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來源：內(nèi)容由半導(dǎo)體行業(yè)觀察（ID：icbank）編譯自semiwiki

1912 年 4 月 14 日深夜，RMS 泰坦尼克號(hào)發(fā)送了一條求救信息：它剛剛撞上冰山，正在下沉。盡管廣播緊急無線信號(hào)今天是常見的，但在20世紀(jì)初，這是最尖端的技術(shù)。這得益于過去 20 年開發(fā)的寬帶無線電的發(fā)明：火花隙發(fā)射器（ spark-gap transmitter）。

火花隙無線電由 Heinrich Hertz 在 1880 年代開發(fā)，由 Guglielmo Marconi 改進(jìn)，他于 1901 年成功地跨大西洋發(fā)送了第一個(gè)無線電傳輸。泰坦尼克號(hào)災(zāi)難之后，使用火花隙發(fā)射機(jī)的無線電報(bào)迅速在大型輪船普及，1912 年的《無線電法》更是要求所有航海船只保持 24 小時(shí)的無線電值班。火花隙無線電是當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)船舶之間的無線通信，并在第一次世界大戰(zhàn)期間使用。
火花隙無線電的架構(gòu)與我們目前用在手機(jī)、WiFi 網(wǎng)絡(luò)和藍(lán)牙設(shè)備的無線收發(fā)器架構(gòu)有很大不同。現(xiàn)代窄帶通信系統(tǒng)調(diào)制連續(xù)波形射頻 (RF) 信號(hào)以傳輸和接收信息。但在當(dāng)時(shí)，火花隙發(fā)射器通過電火花產(chǎn)生電磁波，并且沒有調(diào)制窄帶射頻信號(hào)。火花是使用通過跨兩個(gè)導(dǎo)體之間的間隙的電弧放電的電容產(chǎn)生的。這些非常短的時(shí)間放電會(huì)在電線中產(chǎn)生振蕩電流，然后激發(fā)出一種電磁波，該電磁波輻射出去并且可以在很遠(yuǎn)的距離內(nèi)被電磁波拾取。根據(jù)眾所周知的時(shí)頻二元性原理，類似于電火花的時(shí)間上的短脈沖會(huì)產(chǎn)生頻率上的寬帶信號(hào)，這是二十多年來通信的基礎(chǔ)。
需要注意的有趣一點(diǎn)是火花隙收音機(jī)無法支持連續(xù)傳輸，例如聲音信號(hào)。一條消息必須由一系列火花組成，傳輸離散的信息片段，使其成為第一個(gè)數(shù)字收音機(jī)。這種特性非常適合傳輸摩爾斯電碼。然而，當(dāng)時(shí)人們認(rèn)為火花隙收音機(jī)不可能在不丟失信息的情況下傳輸連續(xù)的信號(hào)，如語音或音樂。香農(nóng)和奈奎斯特早在幾十年前就展示了如何使用數(shù)字調(diào)制技術(shù)來做到這一點(diǎn)。
數(shù)字調(diào)制知識(shí)的這種差距，加上難以產(chǎn)生高功率火花隙傳輸是火花隙無線電的致命缺點(diǎn)。第一次世界大戰(zhàn)后，使用真空管開發(fā)了基于載波的發(fā)射器，產(chǎn)生可以攜帶音頻的連續(xù)波。如今，幾乎所有無線收發(fā)器都使用相同的架構(gòu)，這一切都基于美國(guó)工程師 Edwin Armstrong 在 1918 年的工作。稱為超外差無線電，這種架構(gòu)使用混頻將接收到的窄帶信號(hào)轉(zhuǎn)換為相對(duì)較低的中頻 (IF)，即然后在基帶電路中處理。從 1920 年左右開始，這項(xiàng)創(chuàng)新催生了 AM 收音機(jī)，十年后又出現(xiàn)了 FM 收音機(jī)。到 1920 年代后期，唯一仍在使用的火花發(fā)射器是海軍艦艇上的傳統(tǒng)裝置。寬帶無線電實(shí)際上已經(jīng)死了。
100 年后寬帶的重生

為什么 Apple 會(huì)在 2019 年發(fā)布帶有超寬帶 (UWB) 收發(fā)器的 iPhone 11，該收發(fā)器是在其新的 U1 無線處理器芯片上實(shí)現(xiàn)的。答案需要一些偵探工作來尋找可以追溯到上世紀(jì)中葉的線索。
第一條線索是 1930 年代和第二次世界大戰(zhàn)期間在世界各地的絕密實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的另一種基于脈沖的寬帶無線電技術(shù)：雷達(dá)。RADAR 的故事已經(jīng)講過很多次了；它在不列顛海戰(zhàn)和太平洋海戰(zhàn)中都提供了關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。
為了更好地簡(jiǎn)述本次的技術(shù)，我們來重溫一下雷達(dá)的原理。RADAR 能夠確定物體的范圍、角度和速度。戰(zhàn)后，基于脈沖的收發(fā)器再次開始獲得發(fā)展動(dòng)力。從 1960 年代到 1990 年代，這項(xiàng)技術(shù)被限制在機(jī)密程序下的軍事應(yīng)用，既是定位又是通信技術(shù)。到 1980 年代中期，美國(guó)天主教大學(xué)的 Harmuth 和 Sperry Rand Corp 的 Ross 和 Robbins 等 UWB 先驅(qū)的大量研究論文、書籍和專利變得可用。由于寬帶提供位置數(shù)據(jù)的獨(dú)特能力，這一重要的信息來源重新引起了人們對(duì) UWB 系統(tǒng)的興趣。
蘋果對(duì) UWB 的第一個(gè)用途是提供定位數(shù)據(jù)。定位支持增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR)、虛擬現(xiàn)實(shí) (VR)、游戲、設(shè)備恢復(fù)、文件共享和廣告信標(biāo)等領(lǐng)域的許多應(yīng)用。
被Wi-Fi擊敗

