通讯用平面UWB天线的设计技巧

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。 　 　 　 项目 性能 频宽 2.4~10.6GHz VSWR 2 峰值等化 2.4GHz 2.6dBi 3.1GHz 2.8dBi 5.0GHz 3.0dBi 8.0GHz 5.2dBi 10.6GHz 2.9dBi 偏波 　 天线尺寸 高 58mm 宽 28mm 厚 5mm 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)。 　 　 项目 性能 频宽 1.92~11GHz VSWR 2 峰值等化 1.92GHz 3.1dBi 2.4GHz 1.8dBi 3.1GHz 2.3dBi 5.0GHz 2.8dBi 8.0GHz 4.7dBi 10.6GHz 4.3dBi 偏波 Vertical 天线尺寸 高 67mm 宽 29mm 厚 0.8mm 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。