(shí)際硬件上嗎？這時(shí)，UWB模塊集成就能把一個(gè)優(yōu)秀的輻射器變成一個(gè)可靠的產(chǎn)品。你的天線必須保持脈沖保真度，滿足UWB鏈路預(yù)算，并且在模塊的功率水平和頻段內(nèi)保持兼容。

 

作為具體參考，NiceRF UWB650Pro 基于 Qorvo DW3000 芯片，支持 IEEE 802.15.4-2020 標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率為 6489.6 MHz，信道 5，帶寬為 499.2 MHz。它集成了射頻放大器和帶 UART 控制的 MCU，提供高達(dá) 0.5 W 或 27 dBm 的發(fā)射功率，通信距離可達(dá) 1 km，測(cè)距精度優(yōu)于 ±10 cm，睡眠電流低于 100 μA。這些特性對(duì)天線的選擇、匹配和系統(tǒng)布局提出了實(shí)際的限制。NiceRF UWB650Pro。

 

遠(yuǎn)程超寬帶天線集成檢查

阻抗和相位。在所需的 500 MHz 頻段內(nèi)，目標(biāo) S11 低于 -10 dB，并保持較低的群延遲變化以保護(hù)脈沖形狀。Qorvo 建議在 500 MHz 頻段內(nèi)將群延遲變化最小化至約 100 ps 以下，并使用長(zhǎng)度相近的 50 Ω 可控阻抗饋線。避免在射頻路徑中使用過孔，優(yōu)先選擇帶有接地和過孔柵的共面波導(dǎo) (CPW) 結(jié)構(gòu)，并注意微型同軸電纜，因?yàn)閺澢烷L(zhǎng)度公差會(huì)造成每毫米的相移，從而影響到達(dá)角 (AoA) 和測(cè)距精度。

如果為附近業(yè)務(wù)添加帶通濾波器或陷波濾波器，請(qǐng)考慮其插入損耗和群延遲。濾波器會(huì)引入相位非線性，并與天線的色散疊加。

DW3000 天線路徑。保持 DW3000 天線饋線短、對(duì)稱，并與噪聲時(shí)鐘和高速數(shù)字線路隔離。

性能模式。在模塊支持的數(shù)據(jù)速率和功率設(shè)置下進(jìn)行驗(yàn)證，以確保模式穩(wěn)定性和群延遲在各種操作模式下均能保持穩(wěn)定。

 

與模塊啟動(dòng)相關(guān)的天線驗(yàn)證步驟

將模塊配置在通道 5 上，并掃描 850 kbps 和 6.8 Mbps 兩種模式以捕獲代表性頻譜。NiceRF UWB650Pro。

在天線饋源處測(cè)量 S11，去除發(fā)射損耗。對(duì)時(shí)域響應(yīng)進(jìn)行門控處理，以分離輻射器特性并計(jì)算 500 MHz 頻段內(nèi)的群延遲。

空中 S21。在受控的 LOS 設(shè)置中，收集兩個(gè)單元之間的 S21 與頻率的關(guān)系，以驗(yàn)證脈沖保真度和范圍趨勢(shì)是否與您的 uwb 鏈路預(yù)算一致。

使用實(shí)際外殼進(jìn)行測(cè)試。安裝最終外殼，并在代表性功率水平下記錄嵌入的測(cè)試圖案，以確認(rèn)離軸均勻性和迎角偏置控制。

區(qū)域兼容性。如果您需要?dú)W盟、美國(guó)或日本的兼容性，請(qǐng)驗(yàn)證門控、占空比特性和頻譜整形。案例研究表明，使用門控測(cè)量，并在必要時(shí)將頻率降低到 7.125 GHz 以下以與 6 GHz Wi-Fi 共存，即可在 6.5 GHz 頻段上實(shí)現(xiàn) ETSI 和 FCC 標(biāo)準(zhǔn)的 500 MHz 帶寬。日本通常需要固件或頻段調(diào)整。

 

功率處理和EIRP合規(guī)性

想象一下，開啟 27 dBm 的驅(qū)動(dòng)模式后，可能會(huì)出現(xiàn)模式或群延遲偏移。更高的驅(qū)動(dòng)功率會(huì)暴露匹配、饋源布局或?yàn)V波器方面的薄弱環(huán)節(jié)。在依賴遠(yuǎn)距離驅(qū)動(dòng)模式之前，請(qǐng)務(wù)必在最大允許設(shè)置下評(píng)估線性度和散熱性能。

 

集成功率放大器和遠(yuǎn)程模式對(duì)天線效率、線性度和群延遲提出了更高的要求。

 