在上文中，我們講述了寬帶無線電的誕生。事實(shí)上，寬帶無線電的故事還沒有結(jié)束……

隨著 1990 年代無線通信需求的增長(zhǎng)，超寬帶 (UWB) 的優(yōu)勢(shì)變得更加明顯。但是 UWB 系統(tǒng)的商業(yè)部署需要在頻率分配、諧波和功率限制等方面達(dá)成全球協(xié)議。隨著對(duì) UWB 商業(yè)化興趣的增加，UWB 系統(tǒng)的開發(fā)商開始向 FCC 施壓，要求批準(zhǔn)其用于商業(yè)用途。2002 年，聯(lián)邦通信委員會(huì) (FCC) 終于允許未經(jīng)許可使用的 UWB 系統(tǒng)。幾年后，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì) (ETSI) 制定了自己的法規(guī)，遺憾的是與 FCC 法規(guī)略有不同。其他地區(qū)緊隨其后，通常與 FCC 或 ETSI 保持一致。
UWB 系統(tǒng)使用短時(shí)（即皮秒到納秒）電磁脈沖來傳輸和接收信息。它們還具有非常低的占空比，其定義為脈沖出現(xiàn)的時(shí)間與總傳輸時(shí)間的比率。根據(jù) 2000 年代制定的發(fā)射法規(guī)，UWB 信號(hào)被定義為頻譜大于 500 MHz 的信號(hào)。大多數(shù)國(guó)家現(xiàn)在都同意 UWB 的最大輸出功率，定義為 -41.3 dBm/MHz。
隨著法規(guī)的到位，公司聯(lián)盟開始形成，以標(biāo)準(zhǔn)化物理層和媒體訪問控制 (MAC) 層。2002 年，WiMedia 聯(lián)盟成立，這是一個(gè)非營(yíng)利性行業(yè)貿(mào)易組織，旨在促進(jìn) UWB 技術(shù)的采用、監(jiān)管、標(biāo)準(zhǔn)化和多供應(yīng)商互操作性。2004 年，無線 USB 推廣組和 UWB 論壇緊隨其后。
為了理解這些聯(lián)盟所做的選擇，我們應(yīng)該將它們置于語境中。
在2002 年，WiFi 還是一項(xiàng)相對(duì)較新的技術(shù)。802.11b 路由器于 1999 年推出，使用 2.4 GHz 頻段時(shí)的理論最大速度為 11 Mbit/s。802.11a 標(biāo)準(zhǔn)也是在 1999 年定義的，并承諾在 5 GHz 頻帶中的理論最大速度為 54 Mbit/s，但由于其較高的芯片組成本，在消費(fèi)領(lǐng)域沒有受到關(guān)注。2003 年，802.11g 標(biāo)準(zhǔn)推出，在 2.4 GHz 頻段提供了 54 Mbit/s 的理論最大速度。盡管事實(shí)證明 802.11g 標(biāo)準(zhǔn)取得了巨大的成功，但數(shù)據(jù)速率仍然受到擁擠的 2.4 GHz 頻段的限制，該頻段是當(dāng)時(shí)無線 LAN 的骨干，運(yùn)行在這個(gè)頻段的還有微波爐和無繩電話！
正是考慮到這些限制，市場(chǎng)提出了新一代 UWB 無線電。隨著法規(guī)的出臺(tái)，人們很難抗拒支持 UWB 的高數(shù)據(jù)速率的承諾。事實(shí)上，F(xiàn)CC 在 3.1 和 10.6 GHz 之間分配的 7.5 GHz 帶寬對(duì)于無線通信工程師來說是極其寶貴的資源。這就是基于 UWB 多頻帶正交頻分復(fù)用 (OFDM) 以 480 Mbit/s 的數(shù)據(jù)速率提出短距離（即幾米）文件傳輸規(guī)范的方式。經(jīng)過幾年的發(fā)展，第一個(gè)零售產(chǎn)品于 2007 年年中開始出貨。這在很大程度上是一種過度設(shè)計(jì)的無線電，以相對(duì)經(jīng)典的方式多路復(fù)用多個(gè)寬帶寬載波，本身并不是類似于火花隙無線電的基于脈沖的無線電。
盡管當(dāng)時(shí) OFDM UWB 制造了很多噪音并且產(chǎn)品很有前途，但它在 2000 年代后期推向市場(chǎng)卻遭遇了一場(chǎng)挑戰(zhàn)——2008 年的大衰退，這導(dǎo)致消費(fèi)電子產(chǎn)品的零售額大幅下降。此外，雖然不同的 UWB 聯(lián)盟都在開發(fā)新產(chǎn)品，但 WiFi 聯(lián)盟并沒有停滯不前。2006年，經(jīng)過多年的發(fā)展和談判，他們發(fā)布了802.11n標(biāo)準(zhǔn)的初稿。它支持多路輸入和多路輸出 (MIMO) 概念以復(fù)用信道，其開發(fā)目的是提供高達(dá) 600 Mb/s 的數(shù)據(jù)速率。盡管該標(biāo)準(zhǔn)的最終版本在 2009 年 10 月之前并未發(fā)布，但支持該標(biāo)準(zhǔn)草案的路由器于 2007 年開始搶先發(fā)貨。
給OFDM UWB 棺材打上的最后一顆釘子來自技術(shù)本身。當(dāng)時(shí)提出的OFDM UWB收發(fā)器RF架構(gòu)的復(fù)雜性和嚴(yán)格的時(shí)序要求，導(dǎo)致產(chǎn)品成本相對(duì)較高，功耗低。
上述事件和技術(shù)過度設(shè)計(jì)的芯片組的結(jié)合標(biāo)志著高速 UWB 無線電的消亡。當(dāng)時(shí) UWB 芯片組的領(lǐng)導(dǎo)者 WiQuest 在 2008 年初擁有 85% 的市場(chǎng)份額，于 2008 年 10 月 31 日停止運(yùn)營(yíng)。UWB 論壇因與 WiMedia 聯(lián)盟的方法不一致而未能就標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成一致后解散。WiMedia 聯(lián)盟在將其所有規(guī)范和技術(shù)轉(zhuǎn)讓給無線 USB 推廣組和藍(lán)牙特別興趣組后于 2009 年停止運(yùn)營(yíng)。然而，藍(lán)牙特別興趣小組在同年放棄了作為藍(lán)牙 3.0 一部分的 UWB 的開發(fā)。
不幸的是，在第一個(gè)基于火花隙無線電的 UWB 系統(tǒng)退役幾乎整整一個(gè)世紀(jì)之后，這種基于 OFDM 無線電架構(gòu)的 UWB 無線電的新迭代正在失寵。
然而，盡管困難重重，世界將不必再等一個(gè)世紀(jì)，就能看到新的和改進(jìn)的 UWB 無線電實(shí)現(xiàn)。事實(shí)上，火花隙無線電將成為這次 UWB 復(fù)興帶來更多的靈感。
UWB的復(fù)興

在上文中，我們討論了過度設(shè)計(jì)的正交頻分復(fù)用 (OFDM) 收發(fā)器的超寬帶 (UWB) 的失敗。這標(biāo)志著所提議的應(yīng)用——短距離非常高的數(shù)據(jù)速率（即幾百 Mbps）無線鏈路的終結(jié)——而不是技術(shù)。事實(shí)上，UWB 的歷史有點(diǎn)復(fù)雜：當(dāng)高速無線 UWB 提案開始衰落時(shí)，其他 UWB 應(yīng)用正在蓬勃發(fā)展。
從二戰(zhàn)開始，微波系統(tǒng)的快速發(fā)展為UWB系統(tǒng)的發(fā)展鋪平了道路。在 1960 年代，勞倫斯利弗莫爾國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (LLNL) 和洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 (LANL) 正在研究脈沖發(fā)射器、接收器和天線。這些研究項(xiàng)目并非純粹的學(xué)術(shù)研究；開發(fā)脈沖系統(tǒng)確實(shí)有很大的動(dòng)力：UWB 可以提供超高分辨率，然后可以用于對(duì)象定位、表征和識(shí)別。到 1970 年代，UWB 雷達(dá)主要用于軍事應(yīng)用。隨著研究的不斷進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了其他應(yīng)用，并且在 1990 年代末，多個(gè) UWB 雷達(dá)被用于廣泛的應(yīng)用：林業(yè)應(yīng)用、城市地區(qū)的穿墻檢測(cè)、
為了真正理解超寬帶的吸引力，我們首先要掌握時(shí)頻二元性和傅立葉變換。簡(jiǎn)單來說，這種對(duì)偶性表明，如果您有一個(gè)無限長(zhǎng)的周期時(shí)間信號(hào)，它將具有無限小的帶寬。另一方面，如果您有一個(gè)無限短的脈沖信號(hào)，它將具有無限大的帶寬。換句話說，這意味著您可以用時(shí)間換取帶寬。你為什么要那樣做？這有多種原因，但一個(gè)非常重要的原因是實(shí)現(xiàn)超高分辨率定位。
確定射頻設(shè)備之間的距離有兩種基本方法：您可以使用接收信號(hào)強(qiáng)度 (RSS) 或信號(hào)的飛行時(shí)間 (ToF)。RSS 是一種實(shí)現(xiàn)起來非常簡(jiǎn)單的技術(shù)，可以被任何無線收發(fā)器使用，這也解釋了為什么它被如此廣泛地使用。然而，它的準(zhǔn)確性受到嚴(yán)重限制：兩個(gè)靜止物體之間的感知距離將根據(jù)其直接路徑上的障礙物而變化。例如，如果您有兩個(gè)設(shè)備相距 10 米，但被磚墻隔開，提供 12 dB 的衰減，您會(huì)認(rèn)為這兩個(gè)設(shè)備相距 40 米。ToF 解決了這個(gè)問題。通過測(cè)量從一個(gè)設(shè)備到另一個(gè)設(shè)備所需的時(shí)間，您可以精確地提取兩個(gè)對(duì)象之間的距離。在
ToF 顯然是在空間中準(zhǔn)確定位物體的方法。然而，一個(gè)缺點(diǎn)是你需要處理光速，這是相當(dāng)快的。事實(shí)上，光傳播 10 厘米只需要 333 皮秒。如果要以厘米精度測(cè)量物體之間的距離，則系統(tǒng)需要亞納秒精度。實(shí)現(xiàn)這種精度的最簡(jiǎn)單方法是發(fā)送時(shí)間非常短的信號(hào)，由于時(shí)頻二元性，這需要 UWB 信號(hào)。
使用 ToF 精確測(cè)量距離的可能性在很大程度上解釋了 UWB 在最近幾年的復(fù)興。準(zhǔn)確定位市場(chǎng)在多個(gè)領(lǐng)域都在快速增長(zhǎng)，未來幾年應(yīng)該會(huì)繼續(xù)保持兩位數(shù)的增長(zhǎng)。多家公司現(xiàn)在都加入了 UWB 的行列，最新的是 Apple，它為 iPhone 11 配備了 UWB 芯片 U1，這似乎是它自己的設(shè)計(jì)。憑借實(shí)施實(shí)時(shí)定位系統(tǒng) (RTLS) 的能力，UWB 能夠在包括工業(yè) 4.0、物聯(lián)網(wǎng)和車輛在內(nèi)各種市場(chǎng)中實(shí)現(xiàn)大量新應(yīng)用。
正如我們?cè)诒疚闹锌吹降模瑫r(shí)間可以換取帶寬，這可以有利地用于定位。但它也可以提供其他優(yōu)勢(shì)。接下來，我們將探討 UWB 在許多無線應(yīng)用中的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)：極低的延遲。
低延遲為王

