实现精确到达角和测距的UWB超宽带天线设计考虑因素

2025-11-24 09:34

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从UWB超宽带基础知识开始

当你绘制第一张馈线图时，你真正需要了解什么？首先要明确你要辐射的信号类型，以及超宽带辐射器在极宽的相对带宽范围内如何工作。这些背景信息将指导你做出的每一个几何形状和叠层结构选择。

UWB对天线工程师意味着什么

对于天线设计而言，UWB 指的是瞬时带宽 > 500 MHz 或围绕选定中心频率的分数带宽 > 0.2。实际上，目前大多数定位系统都采用IEEE 802.15.4高速脉冲超宽带（UWB）技术，利用脉冲无线电信号和低频段及高频段信道，例如，在6.49 GHz附近的高频段信道带宽为499.2 MHz。在美国，免许可UWB频段大致覆盖3.1–10.6 GHz，这构成了许多物联网和测距设计人员所关注的超宽带频率范围。区域规则和部署细节至关重要：实际产品曾在ETSI和FCC标准下使用6.5 GHz信道，带宽为500 MHz；由于脉冲持续时间短，需要采用门控测量；而对于某些频段未获批准的日本市场，则需要进行固件调整或更改频段。

思为无线UWB模块

您可能还想知道什么是 5G 超宽带。在本指南中，UWB 指的是用于精确测距和定位的 IEEE 802.15.4 脉冲无线电技术。

S11 之外的核心性能支柱

宽分数带宽改变了规则。你会发现，即使是微小的布局或材料变化也会移动谐振频率并改变脉冲形状。在进行仿真之前，务必先确定验收标准。

覆盖所选 UWB 信道集的阻抗带宽。
辐射效率足以满足您的链路预算和占空比要求。
模式稳定性跨越频段和使用场景，而不仅仅是在某个特定频率上。
群延迟平坦，纹波极小，避免脉冲出现振铃现象。
整合限制因素，例如离地间隙、房屋间距和禁入区域。

了解您实际发货地区和渠道的监管规定。

可衡量的目标记录：回波损耗带、群延迟纹波趋势、目标辐射削减。

为什么时域对测距和定位很重要

超宽带 (UWB) 使用极短的脉冲，通常小于纳秒级，因此天线表现得像一个非常宽的带通元件。这意味着，如果天线的相位不是线性的，它可能会导致波形失真、引入振铃效应，并使视相位中心发生偏移。为了获得清晰的飞行时间和到达角数据，应力求实现非色散特性，并在整个工作频带内保持近乎恒定的群延迟，否则即使 S11 参数看起来良好，厘米级测距精度也会下降。IntechOpen。

首先要考虑系统层面。你需要为实时定位系统（RTLS）锚点和标签提供全向覆盖，还是需要更高的方向增益来应对更长的链路和多路径控制？紧凑的尺寸比效率更重要吗？现在就确定这些问题的答案，接下来的章节中的几何结构、堆叠方式和测试计划自然就会水到渠成。

UWB模块测距

明智地选择基材和叠层结构

为什么两块使用相同CAD设计的电路板在测试台上看起来却不一样？在超宽带（UWB）应用中，电路板的堆叠结构往往决定了宽带天线能否保持频率带宽和脉冲形状，还是会造成波形振铃和损耗。

基板和堆叠结构的选择可以拓宽带宽

基板的介电常数 (Dk)、损耗角正切、厚度和铜含量都会影响阻抗、效率和色散。FR-4 基板经济实惠，但其介电常数会随频率、温度和湿度变化，且损耗角正切在高 GHz 频率下增大；而射频层压板的介电常数 (Dk) 保持稳定，损耗也低得多。采用高介电常数粘合剂的聚酰亚胺薄膜堆叠结构，可以在超宽带 (UWB) 高频段保持良好的时域特性的同时，实现辐射器的微型化。

