由于UWB(Ultra Wide Band)系統(tǒng)使用500MHz以上的寬頻高速傳輸資料，因此UWB天線必需具備很好的頻率特性，最近幾OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex)與Mono Pulse通訊逐漸普及化，UWB的應(yīng)用更受到各界關(guān)注。

　　美國聯(lián)邦通訊委員會(FCC)將UWB的頻寬定義為3.1~10.6GHz，若考慮目前WLAN與無線TV使用的頻率以2.4GHz居多而言，設(shè)計UWB天線時必需要含蓋2.4GHz與FCC規(guī)定的頻域，此外未來為了能夠順利與頻寬為31.92~2.17GHz第3/3.5世代可攜式終端設(shè)備進(jìn)行資訊交流，并支援使用2~11GHz的IEEE802.16a終端設(shè)備，UWB天線適用頻率范圍以1.9~11GHz比較合理，除此之外UWB天線還必需可能夠以50Ω同軸纜線供電，而且天線的指向性呈均勻放射。有鑑于此接著本文根據(jù)上述條件深入探討可以含蓋1.9~11GHz頻率范圍，次世代平面超薄形UWB天線的設(shè)計技巧。 
 
　　UWB天線的特性

　　照片1是由大型橢圓狀原件(Element)、小型橢圓狀原件、倒U字型原件等放射金屬板構(gòu)成的UWB天線實際外觀，大型橢圓狀原件設(shè)有與小型橢圓狀原件幾乎相同尺寸的橢圓孔，兩原件都是利用軸纜線供電，兩橢圓狀原件連接于用軸纜線的中心導(dǎo)體，倒U字形原件則連接于用軸纜線外部的導(dǎo)體，天線的尺寸為58mm(高)x28mm(寬)。

　　接著檢討天線的結(jié)構(gòu)特性。圖1(a)是Volcano Smoke天線，這種天線必需使用立體狀大型接地板；圖1(b)是將Volcano Smoke天線放射原件部位改成任意形狀平面，不過為了獲得寬頻特性，因此設(shè)置大型接地板；圖1(c)是使用上下對稱性Image Element，雖然研究人員曾經(jīng)針對錐形線路整合方式進(jìn)行檢討，不過平衡型屬于高阻抗(Impedance)結(jié)構(gòu)，容易導(dǎo)致錐形線路變長；圖1(d)是省略接地板的對策方案，它是利用可以取得寬頻特性的倒U字型原件取代Image Element，藉此改善低頻時的阻抗整合；圖1(e)是為了改善高頻時的阻抗整合，使用高頻用小形原件，不過兩原件之間相互結(jié)合產(chǎn)生的特性反而更加劣化；圖1(f)是為了降低相互結(jié)合，因此在低頻用原件設(shè)置孔穴，藉此整合全頻域的阻抗。

　　天線結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　圖2是UWB天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計范例，如圖所示假設(shè)最低使用頻率的波長為Wz時，大型橢圓狀原件與倒U字形原件的高度大約是1/4Wz，本設(shè)計分別使用0.23與0.22波長。

　　小型橢圓狀原件的高度則為0.16Wz，圖2中對阻抗整合特性最具影響的參數(shù)分別是兩橢圓狀原件的間隔「d」，與橢圓狀原件-倒U字型原件之間的間隙「g」，本天線的實際尺寸利用實驗性檢討找出概略值，接著再透過模擬分析作最佳化設(shè)計。

　　模擬分析
　　如上所述最佳化設(shè)計是根據(jù)Moment法利用模擬分析進(jìn)行，模擬分析使用NEC(Numerical Electromagnetic Code)，圖3是實際模擬分析模式范例，Segment數(shù)量最大為3422個。

　　圖4是改變兩橢圓狀原件的距離d時，對頻率的VSWR特性計算值，此時大型橢圓狀原件與倒U字型原件的間隙g設(shè)為1mm，由圖4可知d=6mm時，VSWR變成最小。

　　圖5是改變大型橢圓狀原件與倒U字型原件的間隙g時，頻率的VSWR特性計算值，此時兩橢圓狀原件的距離d設(shè)定成圖4的最佳參數(shù)亦即d=6mm，由圖5可知g=1.2mm時VSWR變成最小，頻率范圍為2.4~10.6GHz時VSWR低于2.4。

　　圖6是本天線的三次元放射pattern計算結(jié)果，如圖所示2.5GHz與5GHz時的放射圖形呈甜甜圈狀，它的放射特性類似偶極(Dipole)天線，由圖可知8GHz時背面方向發(fā)生Null，10.6GHz時前后方向發(fā)生Null，造成該現(xiàn)象主要原因是本天線的放射原件非對稱性所致。