作為工程師，我們將延遲理解為觸發(fā)操作與其響應(yīng)之間的時(shí)間間隔。從無線鏈路的角度來看，這是發(fā)送數(shù)據(jù)幀和接收數(shù)據(jù)之間的時(shí)間延遲。但是消費(fèi)者對(duì)延遲有一種本能的反應(yīng)。玩格斗和體育游戲的游戲玩家會(huì)體驗(yàn)到延遲，因?yàn)樵诎聪掳粹o和在屏幕上看到預(yù)期動(dòng)作之間存在延遲。這種延遲可能是游戲中生死攸關(guān)的問題！顯示器和外圍設(shè)備正在以減少的延遲（例如，240 Hz 刷新率游戲監(jiān)視器）進(jìn)行積極營(yíng)銷，因此，令人驚訝的是，有線外圍設(shè)備在游戲圈中仍然無處不在。
電線，就像人們記憶中那樣古老的裝置，在延遲方面的優(yōu)勢(shì)仍然無可爭(zhēng)議。
隨著對(duì)延遲更敏感的應(yīng)用程序成為主流，如今對(duì)延遲的追求越來越強(qiáng)烈。例如，佩戴增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR) 或虛擬現(xiàn)實(shí) (VR) 耳機(jī)的設(shè)計(jì)師和游戲玩家會(huì)體驗(yàn)到延遲，因?yàn)樗麄兊膭?dòng)作和視覺反應(yīng)之間存在令人不安的滯后。AR 和 VR 使用戶在最輕微的延遲開始時(shí)就容易暈車。此外，當(dāng)角色在屏幕上的嘴唇與他們的聲音不同步時(shí)，家庭影院所有者就會(huì)詛咒這些延遲，雖然可以小心地延遲錄制的視頻以校準(zhǔn)延遲，但需要現(xiàn)場(chǎng)干預(yù)的饋送無法從這種策略中受益。這種涉及實(shí)時(shí)交互的無線延遲問題很容易表現(xiàn)出來，就像在智能手機(jī)上打字并看到按鍵與通過無線耳機(jī)傳來的按鍵音頻反饋不同步一樣。一些手機(jī)制造商會(huì)通過讓鍵盤音頻反饋不通過無線耳機(jī)來隱藏這一限制。然而具有諷刺意味的是，在帶有準(zhǔn)系統(tǒng)有線耳機(jī)的過時(shí)電話上使用現(xiàn)已失效的音頻插孔不會(huì)造成延遲問題！這個(gè)問題更深入，工業(yè)工程師將延遲視為關(guān)鍵傳感器和控制系統(tǒng)中不可接受的延遲。
總而言之，當(dāng)前的無線技術(shù)無法提供可接受的游戲、AR/VR、實(shí)時(shí)視頻或工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體驗(yàn)，因此這些應(yīng)用在 2020 年仍然是有線應(yīng)用的市場(chǎng)。
大腦通常可以辨別出幾十毫秒或更長(zhǎng)時(shí)間的延遲，一些樂器演奏者能夠“感覺到”3 毫秒的延遲。無線延遲有多種原因。它首先是光速的結(jié)果，與電線類似。然而，在人類尺度上，光速并不是限制因素，因?yàn)?100 米的無線通信只會(huì)產(chǎn)生 333 ns 的延遲。第二個(gè)原因是收發(fā)器中的處理時(shí)間。但這通常不是限制因素，因?yàn)樘幚砥魍ǔ？梢栽趲孜⒚雰?nèi)完成對(duì)幀的操作。第三個(gè)原因也是最重要的一個(gè)原因是收發(fā)器可以傳輸其數(shù)據(jù)的速度。在無線收發(fā)器中，每個(gè)數(shù)據(jù)幀都必須完全接收后才能進(jìn)行處理。這意味著傳輸和接收數(shù)據(jù)的速度是導(dǎo)致延遲的重要因素。例如，以 1 Mbps 的數(shù)據(jù)速率傳輸 1000 位幀將導(dǎo)致 1 ms 的延遲。這被稱為通話時(shí)間。除了通話時(shí)間外，還有媒體訪問控制層所需的時(shí)間，即MAC-Time，它與協(xié)議使用的通信棧有關(guān)，可能包括載波偵聽、幀確認(rèn)、幀重傳、流控制等。MAC 時(shí)間因應(yīng)用而異，與通話時(shí)間相比，MAC 時(shí)間可以從可以忽略不計(jì)變成主導(dǎo)因素。最終，MAC 時(shí)間通常與通話時(shí)間相關(guān)，因此可以壓縮通話時(shí)間的無線電能夠提供更短的延遲。
結(jié)合所有這些因素，很難公平地比較不同無線電的延遲。每種技術(shù)都有其目標(biāo)應(yīng)用，這意味著 MAC 層已相應(yīng)開發(fā)。需要 99.999% 可靠性的無線鏈路不會(huì)有與盡力而為廣播系統(tǒng)相同的延遲。然而，延遲總是有限的，并且源自無線電的通話時(shí)間，這是一個(gè)很好的比較點(diǎn)。ZigBee 規(guī)范背后的 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)提供 250 kbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率，而 BLE 4.2 支持 1 Mbps 和 BLE 5 2 Mbps。這些數(shù)據(jù)速率為 BLE 提供了幾毫秒的通話時(shí)間，為 IEEE 802.15.4 提供了數(shù)十毫秒的通話時(shí)間。這些通話時(shí)間被 MAC 層進(jìn)一步“放大”，并導(dǎo)致更長(zhǎng)的整體延遲，可能超過 100 毫秒，
減少延遲的一個(gè)好方法是提高數(shù)據(jù)速率，Wi-Fi 很好地應(yīng)用了這種方法。隨著 802.11 標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在支持在單個(gè)鏈路上傳輸數(shù)百 Mbps 的數(shù)據(jù)，我們現(xiàn)在可以看到單個(gè)幀的亞毫秒級(jí)延遲。然而，這種延遲是以功耗為代價(jià)的。Wi-Fi 標(biāo)準(zhǔn)支持超過 2000 字節(jié)的大數(shù)據(jù)包，并使用需要耗電電路的復(fù)雜調(diào)制。
延遲實(shí)際上是 5G 網(wǎng)絡(luò)發(fā)展背后的主要驅(qū)動(dòng)因素之一。承諾幾毫秒的延遲，5G 將提供比 LTE 快10 倍的 改進(jìn)。然而，5G 無線電具有與 Wi-Fi 類似的缺點(diǎn)，即功耗非常高，阻礙了它們?cè)诖蠖鄶?shù)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中的使用。因此，我們可以在幾毫秒內(nèi)將數(shù)據(jù)路由數(shù)百公里，但使用較低功率的無線電完成最后一百米需要更多時(shí)間。
UWB 彌合了長(zhǎng)距離、高數(shù)據(jù)速率收發(fā)器（Wi-Fi 和 5G）與短距離低數(shù)據(jù)速率解決方案（如 BLE 和 Zigbee）之間的差距。UWB 使用快速的 2 ns 脈沖來達(dá)到數(shù)十 Mbps 的數(shù)據(jù)速率。這提供了比 BLE 短一個(gè)數(shù)量級(jí)的通話時(shí)間，達(dá)到亞毫秒級(jí)延遲。當(dāng)與 5G 結(jié)合時(shí)，UWB 是提供最后 100 米低延遲連接的有力候選者。
UWB 的亞毫秒延遲和相對(duì)較大的數(shù)據(jù)速率可以實(shí)現(xiàn)多種新的交互體驗(yàn)和應(yīng)用，而這些體驗(yàn)和應(yīng)用以前是其他短距離無線電無法實(shí)現(xiàn)的。然而，UWB 的一個(gè)非常重要的方面，即物聯(lián)網(wǎng)革命所需的一個(gè)方面，尚未討論：低功耗操作。
低功耗是黃金