选项	DK 和损失	带宽和效率的影响	制造工艺和公差敏感性	UWB 笔记
FR-4层压板	1 GHz 频率下介电常数 Dk 约为 4.2–4.7，存在波动；1 GHz 频率下损耗角正切约为 0.02，10 GHz 频率下更高。	较高的损耗会降低天线宽带上限附近的效率；介电常数漂移会导致失谐。	成本低、供应充足、交货期短	适用于非关键应用，频率范围约为 6–10 GHz；注意色散和重复性。
低损耗射频层压板	某些系列产品在 10 GHz 频率下可实现严格的介电常数控制和低损耗角正切值（低至约 0.0012）。	支持更宽的可用频率带宽和更清晰的相位	成本更高，需要特殊处理，交货期可能更长	更适用于窄阻抗和低损耗的超宽带设计
薄膜聚酰亚胺 + 高介电常数粘合剂	例如，PI Dk ~3.3，粘合剂 Dk ~6，薄铜和薄膜	高深度层能够以牺牲带宽为代价来减小文件大小。	极薄的叠层结构对粘合和连接器效应非常敏感。	测量得到的高频段超宽带天线表现出宽S11带宽和稳定的群延迟。
表面处理和铜材均匀性	过程相关	镀层不一致或表面粗糙度会扰乱阻抗	保持所有产品表面处理类型的一致性。	尽早确认完成情况，以减少单元间差异

制造公差导致超宽带天线失谐

微小的物理误差会在天线宽带范围内产生较大的分数偏移。你会注意到，馈源附近介质层厚度、铜层厚度或阻焊层蠕变的微小变化都会导致谐振频率和纹波群延迟的偏移。使用隔离区保护辐射器，并在馈源周围使用阻焊层回缩以降低容性负载。保持辐射器下方和周围的接地间隙，并使用密集的过孔栅栏来确保发射电路的稳定性。

要求制造商提供介质厚度和介电常数（Dk）的全公差叠层结构。

在厂商规定的范围内，对基板厚度和介电常数进行最坏情况扫描。

明确控制铜层厚度并确认电镀目标。

保持面板分割一致，避免对外侧优惠券造成边缘效应。

DFM 检查清单，用于确认：走线宽度、铜厚度、介质厚度、掩模对准、表面处理类型、过孔钻孔和电镀、拼板方法。

连接器和发射效应发生在电路板边缘

在超宽带（UWB）应用中，板边发射极可能会对测量结果产生显著影响。在一款纤薄紧凑的UWB单极天线中，板边SMA连接器及其加宽的接地层显著改变了测量结果，因此我们采用了一种单端口去嵌入工作流程来去除连接器对S11参数的影响。即便如此，电缆损耗和焊接仍然会在仿真和测量结果之间造成一些细微的偏差，但该天线仍然能够提供约5–10.8 GHz的实测S11带宽，并且在6–9 GHz的高频段具有稳定的群延迟，这凸显了精心设计和去嵌入的重要性。MDPI Electronics。

确定一个稳固的堆叠结构，可以更容易地选择合适的散热器系列，其中拓扑结构决定了大部分的模式和尺寸权衡。

比较全向和定向需求的超宽带天线拓扑结构

选择辐射器感觉像是在瞎猜？首先要将每种超宽带天线的物理特性与您的系统目标相匹配。如果您需要可靠的测距性能，请优先考虑稳定的辐射方向图和清晰的瞬态响应。如果您需要远距离传输，请考虑方向性增益和物理孔径。

根据约束条件选择合适的拓扑结构

印刷单极子天线是紧凑型超宽带天线设计的首选，因为它们能够覆盖非常宽的频段并具有近乎全向的特性；而锥形缝隙天线或准八木天线则能提供更高的方向性，适用于更长的链路。已发表的原型表明，印刷单极子天线覆盖约 1.6–12.4 GHz 频段，具有近乎全向的辐射方向图；而喇叭形准八木天线则覆盖 3.06–12.37 GHz 频段，具有约 10 dBi 的峰值增益和高效率，这充分展现了多种选择（ResearchGate）。对于需要从任意角度接收信号的标签和锚点，应使用全向天线；而在环境复杂的地方，则应选择定向锥形缝隙天线来扩大通信距离或减少多径效应。

拓扑选择决定了 80% 的集成负担；匹配只能完善模式物理，而不能重新发明模式物理。

拓扑	相对带宽	效率	全方位行为	尺寸	整合复杂度
印刷单极子	高的	中高	高的	中等的	低至中等
平面倒F变体	中等的	中等的	中等的	小的	中等的
插槽和戒指	高的	中高	中高	中等的	中等的
锥形槽或维瓦尔第	高的	高的	低的	大的	高的
带插槽/缺口的补丁	中等的	中高	中等的	中等的	中等的
斜面或紧凑形状	中高	中等的	中高	中小型	中等的

模式稳定性和身体负荷效应

手、电池和人体组织都会导致天线失谐并降低效率。当辐射器放置在损耗较大的人体模型上时，测得的阻抗会增加约 17% 至 20%，辐射功率会下降约 9% 至 11%，效率和增益也会相应降低，这凸显了预留裕量和谨慎放置PMC 的必要性。对于可穿戴或手持产品，应预留额外的离地间隙，避免在辐射边缘附近放置金属，并验证有外壳和无外壳两种情况下的辐射方向图。

