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超廣頻晶片天線顛覆傳統，可滿足多種應用的需求

作者： Bill Schweber 2023-07-06

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工程

無線通訊

RF 和無線

天線的功能就是在由馬克士威方程式控制的無線射頻世界和充滿電壓與電流的電路世界之間，充當雙向傳感器。但令人驚訝的是，現今天線的類型和尺寸多不勝數，包括八木天線、領結形、環形、碟型、貼片型、雙極、單極、號角型、螺旋型以及短載型等等。

其原因在於天線及其配置一直面臨複雜的挑戰，需要滿足許多頻繁相互衝突的用途。需考量的參數有中心頻率、3 dB 頻寬、輻射場型、方向性、前／後比、旁瓣、實體尺寸、阻抗和功率處理，以及典型的尺寸、效率和成本問題。

理想狀態下，最好有能應付所有情況的天線，尤其是在非常講究成本和空間的時候。雖然我們還沒有做到這一點，但超廣頻 (UWB) 天線是各類需要快速、可靠及低功率連線應用的理想選擇。

評估天線

以往，許多系統都有一個重要目標，就是讓天線頻寬 (在 -3 dB 點之間測得) 保持在最低限度，以免接收外來訊號或造成不必要的干擾。畢竟，我們為何要支援頻外效能和增加收到的雜訊，尤其是這樣做還會拖累其他因素呢？

頻寬參數的一個常見指標是分數頻寬 (FBW)。分數頻寬為頻率跨度除以中心頻率之比，而頻率跨度為最高頻率減去最低頻率所得的值。分數頻寬可介於 0 到 2 不等，通常以 0% 到 200% 之間的百分比表示。百分比越高，頻寬就越大。

要是有個簡單的準則能指出各種天線大致的分數頻寬就好了，但這是不可能的。原因在於天線在設計和實體尺寸上做了許多折衷，可能比大多數元件更甚。天線有很大的自由度，因此它們的參數 (包括分數頻寬) 能夠相互平衡，為給定的應用找到「最理想」的設計。

幾乎所有天線的分數頻寬，都可以透過與其他參數間的取捨來加以增減，例如方向性 (增益)、旁瓣、輻射場型、實體尺寸以及多元件設計的元件數量等。例如，要想將傳統的八木天線的分數頻寬從幾個百分點調整成幾十個百分點，只需改變其元件的數量和間距、厚度以及其他物理屬性。

有些專家認為只要分數頻寬為 20% 或以上，即為超廣頻天線，有些則認為分數頻寬必須為 50% 以上才是超廣頻天線。根據美國聯邦通訊委員會 (FCC) 及國際電信聯盟無線電通信部門 (ITU-R) 目前的定義，當天線傳輸的發射訊號頻寬超過 500 MHz 或算術中心頻率的 20% (以較低者為準)，即為超廣頻天線。由於可能發生混淆，討論這一主題時最好是尋求進一步的釐清。

超廣頻：此一時，彼一時，需求已發生變化

過去指令要求分數頻寬盡可能窄，但隨著廣頻與多頻段應用的問世，現今偏好分數頻寬非常高的超廣頻天線，甚至強制使用這種天線。事實上，最近有許多學術論文都在探討具有超廣頻特性的新型或創新天線配置。

在繼續探討之前，讓我們先討論超廣頻這個術語。「超廣頻」有時又名超寬頻，有兩種稍微不同的含義。如先前所述，在天線背景下，超廣頻與分數頻寬有關。但在電磁頻譜背景下，「超廣頻」一詞也用來描述更高頻寬下的更高頻率。

例如，使用 30 至 300 GHz 極高頻 (EHF) 頻段的應用常稱為超廣頻應用，因為它們可以使用幾百 MHz 的超寬「切片」來支援極高的數據傳輸率。但這種在 60 GHz 下使用 1 GHz 頻率的超廣頻應用，不需要使用超廣頻天線，它只需要以 60 GHz 為中心、分數頻寬僅為 1.7% 左右的天線。

Abracon 的 ACG0806U、ACG0301U 和 ACG0502U 等超廣頻天線，可以在該寬頻範圍下工作。它們可用於取代多個窄頻天線，同時提供高度靈活的設計和可靠的連接性 (表 1)。

$Table showing how the ACG0806U, ACG0301U, and ACG0502U UWB antennas offer different combinations of frequency range and fractional bandwidth$ 表 1：ACG0806U、ACG0301U 和 ACG0502U 超廣頻天線，可提供不同組合的頻率範圍與分數頻寬。(圖片來源：Bill Schweber，源自 Abracon 資料)