在一個(gè)一切都無線化并且所有設(shè)備都需要遠(yuǎn)程控制的世界中，功耗的重要性正在顯著增加。
在由四部分（傳感器、微控制器、PMU 和收發(fā)器）組成的簡(jiǎn)單傳感器節(jié)點(diǎn)中，無線收發(fā)器在很大程度上是總功耗的主要貢獻(xiàn)者。事實(shí)上，用于無線功能的功率百分比可以超過總功耗的 90%。無線耳機(jī)、游戲控制器和電腦鍵盤和鼠標(biāo)的功耗由無線收發(fā)器帶來的。
在過去的 15 年中，降低功耗一直在推動(dòng)無線芯片的發(fā)展。經(jīng)過多年的發(fā)展，BLE于2006年被批準(zhǔn)用于解決藍(lán)牙的功耗問題。最近，藍(lán)牙 5.2 增加了一些功能，以減少不同應(yīng)用程序的消耗，包括音頻。然而，這些修改大多是漸進(jìn)的。從根本上說，功耗的降低受到架構(gòu)的物理限制；基于載波的收發(fā)器總是需要大量功率來啟動(dòng)、穩(wěn)定和維持其 RF 振蕩器。經(jīng)過二十年的優(yōu)化，藍(lán)牙已經(jīng)到了收益遞減的地步。所有窄帶技術(shù)都是如此：獲得一個(gè)數(shù)量級(jí)需要無線傳輸?shù)男路妒健Ｔ蛉缦拢?/p>

在上圖中，您可以看到所有窄帶無線電架構(gòu)（如藍(lán)牙）中固有的兩個(gè)顯著功率損失：
晶體振蕩器開銷（左下）削弱了低數(shù)據(jù)速率性能：藍(lán)牙使用 ~20 MHz 晶體振蕩器，需要幾毫瓦來啟動(dòng)和穩(wěn)定。UWB 無線電可以使用不需要高頻晶體振蕩器的脈沖運(yùn)行，并且可以設(shè)計(jì)為以低定時(shí)功耗開銷運(yùn)行。
載波開銷（中上）會(huì)影響高數(shù)據(jù)速率性能：如第 4 部分所述，在窄帶寬信道（例如藍(lán)牙無線電中使用的信道）上傳輸大量數(shù)據(jù)需要大量時(shí)間和功率。可以傳輸大量數(shù)據(jù)當(dāng)分布在寬帶寬上時(shí)速度要快得多，使發(fā)射器保持開啟的持續(xù)時(shí)間要短得多，并顯著降低功耗。這意味著對(duì)于相同的消耗功率，UWB 可以傳輸更多的數(shù)據(jù)。（最右上角）
如果你從頭開始設(shè)計(jì)一個(gè)短距離 (50-100m) 無線協(xié)議，以最大限度地減少功耗和延遲并最大限度地提高數(shù)據(jù)速率，您可能會(huì)經(jīng)歷以下思考過程：
首先，盡量減少發(fā)射器和接收器的開機(jī)時(shí)間。為此，每個(gè)信號(hào)都應(yīng)盡可能短。從時(shí)頻二元性我們知道，時(shí)間短的信號(hào)帶寬很寬，因此該解決方案將使用寬帶通信，因此選擇了免授權(quán)UWB頻譜。
其次，確保發(fā)射器和接收器能夠盡快啟動(dòng)和關(guān)閉。這使得難以使用使用傳統(tǒng)高精度 RF 振蕩器的收發(fā)器。最小化功耗的最佳架構(gòu)是使用 UWB 脈沖無線電，而無需 RF 載波本身。從上圖中的數(shù)據(jù)可以看出，該方法為短距離通信提供了盡可能低的功率分布。
由于 UWB 不使用高頻載波振蕩器，因此 UWB 收發(fā)器可以非常快速地開啟，并且在給定功率水平下傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率遠(yuǎn)高于窄帶無線電。
秘密終于揭曉

在文章的開頭我們提了一個(gè)問題，那就是為什么蘋果 2019 年在 iPhone 11 中植入了 UWB 收發(fā)器？在 2020 年初， UWB 芯片供應(yīng)商 Decawave 被Qorvo以大約5億美元的價(jià)格被收購(gòu)？為什么通用汽車、福特汽車、豐田汽車、尼桑汽車、本田汽車、現(xiàn)代汽車、大眾汽車、寶馬汽車和梅賽德斯汽車等汽車制造商都在投資 UWB？
答案現(xiàn)在很清楚：UWB 提供了準(zhǔn)確定位、超低功耗、超低延遲和高帶寬的獨(dú)特組合，這是任何其他短距離無線技術(shù)無法比擬的。2021 年的超寬帶部署側(cè)重于精確定位和基于位置的服務(wù)：安全無鑰匙進(jìn)入、免提支付和室內(nèi)導(dǎo)航。即將推出具有高達(dá)藍(lán)牙 10 倍帶寬的低功耗和無電池?cái)?shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。
正如大家所熟知，藍(lán)牙在低帶寬、低保真通信（例如無線耳機(jī)和耳塞）方面取得了巨大成功。那么，為什么蘋果要在 iPhone 11 中設(shè)計(jì)另一個(gè)收發(fā)器呢？那就是為超出藍(lán)牙設(shè)計(jì)限制的新興應(yīng)用提供服務(wù)，尤其是準(zhǔn)確定位。
在前文中，我們探討了像藍(lán)牙這樣的窄帶協(xié)議如何具有基本限制，這使其不如 UWB 那樣適合極低功耗、低延遲和無電池應(yīng)用：
數(shù)據(jù)速率限制：藍(lán)牙規(guī)范將空中帶寬限制為僅 3 Mbps，并且在大多數(shù)系統(tǒng)中限制為小于 1 Mbps。UWB 可以以數(shù)十 Mbps 的速度運(yùn)行。
低數(shù)據(jù)速率功率：即使在最低數(shù)據(jù)速率下，振蕩器開銷和長(zhǎng)數(shù)據(jù)包持續(xù)時(shí)間也可將藍(lán)牙的最小功率保持在幾毫瓦。為低功耗操作和數(shù)據(jù)流量身定制的 UWB可以以低于 10 μW 的速度傳輸 1 kbps，從而使由能量收集供電的無電池傳感器成為可能。
延遲：藍(lán)牙延遲通常超過 100 毫秒，耳機(jī)用戶將其視為回聲、長(zhǎng)時(shí)間的音頻延遲和通話時(shí)互相交談。這種延遲使得藍(lán)牙對(duì)于游戲控制器和 AR/VR 等交互式應(yīng)用沒有吸引力，對(duì)于工業(yè)傳感器和控制系統(tǒng)來說也是不可接受的。UWB 為近實(shí)時(shí)機(jī)器控制和交互式娛樂系統(tǒng)提供亞毫秒級(jí)延遲。
定位：定位服務(wù)和精準(zhǔn)定位是UWB眾所周知的強(qiáng)項(xiàng)，可以在10厘米精度內(nèi)測(cè)量相對(duì)位置。這是藍(lán)牙無法實(shí)現(xiàn)的，它很難獲得幾米以下的精度。
抗干擾性：3-10 GHz 頻段變得擁擠。除了LTE、5G和WiFi，包括最近發(fā)布的WiFi 6E，都占據(jù)了這個(gè)頻譜的不同部分。實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的 UWB 通信是可能的，但必須謹(jǐn)慎完成，以便在不妨礙所有其他基于載波的信號(hào)并有效拒絕它們的情況下運(yùn)行。
事實(shí)上，對(duì)于短距離、低功耗的應(yīng)用，UWB 優(yōu)于 WLAN 和 Zigbee 以及經(jīng)典的藍(lán)牙和 BLE：

此圖表比較了 Zigbee、BLE 和 UWB 的 200kbps 完整鏈路的能效：

當(dāng)您將激勵(lì)和穩(wěn)定載波頻率以及傳輸窄帶數(shù)據(jù)所需的所有功耗加起來時(shí)，總和比 UWB 高 1-2 個(gè)數(shù)量級(jí)（專為低功率運(yùn)行而設(shè)計(jì)）。
今天的 UWB 與 100 年前的火花隙前輩不同。盡管自近一個(gè)世紀(jì)前火花隙消失以來窄帶無線電一直主導(dǎo)著通信，但超寬帶正處于大規(guī)模復(fù)興的開始。畢竟，它是大約 20 年來第一個(gè)包含在智能手機(jī)中的新的未經(jīng)許可的頻譜無線技術(shù)，其他手機(jī)制造商也紛紛效仿蘋果公司的做法。UWB 的“超能力”直接解決了窄帶無法提供的新應(yīng)用的功率、帶寬和延遲需求。UWB 非常適合主導(dǎo)許多新興的低功耗、低延遲、更高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用，并為無電池應(yīng)用鋪平道路。