空间受限产品和离地间隙规则

在空间有限的机箱布局中，优先选择接地型散热器，这种散热器可以兼容较小的电路板，但仍需严格遵守隔离、发射控制以及使用低介电常数和低损耗的外壳材料等防尘措施。尽早确定散热器的安装位置，避免金属部件靠近散热器，并在机械部件稳定后再进行调校。

印刷单极子：保留部分接地切口，保持馈电区域无阻焊层蔓延，并在安装最终边框后进行测试。

平面倒 F 型：保持稳定的短路路径和一致的参考接地，并注意身体附近的失谐。

槽和环：保持槽周围均匀接地，控制 CPW 或微带间隙，避免在孔径上放置金属标签。

锥形槽或 Vivaldi：提供开放的开口空间和无吸收器的视线；将电缆远离耀斑。

带槽/缺口的补丁：验证缺口不会在 UWB 频段引入不必要的群延迟纹波。

接下来，我们将把这些比较结果转化为可重复的打印单极子工作流程，您可以从最初的草图到腔室运行。

逐步讲解UWB印刷单极子设计

听起来很复杂？使用可重复的流程，让数据引导编辑。这种方法适用于紧凑型超宽带天线，它们必须像宽带天线一样工作才能实现精确测距。

参考几何形状和一阶尺寸

从简单的入手。带有部分接地和共面波导 (CPW) 或微带馈电的印刷单极子天线是一种成熟的宽带天线构建模块。接地尺寸决定了低频截止频率和方向图平衡，因此在深入研究辐射器细节之前，应尽早规划电路板接地尺寸的扫描方案。仿真和测量表明，缩小接地尺寸可以提高低频截止频率并缩小阻抗带宽，同时保持方向图大致全向，这对于2007 年 ISAP 的布局限制至关重要。

确定感兴趣的频段。记录目标信道集、模式目标以及工作范围内可接受的群延迟纹波。

选择合适的基板和厚度。作为验证的参考，我们成功地使用了一种基于 Rogers RT5880 基板、厚度为 1.575 mm、介电常数为 2.2 的共面波导馈电超宽带单极子天线进行宽带研究和时域分析。

绘制散热器和接地开孔草图。在散热器下方预留一块干净的禁区。计划扫掠接地面积，因为它会改变下边缘位置并影响全向性，正如超宽带单极子天线研究中观察到的那样。

添加馈源并发射。使用可控共面波导 (CPW) 或微带馈源。在电磁工具中设置开放边界，并在远离几何体的空腔处放置一个空腔，以模拟自由空间。校准连接器，如果可能，去除连接器嵌入，以避免馈源掩盖天线特性。

对散热器长度、倒角或缺口以及接地槽进行电磁扫描。尽可能使用自适应网格划分，并通过细化网格并重新运行几个点来检查收敛性。

评估S11参数和群延迟。通过取传输相位与频率关系曲线的负斜率，将S参数转换为群延迟。平坦的群延迟表明脉冲保真度更高。

导出到PCB时需考虑制造限制。在进给端添加阻焊层回拉，保持接地间隙，并一致地放置过孔挡板以稳定出料。

准备测试样品。包括裸天线样品和馈通标准样品，以验证校准、连接器质量和去嵌入工作流程。

参数扫描使目标频带居中

先从粗略入手，再进行精细调整。首先，同时调整辐射器的高度和宽度，以滑动频带。接下来，用斜面或小凹槽修剪边缘，以平滑回波损耗。然后，调整接地窗口和任何缝隙，以提高带宽和方向图稳定性。再次检查 S11、S21 相位和群延迟是否在所有信道上保持平滑，而不是集中在某个特定频率。如果您的产品对方向有要求，请在扫描过程中进行非垂直方向图和相位检查，以免因色散特性而牺牲带宽（IEEE TAP）。

从电磁模型到PCB，漂移极小

许多大型设计项目在仿真和实验台测试之间容易出现偏差。在电磁模型中，应确保器件的堆叠结构和表面处理与实际制造的器件一致。保持CAD模型和实验台测试中的连接器、焊盘和发射几何形状完全相同。使用TOSM或其他等效校准工具，将参考平面移动到天线馈源，并在工具允许的情况下去除嵌入夹具。然后叠加多个单元，以确认重复性和公差灵敏度。