使用高發(fā)射功率時(shí)，請(qǐng)按頻段和區(qū)域檢查 EIRP 合規(guī)性。在當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)要求的情況下，使用門控測(cè)量和低占空比配置文件，并確認(rèn)用于共存的任何濾波器都不會(huì)使群延遲超出測(cè)距預(yù)算。

 

預(yù)算色散。離散濾波器會(huì)在部分頻帶上引入數(shù)十皮秒的群延遲變化，這會(huì)與天線色散疊加；務(wù)必將綜合變化控制在定時(shí)誤差預(yù)算范圍內(nèi)。

 

機(jī)械放置方式可保護(hù)圖案完整性

視野開闊。對(duì)于設(shè)備端陣列或單個(gè)單元，應(yīng)在天線前方保持開放區(qū)域，并避免使用會(huì)干擾輻射器的遮罩。對(duì)稱設(shè)計(jì)可減少迎角偏差。

 

接地和禁入?yún)^(qū)域。在饋線和散熱器邊緣周圍預(yù)留離地間隙，保持金屬電池和支架之間的距離一致，并將電纜遠(yuǎn)離輻射孔。

 

發(fā)射規(guī)范。使用帶有密集過孔柵的共面波導(dǎo)光柵（CPWG），避免射頻路徑中的層間過渡，并保持饋線短，以維持整個(gè)頻段的輻射方向圖穩(wěn)定性。

 

在機(jī)械規(guī)格中記錄天線放置的超寬帶約束，以免后期更改導(dǎo)致設(shè)計(jì)失諧。

 

一旦模塊級(jí)測(cè)試在實(shí)際功率和波形下通過，鎖定設(shè)置并轉(zhuǎn)向最終檢查清單和工具，以加快 EVT 及后續(xù)測(cè)試中的可重復(fù)驗(yàn)證。

 

最終版 UWB 設(shè)計(jì)檢查清單和推薦工具

準(zhǔn)備好離開實(shí)驗(yàn)室，自信地?cái)U(kuò)大規(guī)模了嗎？使用這份實(shí)用的超寬帶設(shè)計(jì)清單，從概念到生產(chǎn)，確保脈沖保真度、模式和良率都符合預(yù)期。

 

設(shè)計(jì)和驗(yàn)證清單

要求：鎖定信道、鏈路預(yù)算、目標(biāo)模式和可接受的群延遲紋波。已發(fā)布的超寬帶原型機(jī)已證明，全頻段群延遲低于約 1 ns，這在設(shè)定限制條件時(shí)是一個(gè)有用的基準(zhǔn)。

 

• 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和布局。選擇符合空間和布局需求的散熱器系列，然后盡早通過 CAD 設(shè)計(jì)預(yù)留離地間隙和禁停區(qū)域。
• 電磁仿真工作流程。設(shè)置參數(shù)掃描、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分和去嵌入。根據(jù)模型規(guī)模和目標(biāo)，在 CST、HFSS 或 ADS 中選擇求解器和流。
• 射頻PCB可制造性設(shè)計(jì)（DFM）。明確疊層結(jié)構(gòu)、銅層厚度、表面處理、饋電點(diǎn)附近的掩膜回縮、過孔圍欄和拼板方式。與供應(yīng)商確認(rèn)公差范圍。
• 匹配和時(shí)域分析。優(yōu)先選擇最小網(wǎng)絡(luò)。每次更改后，驗(yàn)證 S11 參數(shù)并計(jì)算群延遲和脈沖響應(yīng)。
• 外殼效應(yīng)。測(cè)量安裝最終外殼后的輻射模式和效率。與裸露的測(cè)試樣品進(jìn)行比較。
• 模塊啟動(dòng)。使用 NiceRF UWB650Pro 作為參考平臺(tái)，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中驗(yàn)證天線 KPI 與測(cè)距精度和鏈路裕量之間的關(guān)系。NiceRF UWB650Pro。
• 陣列和到達(dá)角。目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高隔離度和方向圖對(duì)稱性。在超寬帶MIMO文獻(xiàn)中，20 dB以上的隔離度通常被認(rèn)為是高的，這指導(dǎo)了陣列間距和解耦的選擇（參見SSRG綜述）。

 