－?The?End?－

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在航空器、導(dǎo)彈等高速飛行器上，全球定位系統(tǒng)GPS是不可或缺的組件，它廣泛應(yīng)用于導(dǎo)航、測(cè)繪、監(jiān)測(cè)、授時(shí)、通信等多種領(lǐng)域。而在GPS系統(tǒng)的研究開發(fā)過程中,天線成為必須解決的關(guān)鍵問題之一。這些飛行器要求天線既不影響其空氣動(dòng)力性能，又不破壞其機(jī)械結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度。所以，具有低剖面、易集成等突出性能優(yōu)點(diǎn)的共形天線陣在飛行器上得到廣泛應(yīng)用。

目前，對(duì)于錐面共形天線陣的研究報(bào)道非常多。提出了一種錐面共形天線陣的分析方法，研究了一種毫米波段錐面共形天線陣。對(duì)于上述錐面共形天線陣，工作頻率較高，尺寸上基本不受限制，相鄰單元的弧面間距大于或者接近天線工作頻率的半波長(zhǎng)。但是在天線尺寸受限的情況下，相鄰單元的弧面間距如果小于半波長(zhǎng)，單元間的耦合加劇，天線陣的電壓駐波比就會(huì)急劇惡化，輻射特性也會(huì)有劇烈的起伏，極不穩(wěn)定。所以在GPS頻段，天線尺寸受到共形體錐面表面積的限制，天線的小型化成為設(shè)計(jì)中的核心問題。眾所周之，GPS天線是右旋圓極化天線，但是考慮到小型化的要求，為了滿足輻射特性，采用線極化天線可以減小3dB的損耗。所以本文設(shè)計(jì)出了一種采用線極化方式的小型化GPS錐面共形天線陣，在減小天線尺寸的同時(shí)提高了天線的性能。

2 ?設(shè)計(jì)要求

天線要求共形安裝在如圖1所示的錐臺(tái)上，錐臺(tái)上底面圓周長(zhǎng)約為0.26λ0（λ0為天線中心頻率的波長(zhǎng)），下底面圓周長(zhǎng)約為0.67λ0，錐臺(tái)母線長(zhǎng)H約為0.24λ0，工作頻率為f0=1.575GHz，天線輻射的H面方向圖要求全向。

經(jīng)分析，由于天線安裝面面積極小，天線陣只能采用2單元微帶共形結(jié)構(gòu)，陣元弧面間距僅為0.25λ0，遠(yuǎn)小于天線工作頻率的半波長(zhǎng)，陣元間耦合強(qiáng)烈，并且天線要求水平全向輻射，這使得天線設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)小型化，保證中心頻率并穩(wěn)定天線輻射性能成為首要設(shè)計(jì)要求。

圖1 ?天線安裝錐臺(tái)示意圖

3 ?理論分析與設(shè)計(jì)

本文先利用一般微帶天線的設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)天線單元，并對(duì)饋電方式進(jìn)行改進(jìn)，利用Ansoft HFSS軟件對(duì)天線單元進(jìn)行仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大降低了天線陣的設(shè)計(jì)復(fù)雜度。

3.1 ?天線單元的分析與設(shè)計(jì)

在天線的設(shè)計(jì)中考慮到安裝平臺(tái)的尺寸限制，本文采用er=10.2的高介電常數(shù)柔性介質(zhì)基片，介質(zhì)厚度為h=0.6mm，矩形微帶天線的尺寸公式為[5]：

（1）

（2）

式中f0為天線工作的中心頻率，c為光速(3×108m/s) 。而al為微帶傳輸線的等效伸長(zhǎng)量，可由下式求得:

（3）

er為介質(zhì)基片的有效介電常數(shù)，由邊緣效應(yīng)決定，可由下式求得:

（4）

圖2 ?天線單元結(jié)構(gòu)示意圖 考慮到天線需要共形在錐面上，饋線如果太細(xì)，那么在實(shí)際加工及調(diào)試過程中就會(huì)比較容易被折斷，所以考慮到這些問題，根據(jù)微帶線特性阻抗設(shè)計(jì)公式計(jì)算，在er=10.2，基片厚度為0.6mm的情況下，輸入阻抗為50Ω的饋線寬度為0.6mm;輸入阻抗為20Ω的饋線寬度為2.5mm。顯然在20Ω時(shí)的饋線就比較不容易被折斷，所以本文設(shè)計(jì)單元的輸入阻抗為20Ω。

通過在天線單元邊緣開槽使微帶饋線深入單元內(nèi)部的方法，能夠很好的調(diào)節(jié)單元的阻抗特性，實(shí)現(xiàn)天線單元的匹配，并能有效降低單元的尺寸。 天線單元的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其中Wf為單元饋線的寬度，Ws為槽寬度，Ls為槽深。

3.2 ?饋電網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

微帶天線陣的饋電方式主要包括串饋、并饋、反射陣面饋電等，并聯(lián)饋電方式中的T型結(jié)功分器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、占據(jù)空間小、容易實(shí)現(xiàn)寬頻帶等突出優(yōu)點(diǎn)[6]，因此，設(shè)計(jì)中采用由T型結(jié)功分器構(gòu)成的并聯(lián)饋電網(wǎng)絡(luò)，使用等幅同相饋電方式。天線單元的輸入阻抗為20Ω，陣列總端口的輸入阻抗為50Ω，所以首先要利用λ/4阻抗變換線，使20Ω與100Ω阻抗相匹配，通過計(jì)算得出λ/4阻抗變換傳輸線的特性阻抗約等于45Ω，寬度為0.7mm。

通過饋電網(wǎng)絡(luò)的有效彎折和總體合理布局可大大減小天線陣的大小，圖3給出了天線陣饋電網(wǎng)絡(luò)示意圖。

圖3 ?天線陣饋電網(wǎng)絡(luò)示意圖

4 ?天線陣實(shí)測(cè)結(jié)果

本文根據(jù)天線的設(shè)計(jì)和仿真，研制出小型化GPS錐面共形天線陣的試驗(yàn)樣機(jī)，并用金屬椎體模擬了真實(shí)彈頭，對(duì)研制的天線進(jìn)行了電特性測(cè)量[7]。圖4所示的是天線陣樣機(jī)平面圖。

圖4 ?天線陣樣機(jī)平面圖

在微波暗室、遠(yuǎn)區(qū)條件下，用自制的天線遠(yuǎn)場(chǎng)自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)在f0=1.575GHz時(shí)對(duì)該天線的E面和H面方向圖進(jìn)行了實(shí)測(cè)，如圖5所示。

a 天線陣的E面方向圖

b 天線陣的H面方向圖

圖5 ?天線的實(shí)測(cè)方向圖

從圖5a和5b中可以看出，天線陣的E面方向圖近似為偏向于共形體底部的一個(gè)“8”字形，H面方向圖近似全向，滿足工程設(shè)計(jì)要求。

圖6 ?天線陣實(shí)測(cè)駐波曲線

圖6所示的是使用HP8753D矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)天線進(jìn)行駐波系數(shù)(VSWR)測(cè)量的結(jié)果。由圖6可以看出天線陣的駐波系數(shù)小于2的帶寬為9MHz，在工作頻率f0=1.575GHz時(shí)，天線陣駐波系數(shù)為1.1。

5 ?結(jié)束語

本文研究了小型化GPS錐面共形天線陣，文中通過調(diào)整單元的輸入阻抗解決了天線饋線由于過細(xì)易折斷的問題，并進(jìn)一步縮小了單元尺寸且在陣元耦合強(qiáng)烈的情況下保證了中心頻率，而且穩(wěn)定了天線的輻射性能，實(shí)現(xiàn)了水平全向輻射的工程要求。我們研制出了共形在彈頭錐體上的小型化GPS共形天線陣實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，并進(jìn)行了實(shí)測(cè)，其測(cè)量結(jié)果研究成果可應(yīng)用于工程實(shí)際，且具有很高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。

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回波損耗：當(dāng)天線和饋線不匹配時(shí)，也就是天線阻抗不等于饋線特性阻抗時(shí)，負(fù)載就只能吸收饋線上傳輸?shù)牟糠指哳l能量，而不能全部吸收，未被吸收的部分能量將反射回去形成反射波。