在宽带天线中，馈电区铜和附近的接地或过孔栅栏往往比精细的辐射器设计更能主导谐振。

制作前进行健全性检查

确认空气箱和边界设置足够远，以避免反射耦合。
验证整个频带内多个频率下的网格收敛性。
导出 Gerber 文件，其中包含进给间隙周围的掩模回缩和受控铜厚度说明。
包含一张仅限地面使用的优惠券和一条用于脱嵌练习的贯穿线。
计划在首批文章之后计算群延迟并检查时域变换中的任何振铃现象。

几何结构锁定后，下一步是测量时域行为和群延迟，以确保天线在测距过程中保持脉冲保真度。

时域性能和测量

几何结构已锁定。现在如何确保测距和攻角测量所需的脉冲信号保持纯净？时域检测可以告诉您辐射器在超宽带频率范围内是否能保持波形形状。

用于清晰测距的群组延迟涟漪目标

为了实现精确的到达时间差 (TDoA) 和超宽带 (UWB) 跟踪，需要关注以下三个概念：群延迟平坦度是指天线相位与频率近似呈线性关系；脉冲保真度描述了接收脉冲与发射脉冲模板的匹配程度；振铃是指主瓣之前或之后的不需要的能量。

实际操作中，应将整个频段内的群延迟变化控制在 1 ns 以内，并将天线传递函数变化控制在 10 dB 以内。

这些限制反映了已发表的时域评估结果，其中即使是匹配良好的天线，当高阶模式随频率移动相位中心时，也会展宽脉冲，尽管 S11 IntechOpen良好，但测距性能仍然下降。

从S参数到时域洞察

听起来很复杂？用矢量网络分析仪 (VNA) 就能搞定。测量两根天线之间的 S11 参数，如果条件允许，还要测量 S21 参数。应用时域变换得到脉冲响应，然后使用加窗和门控技术将固定装置和发射源的信号与辐射源的信号区分开来。

设置较宽的频率范围和足够的采样点，以提高时间分辨率和时间范围。

对于带宽受限的被测器件，选择带通模式；对于直流特性重要的被测器件，选择低通模式。

应用加窗来权衡主瓣宽度和旁瓣，然后启用时间门控来消除夹具回波，并将清理后的结果重新投影到频率。

捕获脉冲响应，根据相位斜率计算群延迟，并注意与几何特征相关的任何预振铃或后振铃。

文档设置，以便后续运行结果具有可比性。

采用时域变换、加窗和门控的矢量网络分析仪（VNA）工作流程已在天线和互连领域得到广泛应用。

解读损害超宽带跟踪的失真

你会注意到，干净的天线会呈现出单一的窄主瓣，具有较小的半峰全宽（FWHM）和快速衰减。群延迟中过大的纹波或较强的旁瓣表明存在多模特性，这可能会影响到达角（AoA）或延长超宽带（UWB）应用中的飞行时间（TOF）。

实用测试设置和去嵌入技巧

在一致的距离和极化条件下，沿简单的视线路径测量 S21。
在连接器平面上进行校准，并尽可能去除嵌入发射。
在评估天线之前，使用时间门控技术消除电缆和固定装置的反射。
将多个被测器件叠加在一起，以发现器件间的差异和公差敏感性。
将时域异常关联起来，以确定是馈铜、接地窗还是外壳金属。

总之，即使天线满足回波损耗要求，如果超宽带频率范围内脉冲失真严重，测距仍然可能失败。因此，首先要验证时域指标，然后再进行宽带匹配和射频集成，以确保指标保持稳定。

思为无线UWB天线

宽带匹配和射频集成

想在不损害脉冲保真度的前提下，追求更高的回波损耗吗？正确的方法是保持带宽宽、群延迟平滑，从而确保测距和迎角准确。

何时匹配散热器以及何时重新塑造散热器形状

首先从裸天线入手。如果其史密斯圆图轨迹在大部分频段内阻抗已接近 50 Ω，则应优先调整辐射器和接地，而非进行复杂的匹配。请记住，简单的 L 型截面可以在一个频率上实现共轭匹配，而真正的宽带匹配则需要一个跨度优化的带通型网络（参见MathWorks）。尽量简化网络结构，以避免谐振陷波和群延迟纹波。此外，还应考虑 SMD 寄生参数和公差——未补偿的参数值会导致响应偏移数百兆赫兹，而当收紧 GHz 范围内的公差时，良率会显著提高。本节重点讨论脉冲 UWB 天线匹配，而非 5G UWB 或超宽带 5G 等概念，也不应与蓝牙相关的任何频率混淆。

