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通讯用平面UWB天线的设计技巧

05-08
由于UWB(Ultra Wide Band)系统使用500MHz以上的宽频高速传输资料,因此UWB天线必需具备很好的频率特性,最近几OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex)与Mono Pulse通讯逐渐普及化,UWB的应用更受到各界关注。
  美国联邦通讯委员会(FCC)将UWB的频宽定义为3.1~10.6GHz,若考虑目前WLAN与无线TV使用的频率以2.4GHz居多而言,设计UWB天线时必需要含盖2.4GHz与FCC规定的频域,此外未来为了能够顺利与频宽为31.92~2.17GHz第3/3.5世代可携式终端设备进行资讯交流,并支援使用2~11GHz的IEEE802.16a终端设备,UWB天线适用频率范围以1.9~11GHz比较合理,除此之外UWB天线还必需可能够以50Ω同轴缆线供电,而且天线的指向性呈均匀放射。有鑑于此接着本文根据上述条件深入探讨可以含盖1.9~11GHz频率范围,次世代平面超薄形UWB天线的设计技巧。

  UWB天线的特性

  照片1是由大型椭圆状原件(Element)、小型椭圆状原件、倒U字型原件等放射金属板构成的UWB天线实际外观,大型椭圆状原件设有与小型椭圆状原件几乎相同尺寸的椭圆孔,两原件都是利用轴缆线供电,两椭圆状原件连接于用轴缆线的中心导体,倒U字形原件则连接于用轴缆线外部的导体,天线的尺寸为58mm(高)x28mm(宽)。


  接着检讨天线的结构特性。图1(a)是Volcano Smoke天线,这种天线必需使用立体状大型接地板;图1(b)是将Volcano Smoke天线放射原件部位改成任意形状平面,不过为了获得宽频特性,因此设置大型接地板;图1(c)是使用上下对称性Image Element,虽然研究人员曾经针对锥形线路整合方式进行检讨,不过平衡型属于高阻抗(Impedance)结构,容易导致锥形线路变长;图1(d)是省略接地板的对策方案,它是利用可以取得宽频特性的倒U字型原件取代Image Element,藉此改善低频时的阻抗整合;图1(e)是为了改善高频时的阻抗整合,使用高频用小形原件,不过两原件之间相互结合产生的特性反而更加劣化;图1(f)是为了降低相互结合,因此在低频用原件设置孔穴,藉此整合全频域的阻抗。


  天线结构设计
  图2是UWB天线的结构设计范例,如图所示假设最低使用频率的波长为Wz时,大型椭圆状原件与倒U字形原件的高度大约是1/4Wz,本设计分别使用0.23与0.22波长。
  小型椭圆状原件的高度则为0.16Wz,图2中对阻抗整合特性最具影响的参数分别是两椭圆状原件的间隔「d」,与椭圆状原件-倒U字型原件之间的间隙「g」,本天线的实际尺寸利用实验性检讨找出概略值,接着再透过模拟分析作最佳化设计。


  模拟分析
  如上所述最佳化设计是根据Moment法利用模拟分析进行,模拟分析使用NEC(Numerical Electromagnetic Code),图3是实际模拟分析模式范例,Segment数量最大为3422个。


  图4是改变两椭圆状原件的距离d时,对频率的VSWR特性计算值,此时大型椭圆状原件与倒U字型原件的间隙g设为1mm,由图4可知d=6mm时,VSWR变成最小。


  图5是改变大型椭圆状原件与倒U字型原件的间隙g时,频率的VSWR特性计算值,此时两椭圆状原件的距离d设定成图4的最佳参数亦即d=6mm,由图5可知g=1.2mm时VSWR变成最小,频率范围为2.4~10.6GHz时VSWR低于2.4。


  图6是本天线的三次元放射pattern计算结果,如图所示2.5GHz与5GHz时的放射图形呈甜甜圈状,它的放射特性类似偶极(Dipole)天线,由图可知8GHz时背面方向发生Null,10.6GHz时前后方向发生Null,造成该现象主要原因是本天线的放射原件非对称性所致。