加快迭代速度的工具和模板

• 天線驗(yàn)證工具。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA），具備時(shí)域變換、門控和去嵌入功能。消聲室，配備用于方向圖測(cè)量的轉(zhuǎn)臺(tái)。
• 電磁仿真工具。CST、HFSS 或 ADS 用于在已記錄的電磁仿真工作流程中進(jìn)行快速參數(shù)化和優(yōu)化。
• 射頻PCB可制造性設(shè)計(jì)模板。包括疊層結(jié)構(gòu)和公差表格、掩模和表面處理檢查清單以及竣工圖記錄表。
• 數(shù)據(jù)包。版本化的 S 參數(shù)、群延遲圖、輻射模式以及跨版本的相關(guān)性說明。
• 在EVT退出之前，使用實(shí)際構(gòu)建的結(jié)構(gòu)和真實(shí)波形進(jìn)行驗(yàn)證。
• 從原型到可擴(kuò)展制造
• 根據(jù)腔室數(shù)據(jù)創(chuàng)建黃金單位和保護(hù)帶限值。
• 每次運(yùn)行后都將測(cè)試結(jié)果存檔：
• S 參數(shù)和去嵌入設(shè)置
• 群延遲和脈沖響應(yīng)圖
• 有無封閉空間時(shí)的輻射模式
• 竣工圖說明、疊層結(jié)構(gòu)、表面處理、銅箔厚度、掩模對(duì)準(zhǔn)
• 陣列校準(zhǔn)文件和偏移量（如有）
• 將射頻PCB設(shè)計(jì)制造規(guī)則鎖定到發(fā)布封裝中，并跟蹤介質(zhì)厚度、銅和掩模的SPC。
• 在UWB650Pro平臺(tái)上進(jìn)行試點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，在擴(kuò)展之前將天線 KPI 與測(cè)距誤差和鏈路裕量聯(lián)系起來。

 

按照這份清單，你就能交付能夠保持方向圖、保留脈沖信號(hào)，并且能夠從實(shí)驗(yàn)室到現(xiàn)場(chǎng)無縫擴(kuò)展的天線。

 

超寬帶天線設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)：常見問題解答

1. UWB 天線設(shè)計(jì)涵蓋的頻率范圍是多少？

對(duì)于天線工程而言，超寬帶 (UWB) 通常意味著至少 500 MHz 的瞬時(shí)帶寬或高于 0.2 的分?jǐn)?shù)帶寬。在美國(guó)，免許可的 UWB 頻段大致覆蓋 3.1–10.6 GHz，許多系統(tǒng)運(yùn)行在 6.49 GHz 附近的高頻段信道上，帶寬約為 499.2 MHz。實(shí)際部署通常采用 6.5 GHz 頻段、500 MHz 帶寬的信道，但各地規(guī)定有所不同。應(yīng)將合規(guī)性作為設(shè)計(jì)輸入，并盡早確認(rèn)最終的信道方案。

 

2. 為什么群延遲平坦度對(duì) UWB 測(cè)距和 AoA 很重要？

超寬帶 (UWB) 使用極短脈沖，因此天線的相位線性度直接影響脈沖形狀和時(shí)序。過大的群延遲紋波會(huì)引入振鈴并改變相位中心，即使 S11 參數(shù)看起來可以接受，也會(huì)導(dǎo)致距離和角度偏差。文章建議，為了獲得清晰的測(cè)距結(jié)果，應(yīng)將整個(gè)頻段的總變化保持在 1 ns 左右；同時(shí)，供應(yīng)商建議在 500 MHz 頻段內(nèi)將總變化控制在 100 ps 左右，以獲得更精確的迎角 (AoA) 性能。務(wù)必在頻域和時(shí)域進(jìn)行驗(yàn)證。

 

3. 哪些 UWB 天線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)最適合測(cè)距和遠(yuǎn)距離鏈路？

對(duì)于需要均勻覆蓋的標(biāo)簽和錨點(diǎn)，印刷單極天線憑借其寬帶寬和近乎全向的輻射方向圖，是理想之選。當(dāng)需要更遠(yuǎn)的覆蓋距離或想要抑制多徑效應(yīng)時(shí)，錐形縫隙天線或維瓦爾第式天線可以提供良好的方向性，但代價(jià)是尺寸增大和集成復(fù)雜?？p隙天線、環(huán)形天線和帶槽貼片天線可以在尺寸和帶寬之間取得平衡，而PIFA天線則適用于空間有限的情況，但可能需要更精細(xì)的封裝集成。

 

4. PCB材料和公差如何影響UWB天線的性能？

介電常數(shù)、損耗角正切和厚度對(duì)阻抗、帶寬和色散有顯著影響。FR-4 材料的介電常數(shù)變化會(huì)導(dǎo)致高 GHz 頻段的失諧和損耗，而低損耗射頻層壓板則能有效控制介電常數(shù)，從而提高效率。銅厚度、阻焊層蠕變和發(fā)射幾何形狀的微小物理誤差都會(huì)導(dǎo)致寬帶范圍內(nèi)較大的相對(duì)偏移。測(cè)量時(shí)，應(yīng)在饋電區(qū)附近使用阻焊層回縮，保持接地間隙，控制銅層厚度和表面處理，并去除板邊發(fā)射層的嵌入層。

 

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