宽带天线史密斯圆图工作流程

测量整个运行中的超宽带频段的去嵌入天线阻抗。在史密斯圆图上绘制其轨迹。

判断单个串联或并联元件能否拓宽可用频带。如果不能，则考虑使用适中的带通滤波器网络，并优化频率范围内的平均反射率，而不是追求单一陷波目标。

模拟实际元件：包括ESR、ESL、SRF和封装效应。寄生效应可使匹配频率偏移数百兆赫兹，在2.4–2.6 GHz目标频段附近使用5%公差的元件，S11 ≤ −10 dB的良率约为99.3%，而使用10%公差时良率仅为81.9%。

保持互连线短，避免短截线。对于 0402 网络，如果布局合理，焊盘间约 0.5 毫米的互连线对高达数 GHz 的频率影响极小。

在两个域中进行验证：检查 S11 平坦度，计算时域响应和群延迟，以确认匹配没有增加振铃。

保持比赛透明的布局规则

使用接地共面波导，背面连续接地，并采用对称的入射方式。在接地平面上添加过孔栅栏；过孔间距在最高频率下不超过λ/10，并将栅栏放置在距离信号边缘约一到三个间隙宽度的位置，以实现隔离，同时避免线路过载。

做	不
使用低公差元件，并确认 SRF 高于您的频段。	依靠高Q值元素来产生窄陷阱和涟漪
将元素紧密排列，并使用短而对称的路径	在进料口附近添加长短不一、蜿蜒曲折或不对称的造型
取消嵌入启动并检查任何更改后的组延迟	仅凭 S11 判断成功与否，而不进行时域检查

匹配要轻柔。大多数宽带增益都来自于辐射器和地线的调谐，并用一个轻柔的网络来平滑最后的边缘。保持相位线性度能够确保阵列校准和到达角（AoA）处理在下一阶段顺利进行。

UWB阵列设计中精确AoA的阵列校准

想要获得亚度级的超宽带入射角估计值，并且这些估计值在实验室外也能保持稳定？首先要确保良好的几何结构与可重复的入射角校准流程相匹配。你会发现，在数字信号处理（DSP）之前，对称性、间距和相位控制就已经完成了大部分繁重的工作。

能够保留全方位线索的阵列几何结构

单元间距决定了清晰的相位窗口。作为实际目标，将单元放置在通道中心附近 0.45 λ 的位置，以避免相位缠绕并保持高分辨率。对于双频段阵列，应根据较高频段调整单元间距，以确保较低频段的相位保持在安全范围内。保持有效孔径和频段内的群延迟变化较小，并考虑前后方向模糊。单极子阵列需要 IMU 数据、方向图或第三个单元的辅助才能解决前后方向模糊问题。保持 50 欧姆馈电和一致的布线，以便校准仅消除微小的残余误差。

隔离和相互耦合缓解

耦合会使相位模糊。单元间隔离度应至少达到 25 dB，并在布局允许的情况下使用接地槽、栅栏或吸音结构。优先选择板载馈线，并使用短而等长的线路。微型同轴电缆可能会引入对弯曲敏感的相移和单位力校准。对于超宽带阵列设计，应将外壳视为阵列的一部分。保持环境对称，并确保大型金属部件、电池和显示屏框架围绕阵列中心保持平衡。

保持各元件间离地间隙和边框距离的对称性。

保持馈线长度一致，并尽可能避免在射频路径中使用过孔。

将电缆远离火炬或散热器布置，并左右对称布置电缆路径。

使用密集的过孔栅来限制 CPWG 场并减少交叉耦合。

将附近的金属放置得远一些或对称一些，以简化 DSP 校正。

在后处理中，宽带互耦抑制可以利用单元方向图重构将嵌入式方向图转换为孤立方向图，并解耦子带间的接收信号，这对于平面阵列以及线单元都是有效的。《国际天线与传播杂志》

可重复校准，适用于现场部署

宽频带上的微小相位误差会累积成较大的迎角偏差。
实验室参考。使用已知的超宽带信号源和转台进行方位角扫描。记录每个工作通道中每个单元的相位和振幅随角度的变化。
每个通道进行均衡。计算 0 度角和整个频带的幅度和相位偏移。存储这些偏移，使 PDoA 居中并消除频带间漂移。
元件模式特征分析。记录最终外壳安装后的嵌入式元件模式。排除干扰并验证整个工作范围内的群延迟平坦度。
互耦校正。利用测量模式或电磁模型构建宽带补偿矩阵，并在PDoA估计过程中将其应用于DSP中。
定期进行现场检查。使用已知方位角的便携式参考信标来刷新偏移量，并在冲击或维护后确认阵列健康状况。