TRP/TIS：指天線的輻射功率和天線的全向接收靈敏度。

駐波比：指模塊輸入的駐波系數(shù)和天線反射的駐波系數(shù)之間的比值。駐波比值要≤1.5最好。

SAR：每千克的物質(zhì)在單位時(shí)間內(nèi)人體頭部接受的電磁能量。

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無線電發(fā)射機(jī)輸出的射頻信號(hào)功率，通過饋線（電纜）輸送到天線，由天線以電磁波形式輻射出去。電磁波到達(dá)接收地點(diǎn)后，由天線接下來（僅僅接收很小很小一部分功率），并通過饋線送到無線電接收機(jī)。可見，天線是發(fā)射和接收電磁波的一個(gè)重要的無線電設(shè)備，沒有天線也就沒有無線電通信。

手機(jī)不間斷地與基站聯(lián)系，依靠天線接收和發(fā)射天磁波，天線釋放出的電磁輻射功率約440微瓦/平方厘米，天線的設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上需要考慮天線的效率和SAR，對(duì)于各頻段天線效率基本要求在30%以上。較高客戶要求在45％以上。

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天線是移動(dòng)通信系統(tǒng)中重要的組件。它負(fù)責(zé)發(fā)射及接收電磁波。

設(shè)計(jì)天線的理論基礎(chǔ)是Maxwell方程組。它把電與磁導(dǎo)入到同一個(gè)電磁場(chǎng)理論中去。

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分形幾何天線的形成主要是通過迭代的方式產(chǎn)生的，這就使得分形天線具有自相似性。如正三角形四等分成四個(gè)小三角形，挖去中間的一個(gè)，把剩下的三個(gè)小三角形四等分挖去中間的一個(gè)，如此無限的進(jìn)行下去，面積將趨于零、邊長(zhǎng)增加、由無窮多線段組成的Sierpinski Gasket，如圖2所示，其分維數(shù)為ln3/ln2。

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自1970 年第一張IC 卡問世起, IC 卡成為當(dāng)時(shí)微電子技術(shù)市場(chǎng)增長(zhǎng)最快的產(chǎn)品之一,到1996 年全世界發(fā)售IC 卡就有7 億多張. 但是,這種以接觸式使用的IC 卡有其自身不可避免的缺點(diǎn),即接觸點(diǎn)對(duì)腐蝕和污染缺乏抵抗能力,大大降低了IC 卡的使用壽命和使用范圍. 近年來人們開始開發(fā)應(yīng)用非接觸式IC 卡來逐步替代接觸式IC 卡,其中射頻識(shí)別(RFID , radio frequency identification) 卡就是一種典型的非接觸式IC卡,它是利用無線通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與IC 卡之間數(shù)據(jù)交換的,顯示出比一般接觸式IC 卡使用更便利的優(yōu)點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于制作電子標(biāo)簽或身份識(shí)別卡. 然而,RFID 在不同的應(yīng)用環(huán)境中需要采用不同天線通訊技術(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換的. 這里我們將首先通過介紹RFID 應(yīng)用系統(tǒng)的基本工作原理來具體說明射頻天線的設(shè)計(jì)是RFID 不同應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵,然后分別介紹幾種典型的RFID 天線及其設(shè)計(jì)原理,最后介紹利用Ansoft HFSS 工具來設(shè)計(jì)了一種全向的RFID天線.

1 RFID 技術(shù)原理

通常情況下, RFID 的應(yīng)用系統(tǒng)主要由讀寫器和RFID 卡兩部分組成的,如圖1 所示. 其中,讀寫器一般作為計(jì)算機(jī)終端,用來實(shí)現(xiàn)對(duì)RFID 卡的數(shù)據(jù)讀寫和存儲(chǔ),它是由控制單元、高頻通訊模塊和天線組成.而RFID 卡則是一種無源的應(yīng)答器,主要是由一塊集成電路( IC) 芯片及其外接天線組成,其中RFID 芯片通常集成有射頻前端、邏輯控制、存儲(chǔ)器等電路,有的甚至將天線一起集成在同一芯片上.

RFID 應(yīng)用系統(tǒng)的基本工作原理是RFID 卡進(jìn)入讀寫器的射頻場(chǎng)后,由其天線獲得的感應(yīng)電流經(jīng)升壓電路作為芯片的電源,同時(shí)將帶信息的感應(yīng)電流通過射頻前端電路檢得數(shù)字信號(hào)送入邏輯控制電路進(jìn)行信息處理;所需回復(fù)的信息則從存儲(chǔ)器中獲取經(jīng)由邏輯控制電路送回射頻前端電路,最后通過天線發(fā)回給讀寫器. 可見,RFID 卡與讀寫器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊過程中起關(guān)鍵的作用是天線. 一方面,無源的RFID 卡芯片要啟動(dòng)電路工作需要通過天線在讀寫器天線產(chǎn)生的電磁場(chǎng)中獲得足夠的能量;另一方面,天線決定了RFID 卡與讀寫器之間的通訊信道和通訊方式.

目前RFID 已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,且有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn):ISO10536 ,ISO14443 , ISO15693 , ISO18000 等幾種. 這些標(biāo)準(zhǔn)除規(guī)定了通訊數(shù)據(jù)幀協(xié)議外,還著重對(duì)工作距離、頻率、耦合方式等與天線物理特性相關(guān)的技術(shù)規(guī)格進(jìn)行了規(guī)范. RFID 應(yīng)用系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)制定決定了RFID天線的選擇,下面將分別介紹已廣泛應(yīng)用的各種類型的RFID 天線及其性能.

2 RFID 天線類型

RFID 主要有線圈型、微帶貼片型、偶極子型3 種基本形式的天線. 其中,小于1 m 的近距離應(yīng)用系統(tǒng)的RFID 天線一般采用工藝簡(jiǎn)單、成本低的線圈型天線,它們主要工作在中低頻段. 而1 m 以上遠(yuǎn)距離的應(yīng)用系統(tǒng)需要采用微帶貼片型或偶極子型的RFID 天線,它們工作在高頻及微波頻段. 這幾種類型天線的工作原理是不相同的.

2.1 線圈天線

當(dāng)RFID 的線圈天線進(jìn)入讀寫器產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)中,RFID 天線與讀寫器天線之間的相互作用就類似于變壓器,兩者的線圈相當(dāng)于變壓器的初級(jí)線圈和次級(jí)線圈. 由RFID 的線圈天線形成的諧振回路如圖2所示,它包括RFID 天線的線圈電感L 、寄生電容Cp和并聯(lián)電容C2′,其諧振頻率為:

, (式中C 為Cp 和C2′的并聯(lián)等效電容) .

RFID 應(yīng)用系統(tǒng)就是通過這一頻率載波實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通訊的。常用的ID1 型非接觸式IC 卡的外觀為一小型的塑料卡(85.72mm ×54.03 mm ×0.76 mm) ,天線線圈諧振工作頻率通常為13.56 MHz. 目前已研發(fā)出面積最小為0.4mm ×0.4 mm 線圈天線的短距離RFID 應(yīng)用系統(tǒng).

某些應(yīng)用要求RFID 天線線圈外形很小,且需一定的工作距離,如用于動(dòng)物識(shí)別的RFID. 線圈外形即面積小的話,RFID 與讀寫器間的天線線圈互感量M就明顯不能滿足實(shí)際使用. 通常在RFID 的天線線圈內(nèi)部插入具有高導(dǎo)磁率μ的鐵氧體材料,以增大互感量,從而補(bǔ)償線圈橫截面減小的問題.

2.2 微帶貼片天線

微帶貼片天線是由貼在帶有金屬地板的介質(zhì)基片上的輻射貼片導(dǎo)體所構(gòu)成的,如圖3 所示. 根據(jù)天線輻射特性的需要,可以設(shè)計(jì)貼片導(dǎo)體為各種形狀. 通常貼片天線的輻射導(dǎo)體與金屬地板距離為幾十分之一波長(zhǎng),假設(shè)輻射電場(chǎng)沿導(dǎo)體的橫向與縱向兩個(gè)方向沒有變化,僅沿約為半波長(zhǎng)(λg/ 2) 的導(dǎo)體長(zhǎng)度方向變化. 則微帶貼片天線的輻射基本上是由貼片導(dǎo)體開路邊沿的邊緣場(chǎng)引起的,輻射方向基本確定,因此,一般適用于通訊方向變化不大的RFID 應(yīng)用系統(tǒng)中. 為了提高天線的性能并考慮其通訊方向性問題,人們還提出了各種不同的微帶縫隙天線,如文獻(xiàn)[5,6]設(shè)計(jì)了一種工作在24 GHz 的單縫隙天線和5.9 GHz 的雙縫隙天線,其輻射波為線極化波;文獻(xiàn)[7,8]開發(fā)了一種圓極化縫隙耦合貼片天線,它是可以采用左旋圓極化和右旋圓極化來對(duì)二進(jìn)制數(shù)據(jù)中的‘1’和‘0’進(jìn)行編碼.

