Articles & Blogs > 颠覆传统的超宽带芯片天线满足不同应用的需求

颠覆传统的超宽带芯片天线满足不同应用的需求

作者： Bill Schweber 2023-07-06

标签

天线的功能就是充当麦克斯韦方程组所描述的射频世界与电流和电压组成的电路世界之间的双向变换器。但令人惊讶的是，现今使用的天线类型和尺寸多种多样，包括八木天线、蝴蝶结天线、环形天线、碟形天线、贴片天线、偶极天线、单极天线、喇叭天线、螺旋形天线和短截线天线等等。

原因在于天线及其配置始终面临着复杂的挑战，需要满足许多通常相互冲突的目标。需要关注的参数包括中心频率、3 dB 带宽、辐射模式、方向性、前后比、副瓣、物理尺寸、阻抗和功率处理，以及典型尺寸、效率和成本问题。

理想情况下，一部天线要符合所有要求，特别是在成本和空间非常关键时。虽然我们还没有做到这一点，但对于需要快速、可靠、低功耗连接的很多不同应用而言，超宽带 (UWB) 天线是不错的选择。

评估天线

过去，很多系统的一个关键目标是将天线带宽（在 -3 dB 点之间测得）保持在最小值，以避免接收不相关的信号，或者产生不必要的干扰。毕竟，为什么要支持带外性能和增加接收的噪声呢？尤其是这样做意味着在其他因素上做出妥协的情况下。

带宽参数的一个常见指标是分数带宽 (FBW)。分数带宽就是频率跨度（最高频率减去最低频率）除以中心频率的比值。分数带宽的范围从零到二，通常表示为 0% 到 200% 之间的百分比。这一百分比越高，带宽越宽。

如果有个简单的原则能指出不同天线类型的分数带宽大概是多少就好了，但这是不可能的。原因在于，天线需要在设计和物理尺寸方面做出许多权衡，可能比大多数元器件更甚。天线具有很高的自由度，因而其包括分数带宽在内的各种参数必须保持相互平衡，以找到适合特定应用的“最佳”设计。

几乎所有天线的分数带宽都可以通过与其他参数的权衡来调整大小，包括方向性（增益）、副瓣、辐射模式、物理尺寸，以及多元件设计的元件数量等参数。例如，传统八木宇田天线的分数带宽可以从百分之几调节至百分之几十，方法是改变其元件的数量和间距、厚度及其他物理属性。

有些专家认为分数带宽等于或高于 20% 的天线就是 UWB 天线，而另一些专家则认为只有分数带宽高于 50% 的天线才算 UWB 天线。美国联邦通信委员会 (FCC) 和国际电信联盟无线通信部门 (ITU-R) 目前将超宽带定义为发射信号带宽超过 500 MHz 或算术中心频率的 20%（以较小值为准）的天线传输。由于存在混淆的可能性，在讨论该主题时，最好先问清楚。

超宽带：此一时彼一时，需求已发生变化

过去指令要求保持尽可能窄的分数带宽，但随着宽带和多频带应用的出现，现今偏好分数带宽非常高的超宽带天线，甚至强制要求这样的天线。事实上，近期的很多学术论文描述了具有超宽带特性的新型或创新天线配置。

下面我们讨论一下超宽带这个术语。“超宽带”具有两种不同的含义。对于天线而言，它与我们上文讨论的分数带宽相关。但是，对于电磁频谱而言，“超宽带”这个术语也用于描述有更多可用带宽的更高频率。

例如，使用 30 至 300 GHz 这一部分极高频 (EHF) 频段的应用通常被称为超宽带应用，因为它们可以使用几百 MHz 的超宽带来支持极高的数据速率。但是，在 60 GHz 频率下使用 1 GHz 带宽这样的超宽带应用并不需要超宽带天线，而是需要中心频率为 60 GHz，分数带宽仅为 1.7% 左右的天线。

超宽带天线，例如 ACG0806U、ACG0301U 和 ACG0502U（来自 Abracon）在很宽的频率范围内工作。它们可用于替代多个窄带天线，同时提供高度的设计灵活性和可靠的连接性（表 1）。

$Table showing how the ACG0806U, ACG0301U, and ACG0502U UWB antennas offer different combinations of frequency range and fractional bandwidth$ 表 1：ACG0806U、ACG0301U 和 ACG0502U 超宽带天线提供不同的频率范围和分数带宽组合。（图片来源：Bill Schweber，来自 Abracon 数据）