稳健的天线延迟和偏差校准能够显著提高定位精度；一项研究报告称，校准后，当测量不确定性与接收功率进行建模时，定位精度平均提高了 46% （arXiv）。如果校准后的阵列仍然存在偏差或角度跳动，请继续进行故障排除和验证流程。

故障排除和验证工作流程

当您的原型天线未达到预定的测距或迎角目标时，您该从何入手？使用这套经过现场验证的天线故障排除流程，在超宽带天线测试期间隔离S11异常、辐射方向图畸变、增益不足和单元间漂移等问题。

在几何结构改变之前进行系统的 S11 分诊

这听起来显而易见，但还是要先核实测量结果。错误的参考值会掩盖真正的问题，浪费时间。
进行 S11 故障排除时，请在天线馈电平面处进行全新校准，而不是在 VNA 端口处进行校准。尽可能去除嵌入的发射和固定装置。
扫描覆盖所有目标超宽带信道的范围。使用足够的点来提高转换到时域时的时间分辨率。
在评估辐射器性能之前，应用时间门控和窗口化技术来消除灯具回波。矢量网络分析仪 (VNA) 支持带通变换、门控和窗口化等多种权衡方法，能够清晰地显示不连续性。

模式和效率检查，以找出根本原因

如果 S11 看起来不错，但链接较短或角度有偏差，请查看模式和损失。
先在自由空间进行测试，然后逐步添加外壳。附近的金属可能会改变旁瓣位置，填充零点，甚至在近场中以不可预测的方向增加几分贝，因此当硬件靠近时，不要依赖标称零点。
重新检查散热器和电池周围的禁入区域。保持一定距离（例如与电池保持约 20 毫米）可以降低失谐风险并保持辐射效率。

制造缺陷以及如何快速发现它们

检查发射：焊盘长度、焊料焊盘、掩膜蠕变和接地间隙对宽带性能起决定性作用。
使用显微镜或 X 射线检测通孔，以检查镀层是否开路或过薄。比较多个单元以量化工艺偏差。
确认实际组装的结构和表面处理与 EM 模型相符。
验证校准和去嵌入。
检查连接器并开始焊接。
与普通测试优惠券进行比较。
扫描围栏的接近程度和方向。
使用 X 射线或显微镜检查过孔和铜开口。
重新测量，并调整电缆位置，消除应力。
运行时域变换以定位不连续点并应用门控。
使用实际建造的堆叠结构和重新拟合参数更新 EM。

症状	可能原因	快速修复
S11频段高移	更薄的介质层、更长的发射台、掩模加载	去除嵌体，修剪馈铜，拉回阻焊层，重新安装 EM 中的 Dk。
S11性能不错，但续航能力差	有损路径或色散匹配增加群延迟纹波	简化匹配，检查时域响应，减少高Q值部件
封闭空间内的辐射模式畸变	附近的金属或电池连接器	增加隔离范围，谨慎添加吸音材料，并在安装隔音罩后验证隔音效果。
低增益模型	连接器损耗、铜质粗糙、校准误差	重新校准，检查夹具，确认表面处理和铜厚度
单位间变异性	通过电镀扩散进行掩模定位	收紧晶圆厂公差，叠加多个被测器件，调整至中值

可重复使用的固定装置和一致的电缆敷设与天线本身同样重要。

预先设定验收标准。定义UWB通道的回波损耗通带、关键切入点的模式均匀性窗口，以及门控后的群延迟纹波和时域振铃的限制。对于附近有金属的产品，由于上述近场不确定性，应使用离轴增益保护包络线，而不是依赖理想零点。完成此检查清单后，即可进行模块感知验证，以确认其在实际功率水平和波形下的性能。

模块感知型超宽带天线集成

现在想把你的设计应用到实际硬件上吗？这时，UWB模块集成就能把一个优秀的辐射器变成一个可靠的产品。你的天线必须保持脉冲保真度，满足UWB链路预算，并且在模块的功率水平和频段内保持兼容。

作为具体参考，NiceRF UWB650Pro 基于 Qorvo DW3000 芯片，支持 IEEE 802.15.4-2020 标准，工作频率为 6489.6 MHz，信道 5，带宽为 499.2 MHz。它集成了射频放大器和带 UART 控制的 MCU，提供高达 0.5 W 或 27 dBm 的发射功率，通信距离可达 1 km，测距精度优于 ±10 cm，睡眠电流低于 100 μA。这些特性对天线的选择、匹配和系统布局提出了实际的限制。NiceRF UWB650Pro。