圖3 　微帶天線

2. 3 偶極子天線

在遠(yuǎn)距離耦合的RFID 應(yīng)用系統(tǒng)中,最常用的是偶極子天線(又稱對(duì)稱振子天線) . 偶極子天線及其演化形式如圖4 所示,其中偶極子天線由兩段同樣粗細(xì)和等長(zhǎng)的直導(dǎo)線排成一條直線構(gòu)成,信號(hào)從中間的兩個(gè)端點(diǎn)饋入,在偶極子的兩臂上將產(chǎn)生一定的電流分布,這種電流分布就在天線周圍空間激發(fā)起電磁場(chǎng).利用麥克斯韋方程就可以求出其輻射場(chǎng)方程:

式中Iz 為沿振子臂分布的電流,α為相位常數(shù), r 是振子中點(diǎn)到觀察點(diǎn)的距離,θ為振子軸到r 的夾角,l 為單個(gè)振子臂的長(zhǎng)度. 同樣,也可以得到天線的輸入阻抗、輸入回波損耗S11 、阻抗帶寬和天線增益等等特性參數(shù) .

當(dāng)單個(gè)振子臂的長(zhǎng)度l =λ/ 4 時(shí)(半波振子) ,輸入阻抗的電抗分量為零,天線輸入阻抗可視為一個(gè)純電阻. 在忽略天線粗細(xì)的橫向影響下,簡(jiǎn)單的偶極子天線設(shè)計(jì)可以取振子的長(zhǎng)度l 為λ/ 4 的整數(shù)倍,如工作頻率為2. 45 GHz 的半波偶極子天線,其長(zhǎng)度約為6 cm.當(dāng)要求偶極子天線有較大的輸入阻抗時(shí),可采用圖4b的折合振子.

3 RFID 射頻天線的設(shè)計(jì)

從RFID 技術(shù)原理和RFID 天線類型介紹上看,RFID 具體應(yīng)用的關(guān)鍵在于RFID 天線的特點(diǎn)和性能.目前線圈型天線的實(shí)現(xiàn)技術(shù)很成熟,雖然都已廣泛地應(yīng)用在如身份識(shí)別、貨物標(biāo)簽等RFID 應(yīng)用系統(tǒng)中,但是對(duì)于那些要求頻率高、信息量大、工作距離和方向不確定的RFID 應(yīng)用場(chǎng)合,采用線圈型天線則難以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的性能指標(biāo). 同樣,如果采用微帶貼片天線的話,由于實(shí)現(xiàn)工藝較復(fù)雜,成本較高,一時(shí)還無法被低成本的RFID 應(yīng)用系統(tǒng)所選擇. 偶極子天線具有輻射能力較強(qiáng)、制造簡(jiǎn)單和成本低等優(yōu)點(diǎn),且可以設(shè)計(jì)成適用于全方向通訊的RFID 應(yīng)用系統(tǒng),因此,下面我們來具體設(shè)計(jì)一個(gè)工作于2. 45 GHz (國(guó)際工業(yè)醫(yī)療研究自由頻段) 的RFID 偶極子天線.

半波偶極子天線模型如圖4a 所示. 天線采用銅材料(電導(dǎo)率:5.8e7 s/ m ,磁導(dǎo)率:1) ,位于充滿空氣的立方體中心. 在立方體外表面設(shè)定輻射吸收邊界. 輸入信號(hào)由天線中心處饋入,也就是RFID 芯片的所在位置. 對(duì)于2. 45 GHz 的工作頻率其半波長(zhǎng)度約為61mm ,設(shè)偶極子天線臂寬w 為1 mm ,且無限薄,由于天線臂寬的影響,要求實(shí)際的半波偶極子天線長(zhǎng)度為57mm. 在Ansoft HFSS 工具平臺(tái)上, 采用有限元算法對(duì)該天線進(jìn)行仿真,獲得的輸入回波損耗S11 分布圖如圖5a 所示,輻射場(chǎng)E 面(即最大輻射方向和電場(chǎng)矢量所在的平面) 方向圖如圖5b 所示. 天線輸入阻抗約為72 Ω,電壓駐波比(VSWR) 小于2.0 時(shí)的阻抗帶寬為14. 3 % ,天線增益為1.8.

從圖5b 可以看到在天線軸方向上,天線幾乎無輻射. 如果此時(shí)讀寫器處于該方向上,應(yīng)答器將不會(huì)做出任何反應(yīng). 為了獲得全方位輻射的天線以克服該缺點(diǎn),可以對(duì)天線做適當(dāng)?shù)淖冃?如在將偶極子天線臂末端垂直方向上延長(zhǎng)λ/ 4 成圖4c 所示. 這樣天線總長(zhǎng)度修改為(57. 0 mm + 2 ×28. 5 mm) ,天線臂寬仍然為1 mm. 天線臂延長(zhǎng)λ/ 4 后,整個(gè)天線諧振于1 個(gè)波長(zhǎng),而非原來的半個(gè)波長(zhǎng). 這就使得天線的輸入阻抗大大地增加,仿真計(jì)算結(jié)果約為2 kΩ. 其輸入回波損耗S11如圖6a 所示. 圖6b 為E 面(天線平面) 上的輻射場(chǎng)方向圖,其中實(shí)線為仿真結(jié)果,黑點(diǎn)為實(shí)際樣品測(cè)量數(shù)據(jù),兩者結(jié)果較為吻合說明了該設(shè)計(jì)是正確的. 從圖6b 可以看到在原來弱輻射的方向上得到了很大的改善,其輻射已經(jīng)近似為全方向的了. 電壓駐波比( VSWR)小于2. 0 時(shí)的阻抗帶寬為12.2 % ,增益為1.4 ,對(duì)于大部分RFID 應(yīng)用系統(tǒng),該偶極子天線可以滿足要求.

4 結(jié)束語

總之,RFID 的實(shí)際應(yīng)用關(guān)鍵在于天線設(shè)計(jì)上,特別是對(duì)于具有非常大市場(chǎng)容量的商品標(biāo)簽來說,要求RFID 能夠?qū)崿F(xiàn)全方向的無線數(shù)據(jù)通訊,且還要價(jià)格低廉、體積小. 因此,我們所設(shè)計(jì)的上述這種全向型偶極子天線的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于批量加工制造,是可以滿足實(shí)際需要的. 通過對(duì)設(shè)計(jì)出來實(shí)際樣品的進(jìn)行參數(shù)測(cè)試,測(cè)試結(jié)果與我們的設(shè)計(jì)預(yù)期結(jié)果是一致.

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隨著無線通信系統(tǒng)的日益復(fù)雜化，單一的傳統(tǒng)天線已經(jīng)不能滿足要求。而多天線設(shè)計(jì)雖然可以滿足新一代無線通信系統(tǒng)對(duì)天線的高要求，但是，天線數(shù)目的增多，會(huì)使設(shè)備成本、天線的空間布局等問題凸顯出來。特別是在手持移動(dòng)設(shè)備上，由于空間有限，使得多天線的設(shè)計(jì)異常困難。

在這種情況下，可重構(gòu)天線就具有非常明顯的優(yōu)勢(shì)。它可在不改變天線的尺寸和結(jié)構(gòu)的情況下在天線的方向圖、工作頻率、極化特性等方面實(shí)現(xiàn)重構(gòu)，從而使一個(gè)天線能夠?qū)崿F(xiàn)多個(gè)天線的功能，適應(yīng)移動(dòng)終端不同的應(yīng)用環(huán)境和要求。