  电气特性
  利用模拟分析获得的参数制成的UWB天线,进行实验性微调最才后将d设为5mm。图7是UWB天线的Return Loss特性测试结果,如上所述美国联邦通讯委员会( FCC)将UWB的频宽定义为3.1~10.6GHz,根据测试结果显示本天线在2.4~12GHz频率范围内具有良好的放射Pattern,此时Return Loss低于9.5dB,VSWR则低于2.0dB。


  图8与图9分别是Azimuth面与Elevation面的放射Pattern实际测试结果,由图8的Azimuth面放射Pattern显示,本UWB天线可以获得几乎无指向性的放射Pattern,非常适合应用在无线PAN(Personal Area Network)等领域。
  根据图9的Elevation面的放射Pattern显示,本UWB天线可以获得接近8字形的指向性,而且图8与图9测试结果与图6的计算结果非常一致;表1是本UWB天线特性一览。







表1 本UWB天线特性一览

  天线印刷电路基板化

  上述照片1的UWB天线是由金属板构成,基于未来量产与特性安定化等考虑,天线印刷电路基板化除了比较有利之外还可以将5mm的厚度薄形化,如此一来也比较容易这封装到无线PAN等对厚度要求非常严苛的通讯产品,若考虑频宽2GHz第3/3.5世代终端的资料传输应用,UWB天线必需可以支援1.92GHz的频域,若是IEEE802.16a的应用则需支援上限11GHz的频率,换句话说即使天线电路基板化也必需能够含盖1.92GHz至11GHz的频域。
  天线电路基板化时选择印刷电路板方式,由于本UWB天线上限频率为11GHz,因此採用即使上限频率损失仍然很低的铁氟龙(Teflon)材质基板,实际上基板厚暂定为0.8mm,比诱电率εr=2.6,接着利用Moment法以IE3D模拟软体进行尺寸最佳化设计,图10是针对小型椭圆状原件高度hs进行模拟分析获得的VSWR特性,如图10所示小型椭圆状原件的高度28mm,频率2GHz时VSWR最小,接着依此决定各部位最佳化尺寸。


  图11是印刷电路基板最终表面、背面结构与相关尺寸,由图11可知本天线基本构造与照片1、图2非常类似,唯一差异是大、小型椭圆状原件的连接改成贯穿孔(Through Hole)方式,相关尺寸则以1.92GHz最低使用频率换算成WL,若与图2的结构比较以波长换算,小型椭圆状原件的高度大约增加12%,大型椭圆状原件的外形尺寸几乎无任何改变,它的低频频率仍然可以含盖至1.92GHz,图11的尺寸经过实际试作进行实验性微,条使VSWR值可以变成最小的最终尺寸。


  图12是印刷电路基板化后UWB天线的电气特性测试结果,由图可知天线1.92~11GHz的Return Loss低于-9.5dB,亦即VUWB天线VSWR低于2.0,由此可知本天线的电气特性非常良好。


  图13与图14分别是天线的Azimuth与Elevation面实际测试的放射Pattern特性,由图13可知印刷电路基板化后UWB天线具备几无指向性的放射Pattern,Azimuth面内的波动1.92GHz时为2.9dB,峰值等化1.92GHz时为3.1dBi;图14的Elevation面内放射Pattern特性则呈8字形;表2是印刷电路基板化后UWB天线特性一览。根据以上资料显示本天线非常适合第3/3.5世代终端、ISM Band 2.4GHz WLAN,以及FCC规定的UWB Band、IEEE802.16a含盖的1.92~11GHz频域使用;照片2是外挂式UWB天线的实际外观,天线的外形尺寸为75mm(高)x45mm(宽)x20mm(厚)。







表2 印刷电路基板化后UWB天线特性一览

  结语

  以上介绍次世代平面超薄形UWB天线的设计技巧,基本上UWB天线是由大型椭圆状原件(Element)、小型椭圆状原件、倒U字型原件等放射金属板构成,它可以含盖1.92~11GHz频率范围,至于印刷电路基板化则是利用模拟分析进行尺寸最佳化设计,接着经过实际试作进行实验性微,条使VSWR值可以变成最小依此决定最终尺寸,根据电气特性测试结果显然本天线非常适合第3/3.5世代终端、
ISM Band 2.4GHz WLAN,以及FCC规定的UWB Band、IEEE802.16a含盖的1.92~11GHz频域使用。

受教了,感谢小编!

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