远程超宽带天线集成检查

阻抗和相位。在所需的 500 MHz 频段内，目标 S11 低于 -10 dB，并保持较低的群延迟变化以保护脉冲形状。Qorvo 建议在 500 MHz 频段内将群延迟变化最小化至约 100 ps 以下，并使用长度相近的 50 Ω 可控阻抗馈线。避免在射频路径中使用过孔，优先选择带有接地和过孔栅的共面波导 (CPW) 结构，并注意微型同轴电缆，因为弯曲和长度公差会造成每毫米的相移，从而影响到达角 (AoA) 和测距精度。

如果为附近业务添加带通滤波器或陷波滤波器，请考虑其插入损耗和群延迟。滤波器会引入相位非线性，并与天线的色散叠加。

DW3000 天线路径。保持 DW3000 天线馈线短、对称，并与噪声时钟和高速数字线路隔离。

性能模式。在模块支持的数据速率和功率设置下进行验证，以确保模式稳定性和群延迟在各种操作模式下均能保持稳定。

与模块启动相关的天线验证步骤

将模块配置在通道 5 上，并扫描 850 kbps 和 6.8 Mbps 两种模式以捕获代表性频谱。NiceRF UWB650Pro。

在天线馈源处测量 S11，去除发射损耗。对时域响应进行门控处理，以分离辐射器特性并计算 500 MHz 频段内的群延迟。

空中 S21。在受控的 LOS 设置中，收集两个单元之间的 S21 与频率的关系，以验证脉冲保真度和范围趋势是否与您的 uwb 链路预算一致。

使用实际外壳进行测试。安装最终外壳，并在代表性功率水平下记录嵌入的测试图案，以确认离轴均匀性和迎角偏置控制。

区域兼容性。如果您需要欧盟、美国或日本的兼容性，请验证门控、占空比特性和频谱整形。案例研究表明，使用门控测量，并在必要时将频率降低到 7.125 GHz 以下以与 6 GHz Wi-Fi 共存，即可在 6.5 GHz 频段上实现 ETSI 和 FCC 标准的 500 MHz 带宽。日本通常需要固件或频段调整。

功率处理和EIRP合规性

想象一下，开启 27 dBm 的驱动模式后，可能会出现模式或群延迟偏移。更高的驱动功率会暴露匹配、馈源布局或滤波器方面的薄弱环节。在依赖远距离驱动模式之前，请务必在最大允许设置下评估线性度和散热性能。

集成功率放大器和远程模式对天线效率、线性度和群延迟提出了更高的要求。

使用高发射功率时，请按频段和区域检查 EIRP 合规性。在当地法规要求的情况下，使用门控测量和低占空比配置文件，并确认用于共存的任何滤波器都不会使群延迟超出测距预算。