在天線的方向圖可重構(gòu)方面，目前的研究主要集中在采用八木形式的結(jié)構(gòu)上。即通過開關(guān)控制來改變反射器或引向器的有效諧振長(zhǎng)度，從而實(shí)現(xiàn)反射或者引向作用，使天線的輻射方向發(fā)生變化。但是，這種方式需要多個(gè)天線。故在手持終端有限的空間下，采用這種方式有很大的困難。另外，在天線極化方式可重構(gòu)方面，研究的重點(diǎn)也是單貼片的天線，即通過在天線上開槽或者采用多條饋線，并在不同位置安裝開關(guān)來改變開關(guān)的狀態(tài)從而實(shí)現(xiàn)極化方式的變化，但是，這種天線的面積較大，同時(shí)采用多條饋線的結(jié)構(gòu)太復(fù)雜，都不適用于實(shí)際的移動(dòng)設(shè)備。

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本文提出了一種用于手持移動(dòng)設(shè)備的可重構(gòu)天線．該天線在適當(dāng)位置安裝了RF-PIN開關(guān)，可通過直流控制電路控制開關(guān)的通斷，以使天線以兩種正交的線極化方式工作，同時(shí)也使天線的方向圖發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)極化方式和方向圖的重構(gòu)。該天線結(jié)構(gòu)緊湊，面積小，易于制造，并具有在同一終端安裝多個(gè)天線來實(shí)現(xiàn)MIMO(多輸入多輸出系統(tǒng))的潛力，故在移動(dòng)終端中有良好的應(yīng)用價(jià)值。

天線可以與手持設(shè)備電路板集成在一起，安裝在電路板的左上角，其結(jié)構(gòu)和RF-PIN開關(guān)控制電路示意圖如圖1所示。

通常的天線版圖位于介質(zhì)基片的底面，控制電路位于基片的頂面，圖l中的D1、D2為兩個(gè)RF-PIN開關(guān)；Cl、C2為旁路電容，對(duì)高頻信號(hào)短路；L1、L2為電感，對(duì)高頻信號(hào)開路。二極管和電容通過通孔與底面的天線連接。該天線基片采用厚度為0．8 mm，介電常數(shù)為4．4的FR4材料。水平與垂直的兩個(gè)微帶結(jié)構(gòu)通過RF-PIN開關(guān)與電路板地相連，中間的微帶為饋線，并通過同軸電纜直接饋電。微帶天線的諧振頻率主要取決于微帶線的長(zhǎng)度，在一般情況下，在介電常數(shù)為εeff的基片上，微帶線的波導(dǎo)波長(zhǎng)約為：

由于兩種工作狀態(tài)下，天線的接地端不同，因此，天線的有效輻射部分也有所不同。當(dāng)處于X模式時(shí)，天線結(jié)構(gòu)中垂直部分的微帶線接地，因此，天線的輻射部分應(yīng)該為水平部分的微帶，天線也相應(yīng)工作在水平極化方式。圖3所示為天線在2.44 GHz時(shí)的射頻電流分布圖。

從圖3可以看出，射頻電流主要集中在天線水平方向的微帶線上(這印證了前面的分析)。但同時(shí)，在中間部分的微帶以及天線其他部分也存在射頻電流，因此，天線仍會(huì)輻射部分垂直極化波。圖4所示為天線的兩種極化波在XY及YZ平面的方向圖。

圖4中，Theta表示水平極化方波，Phi表示垂直極化波，從圖中可以看出，在XY平面上，水平極化波的平均增益比垂直極化波高35 dB以上，而在YZ平面上，水平極化波具有良好的全向性，且平均增益比垂直極化波高約10 dB，因此可以判斷，水平極化波能量遠(yuǎn)大于垂直極化波能量，天線工作在水平極化方式下。

當(dāng)處于Y模式下時(shí)，天線結(jié)構(gòu)中水平部分的微帶線接地，因此，垂直部分的微帶線是天線的有效輻射體，此時(shí)天線也相應(yīng)工作在垂直極化方式下。圖3(b)所示為模式Y(jié)下天線在2．4 GHz的射頻電流分布圖，從圖中可以看出，此時(shí)的射頻電流主要集中在天線垂直方向的微帶線上，天線此時(shí)工作在垂直極化方式下。圖5所示為該模式下天線兩種極化波在XY和YZ平面的方向圖。

從圖5中可以看出，在XY平面上，垂直極化波的最大增益比水平極化波高37 dBi，同時(shí)在YZ平面上，垂直極化波也有良好的全向性。其最大增益比水平極化波高12 dB，說明在該模式下，天線可良好地輻射垂直極化波，而交叉極化分量很低。

事實(shí)上，在兩種工作模式下，天線的總體方向圖會(huì)發(fā)生顯著變化。在YZ和XZ兩個(gè)平面上。天線方向圖具有良好的全向性，能盡可能的接受各個(gè)方向的來波信號(hào)；而在XY平面上，天線在兩種狀態(tài)下的方向圖顯著不同，最大輻射方向會(huì)發(fā)生明顯改變，并且在這個(gè)輻射平面上可以實(shí)現(xiàn)良好的互補(bǔ)。故在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)信號(hào)波的方向和強(qiáng)度的不同，來實(shí)時(shí)改變天線狀態(tài)，調(diào)整方向圖的最大輻射方向，以有效地提高天線信號(hào)的信噪比，提高通信速率和系統(tǒng)容量。

仿真結(jié)果表明，在兩種狀態(tài)下，該天線的-10 dB帶寬均可達(dá)到240 MHz。而且通過開關(guān)狀態(tài)的切換，還可以使天線在水平和垂直線極化方式之間切換，并使天線輻射方向圖的主瓣方向也偏轉(zhuǎn)150°。

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目前的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)主要有：IEEE 802.11a(5.15～5.35／5.47～5.725／5.725～5.875 GHz)，IEEE 802.1lb和802.1lg(2.4—2.5 GHz)。

WLAN天線是無線局域網(wǎng)通信系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵部件，其性能的好壞直接影響到無線通信的質(zhì)量。國(guó)內(nèi)外對(duì)于WLAN天線已經(jīng)進(jìn)行了廣泛的研究，提出了很多工作在雙頻段的天線形式，例如偶極天線(Dipole Anten-na), PIFA天線(Planar Inverted-F Antenna)，平面單極子天線(Planarl Monopole Antenna)，準(zhǔn)八木天線(Quari-Yagi antenna)等。這些天線結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本低，因而非常適合WLAN裝置使用。

本文設(shè)計(jì)了一種適用于WLAN系統(tǒng)的印刷偶極子天線。它通過印制在FR4介質(zhì)板上而成，尺寸為90 mm×80 mm。

1 天線結(jié)構(gòu)

天線水平放置在x-z平面，圖1（a）中灰色部分為天線輻射部分，白色部分為介質(zhì)。圖1（b）中灰色部分為巴倫饋線，白色部分為介質(zhì)。天線由偶極子陣列組成，振子通過印制在相對(duì)介電常數(shù)為4.4、厚度0.8 mm的介質(zhì)板上實(shí)現(xiàn)。偶極子的長(zhǎng)度和諧振頻率有關(guān)，長(zhǎng)振子對(duì)應(yīng)低端頻段，短振子對(duì)應(yīng)高端頻段，因此該天線可以工作在2.4／5.8 GHz的雙頻段。一般常用的設(shè)計(jì)使用半波長(zhǎng)或1／4波長(zhǎng)作為天線的長(zhǎng)度。

通過在Ansoft HFSS中建模、仿真優(yōu)化之后，得出天線的結(jié)構(gòu)尺寸(單位：mm)為：W1=4，W2=1，W3=7.4，W4=7，Ll=49，L2=9，L3=18.5，La=15.5，Lb=5。

2 仿真結(jié)果

天線駐波的仿真結(jié)果，如圖2所示。天線諧振于2.4 GHz和5.8 GHz，實(shí)現(xiàn)雙頻工作。低端頻段(駐波<2)為2.35～2.47 GHz，帶寬約有120 MHz，覆蓋了IEEE802.1lb／g的工作頻段；高端頻段為5.56～6.07 GHz，帶寬約為510 MHz，覆蓋了IEEE802.11 a的工作頻段。

由方向圖可以看出該天線在y～z平面內(nèi)的波束具有雙指向性，主極化好，交叉極化小。

相比文獻(xiàn)中的準(zhǔn)八木天線，方向圖具有雙指向性，可以滿足一些對(duì)波束指向有要求的應(yīng)用。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種WLAN雙頻偶極子印刷天線，通過對(duì)雙頻印刷天線的仿真、優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了WLAN標(biāo)準(zhǔn)的工作頻段，方向圖有一定的指向性，適用于對(duì)波束指向有一定要求的應(yīng)用。該天線尺寸小，便于集成；性能好，滿足無線局域網(wǎng)通信應(yīng)用的要求。

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