　　電氣特性
　　利用模擬分析獲得的參數(shù)制成的UWB天線，進(jìn)行實驗性微調(diào)最才后將d設(shè)為5mm。圖7是UWB天線的Return Loss特性測試結(jié)果，如上所述美國聯(lián)邦通訊委員會( FCC)將UWB的頻寬定義為3.1~10.6GHz，根據(jù)測試結(jié)果顯示本天線在2.4~12GHz頻率范圍內(nèi)具有良好的放射Pattern，此時Return Loss低于9.5dB，VSWR則低于2.0dB。

　　圖8與圖9分別是Azimuth面與Elevation面的放射Pattern實際測試結(jié)果，由圖8的Azimuth面放射Pattern顯示，本UWB天線可以獲得幾乎無指向性的放射Pattern，非常適合應(yīng)用在無線PAN(Personal Area Network)等領(lǐng)域。

　　根據(jù)圖9的Elevation面的放射Pattern顯示，本UWB天線可以獲得接近8字形的指向性，而且圖8與圖9測試結(jié)果與圖6的計算結(jié)果非常一致；表1是本UWB天線特性一覽。

表1 本UWB天線特性一覽

　　天線印刷電路基板化

　　上述照片1的UWB天線是由金屬板構(gòu)成，基于未來量產(chǎn)與特性安定化等考慮，天線印刷電路基板化除了比較有利之外還可以將5mm的厚度薄形化，如此一來也比較容易這封裝到無線PAN等對厚度要求非常嚴(yán)苛的通訊產(chǎn)品，若考慮頻寬2GHz第3/3.5世代終端的資料傳輸應(yīng)用，UWB天線必需可以支援1.92GHz的頻域，若是IEEE802.16a的應(yīng)用則需支援上限11GHz的頻率，換句話說即使天線電路基板化也必需能夠含蓋1.92GHz至11GHz的頻域。 

　　天線電路基板化時選擇印刷電路板方式，由于本UWB天線上限頻率為11GHz，因此採用即使上限頻率損失仍然很低的鐵氟龍(Teflon)材質(zhì)基板，實際上基板厚暫定為0.8mm，比誘電率εr=2.6，接著利用Moment法以IE3D模擬軟體進(jìn)行尺寸最佳化設(shè)計，圖10是針對小型橢圓狀原件高度hs進(jìn)行模擬分析獲得的VSWR特性，如圖10所示小型橢圓狀原件的高度28mm，頻率2GHz時VSWR最小，接著依此決定各部位最佳化尺寸。

　　圖11是印刷電路基板最終表面、背面結(jié)構(gòu)與相關(guān)尺寸，由圖11可知本天線基本構(gòu)造與照片1、圖2非常類似，唯一差異是大、小型橢圓狀原件的連接改成貫穿孔(Through Hole)方式，相關(guān)尺寸則以1.92GHz最低使用頻率換算成WL，若與圖2的結(jié)構(gòu)比較以波長換算，小型橢圓狀原件的高度大約增加12%，大型橢圓狀原件的外形尺寸幾乎無任何改變，它的低頻頻率仍然可以含蓋至1.92GHz，圖11的尺寸經(jīng)過實際試作進(jìn)行實驗性微，條使VSWR值可以變成最小的最終尺寸。

　　圖12是印刷電路基板化后UWB天線的電氣特性測試結(jié)果，由圖可知天線1.92~11GHz的Return Loss低于-9.5dB，亦即VUWB天線VSWR低于2.0，由此可知本天線的電氣特性非常良好。

　　圖13與圖14分別是天線的Azimuth與Elevation面實際測試的放射Pattern特性，由圖13可知印刷電路基板化后UWB天線具備幾無指向性的放射Pattern，Azimuth面內(nèi)的波動1.92GHz時為2.9dB，峰值等化1.92GHz時為3.1dBi；圖14的Elevation面內(nèi)放射Pattern特性則呈8字形；表2是印刷電路基板化后UWB天線特性一覽。根據(jù)以上資料顯示本天線非常適合第3/3.5世代終端、ISM Band 2.4GHz WLAN，以及FCC規(guī)定的UWB Band、IEEE802.16a含蓋的1.92~11GHz頻域使用；照片2是外掛式UWB天線的實際外觀，天線的外形尺寸為75mm(高)x45mm(寬)x20mm(厚)。

表2 印刷電路基板化后UWB天線特性一覽

　　結(jié)語

　　以上介紹次世代平面超薄形UWB天線的設(shè)計技巧，基本上UWB天線是由大型橢圓狀原件(Element)、小型橢圓狀原件、倒U字型原件等放射金屬板構(gòu)成，它可以含蓋1.92~11GHz頻率范圍，至于印刷電路基板化則是利用模擬分析進(jìn)行尺寸最佳化設(shè)計，接著經(jīng)過實際試作進(jìn)行實驗性微，條使VSWR值可以變成最小依此決定最終尺寸，根據(jù)電氣特性測試結(jié)果顯然本天線非常適合第3/3.5世代終端、
ISM Band 2.4GHz WLAN，以及FCC規(guī)定的UWB Band、IEEE802.16a含蓋的1.92~11GHz頻域使用。