预算色散。离散滤波器会在部分频带上引入数十皮秒的群延迟变化，这会与天线色散叠加；务必将综合变化控制在定时误差预算范围内。

机械放置方式可保护图案完整性

视野开阔。对于设备端阵列或单个单元，应在天线前方保持开放区域，并避免使用会干扰辐射器的遮罩。对称设计可减少迎角偏差。

接地和禁入区域。在馈线和散热器边缘周围预留离地间隙，保持金属电池和支架之间的距离一致，并将电缆远离辐射孔。

发射规范。使用带有密集过孔栅的共面波导光栅（CPWG），避免射频路径中的层间过渡，并保持馈线短，以维持整个频段的辐射方向图稳定性。

在机械规格中记录天线放置的超宽带约束，以免后期更改导致设计失谐。

一旦模块级测试在实际功率和波形下通过，锁定设置并转向最终检查清单和工具，以加快 EVT 及后续测试中的可重复验证。

最终版 UWB 设计检查清单和推荐工具

准备好离开实验室，自信地扩大规模了吗？使用这份实用的超宽带设计清单，从概念到生产，确保脉冲保真度、模式和良率都符合预期。

设计和验证清单

要求：锁定信道、链路预算、目标模式和可接受的群延迟纹波。已发布的超宽带原型机已证明，全频段群延迟低于约 1 ns，这在设定限制条件时是一个有用的基准。

拓扑结构和布局。选择符合空间和布局需求的散热器系列，然后尽早通过 CAD 设计预留离地间隙和禁停区域。
电磁仿真工作流程。设置参数扫描、自适应网格划分和去嵌入。根据模型规模和目标，在 CST、HFSS 或 ADS 中选择求解器和流。
射频PCB可制造性设计（DFM）。明确叠层结构、铜层厚度、表面处理、馈电点附近的掩膜回缩、过孔围栏和拼板方式。与供应商确认公差范围。
匹配和时域分析。优先选择最小网络。每次更改后，验证 S11 参数并计算群延迟和脉冲响应。
外壳效应。测量安装最终外壳后的辐射模式和效率。与裸露的测试样品进行比较。
模块启动。使用 NiceRF UWB650Pro 作为参考平台，在现场试验中验证天线 KPI 与测距精度和链路裕量之间的关系。NiceRF UWB650Pro。
阵列和到达角。目标是实现高隔离度和方向图对称性。在超宽带MIMO文献中，20 dB以上的隔离度通常被认为是高的，这指导了阵列间距和解耦的选择（参见SSRG综述）。

加快迭代速度的工具和模板

天线验证工具。矢量网络分析仪（VNA），具备时域变换、门控和去嵌入功能。消声室，配备用于方向图测量的转台。
电磁仿真工具。CST、HFSS 或 ADS 用于在已记录的电磁仿真工作流程中进行快速参数化和优化。
射频PCB可制造性设计模板。包括叠层结构和公差表格、掩模和表面处理检查清单以及竣工图记录表。
数据包。版本化的 S 参数、群延迟图、辐射模式以及跨版本的相关性说明。
在EVT退出之前，使用实际构建的结构和真实波形进行验证。
从原型到可扩展制造
根据腔室数据创建黄金单位和保护带限值。
每次运行后都将测试结果存档：
S 参数和去嵌入设置
群延迟和脉冲响应图
有无封闭空间时的辐射模式
竣工图说明、叠层结构、表面处理、铜箔厚度、掩模对准
阵列校准文件和偏移量（如有）
将射频PCB设计制造规则锁定到发布封装中，并跟踪介质厚度、铜和掩模的SPC。
在UWB650Pro平台上进行试点现场测试，在扩展之前将天线 KPI 与测距误差和链路裕量联系起来。

按照这份清单，你就能交付能够保持方向图、保留脉冲信号，并且能够从实验室到现场无缝扩展的天线。

超宽带天线设计注意事项：常见问题解答

UWB 天线设计涵盖的频率范围是多少？

对于天线工程而言，超宽带 (UWB) 通常意味着至少 500 MHz 的瞬时带宽或高于 0.2 的分数带宽。在美国，免许可的 UWB 频段大致覆盖 3.1–10.6 GHz，许多系统运行在 6.49 GHz 附近的高频段信道上，带宽约为 499.2 MHz。实际部署通常采用 6.5 GHz 频段、500 MHz 带宽的信道，但各地规定有所不同。应将合规性作为设计输入，并尽早确认最终的信道方案。

为什么群延迟平坦度对 UWB 测距和 AoA 很重要？

超宽带 (UWB) 使用极短脉冲，因此天线的相位线性度直接影响脉冲形状和时序。过大的群延迟纹波会引入振铃并改变相位中心，即使 S11 参数看起来可以接受，也会导致距离和角度偏差。文章建议，为了获得清晰的测距结果，应将整个频段的总变化保持在 1 ns 左右；同时，供应商建议在 500 MHz 频段内将总变化控制在 100 ps 左右，以获得更精确的迎角 (AoA) 性能。务必在频域和时域进行验证。

哪些 UWB 天线拓扑结构最适合测距和远距离链路？

对于需要均匀覆盖的标签和锚点，印刷单极天线凭借其宽带宽和近乎全向的辐射方向图，是理想之选。当需要更远的覆盖距离或想要抑制多径效应时，锥形缝隙天线或维瓦尔第式天线可以提供良好的方向性，但代价是尺寸增大和集成复杂。缝隙天线、环形天线和带槽贴片天线可以在尺寸和带宽之间取得平衡，而PIFA天线则适用于空间有限的情况，但可能需要更精细的封装集成。

PCB材料和公差如何影响UWB天线的性能？

介电常数、损耗角正切和厚度对阻抗、带宽和色散有显著影响。FR-4 材料的介电常数变化会导致高 GHz 频段的失谐和损耗，而低损耗射频层压板则能有效控制介电常数，从而提高效率。铜厚度、阻焊层蠕变和发射几何形状的微小物理误差都会导致宽带范围内较大的相对偏移。测量时，应在馈电区附近使用阻焊层回缩，保持接地间隙，控制铜层厚度和表面处理，并去除板边发射层的嵌入层。