顛覆傳統的超寬帶芯片天線滿足不同應用的需求
發布時間：2023-7-19 10:32
發布者：eechina
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來源：Digi-Key 作者：Bill Schweber 天線的功能就是充當麥克斯韋方程組所描述的射頻世界與電流和電壓組成的電路世界之間的雙向變換器。但令人驚訝的是，現今使用的天線類型和尺寸多種多樣，包括八木天線、蝴蝶結天線、環形天線、碟形天線、貼片天線、偶極天線、單極天線、喇叭天線、螺旋形天線和短截線天線等等。 原因在于天線及其配置始終面臨著復雜的挑戰，需要滿足許多通常相互沖突的目標。需要關注的參數包括中心頻率、3 dB 帶寬、輻射模式、方向性、前后比、副瓣、物理尺寸、阻抗和功率處理，以及典型尺寸、效率和成本問題。 理想情況下，一部天線要符合所有要求，特別是在成本和空間非常關鍵時。雖然我們還沒有做到這一點，但對于需要快速、可靠、低功耗連接的很多不同應用而言，超寬帶 (UWB) 天線是不錯的選擇。 評估天線 過去，很多系統的一個關鍵目標是將天線帶寬（在 -3 dB 點之間測得）保持在最小值，以避免接收不相關的信號，或者產生不必要的干擾。畢竟，為什么要支持帶外性能和增加接收的噪聲呢？尤其是這樣做意味著在其他因素上做出妥協的情況下。 帶寬參數的一個常見指標是分數帶寬 (FBW)。分數帶寬就是頻率跨度（最高頻率減去最低頻率）除以中心頻率的比值。分數帶寬的范圍從零到二，通常表示為 0% 到 200% 之間的百分比。這一百分比越高，帶寬越寬。 如果有個簡單的原則能指出不同天線類型的分數帶寬大概是多少就好了，但這是不可能的。原因在于，天線需要在設計和物理尺寸方面做出許多權衡，可能比大多數元器件更甚。天線具有很高的自由度，因而其包括分數帶寬在內的各種參數必須保持相互平衡，以找到適合特定應用的“最佳”設計。 幾乎所有天線的分數帶寬都可以通過與其他參數的權衡來調整大小，包括方向性（增益）、副瓣、輻射模式、物理尺寸，以及多元件設計的元件數量等參數。例如，傳統八木宇田天線的分數帶寬可以從百分之幾調節至百分之幾十，方法是改變其元件的數量和間距、厚度及其他物理屬性。 有些專家認為分數帶寬等于或高于 20% 的天線就是 UWB 天線，而另一些專家則認為只有分數帶寬高于 50% 的天線才算 UWB 天線。美國聯邦通信委員會 (FCC) 和國際電信聯盟無線通信部門 (ITU-R) 目前將超寬帶定義為發射信號帶寬超過 500 MHz 或算術中心頻率的 20%（以較小值為準）的天線傳輸。由于存在混淆的可能性，在討論該主題時，最好先問清楚。 超寬帶：此一時彼一時，需求已發生變化 過去指令要求保持盡可能窄的分數帶寬，但隨著寬帶和多頻帶應用的出現，現今偏好分數帶寬非常高的超寬帶天線，甚至強制要求這樣的天線。事實上，近期的很多學術論文描述了具有超寬帶特性的新型或創新天線配置。 下面我們討論一下超寬帶這個術語�！俺瑢拵А本哂袃煞N不同的含義。對于天線而言，它與我們上文討論的分數帶寬相關。但是，對于電磁頻譜而言，“超寬帶”這個術語也用于描述有更多可用帶寬的更高頻率。 例如，使用 30 至 300 GHz 這一部分極高頻 (EHF) 頻段的應用通常被稱為超寬帶應用，因為它們可以使用幾百 MHz 的超寬帶來支持極高的數據速率。但是，在 60 GHz 頻率下使用 1 GHz 帶寬這樣的超寬帶應用并不需要超寬帶天線，而是需要中心頻率為 60 GHz，分數帶寬僅為 1.7% 左右的天線。 超寬帶天線，例如 ACG0806U、ACG0301U 和 ACG0502U（來自 Abracon）在很寬的頻率范圍內工作。它們可用于替代多個窄帶天線，同時提供高度的設計靈活性和可靠的連接性（表 1）。 
表 1：ACG0806U、ACG0301U 和 ACG0502U 超寬帶天線提供不同的頻率范圍和分數帶寬組合。（圖片來源：Bill Schweber，來自 Abracon 數據） 超寬帶信號及其天線的潛在傳輸范圍很廣，使其非常適合網關和路由器、高速流媒體、無線接入點、手持式設備、跟蹤定位、智能家居設備控制、娛樂系統等應用。它們還適用于物聯網 (IoT)、機對機 (M2M) 通信、安全汽車門禁、物品追蹤、室內導航、免動手支付、智能門禁、異物探測等領域的應用。 此外，Abracon 的超寬帶天線專門針對下一代連接而設計。它們覆蓋了從 698 MHz 到 7 GHz 的整個頻譜，并具備多個優勢： · 高性能 · 高輻射效率 · 低功耗（因為超寬帶系統的功耗要求低） · 滿足行業對快速穩定數據傳輸的需求 · 完整的分立式芯片器件，簡化天線設計導入和電路板/系統布局 強調細節 仔細觀察 Abracon 超寬帶天線，便可發現其特性，以及其如何簡化工程設計工作。ACG0806U 是一款表面貼裝器件 (SMD) 超寬帶天線，工作頻率為 3.3 GHz 至 7.2 GHz（4000 MHz 帶寬），采用小巧的 8.0 × 6.0 × 1.2 mm 陶瓷芯片封裝（圖 1）。
圖 1：Abracon ACG0806U 是一款超寬帶天線，工作頻率為 3.3 GHz 至 7.2 GHz，采用小巧的 8.0 × 6.0 × 1.2 mm 陶瓷芯片封裝。（圖片來源：Abracon） 在電氣特性方面，ACG0806U 提供線性極化和全向方位波束寬度，標稱阻抗為 50 Ω，電壓駐波比 (VSWR) 則低于 3.5。以下圖表顯示了更詳細的性能信息，包括回波損耗的阻抗特性，以及總效率的發射特性（圖 2 和圖 3）。
圖 2：ACG0806U 的回波損耗（以 dB 為單位）圖，詳細顯示了其在指定工作頻段內的一個性能方面。（圖片來源：Abracon）
圖 3：圖中顯示了 ACG0806U 在工作頻率范圍內的效率。（圖片來源：Abracon） 如何以及在何處放置和連接芯片天線，對設計人員而言同樣重要。一個評估板顯示了 ACG0806U 的放置位置以及相關匹配電路（圖 4）。
圖 4：圖中顯示了放置 ACG0806U 天線的相關尺寸。（圖片來源：Abracon） 總結 如今，多頻帶和寬帶應用受到越來越多的關注，而支持這些應用就需要用到超寬帶天線。Abracon 提供了一系列具有不同中心頻率和帶寬的表面貼裝超寬帶芯片天線。使用這些天線，設計人員能夠快速選擇超寬帶天線并將其放置于電路板上，更快地進入項目的下一階段。 |
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