苹果双极天线提供超宽带通信技术的通信电路设计

　苹果公司公布了一项专利申请，该专利使用双极天线提供超宽带通信技术（UWB），可改善通信电路。超宽带通信技术可应用于传感器数据收集、精确定位和跟踪应用程序等。该项专利与 iPhone 手机有关，将首先在 iPhone 11 上实现，可以利用双极天线改善通信 电路，实现超宽带（UWB）通信。超宽带传统上用于非合作雷达成像，最近也应用传感器数据收集、精确定位与跟踪等应用。

　　图片来源：patentlyapple.com

　　此前，苹果曾与恩智浦合作开发了 CarKey 来解锁宝马车门，未来，超宽带通信技术可应用于 CarKey。CounterpointResearch 的分析师 NeilShah 认为，苹果用户使用 ATM 机、销售终端等设备进行金融交易时也可应用超宽带通信技术。此外，商场和机场的室内导航、智能家居等不同领域均有希望搭载这项技术。

　　双极天线，亦称“偶极天线”。一种简单垢对称天线。短波电台和超短波电台常用的天线之一。短波电台进行天波通信使用最为广泛。通常用多股铜线、硬铜线或粗金属管制成，长度一般为工作波长的二分之一，辐射电波的最强方向是在天线轴的垂直平面上。主要优点是结构简单，携带、架设和撤收方便，方向性不强，适于野战条件下使用。主要缺点是输入阻抗变化大，波段性能差。

　　超宽带通信技术具有抗干扰、传输速率高、系统容量大、发射功率低、保密性好、通信距离短、成本较低、便携等优点，且从字面上可以看出，其带宽极宽，能够和窄带通信系统同时工作且互不干扰。

　　有以上特性加持，苹果 CarKey 用户可以放心使用数字汽车钥匙进行车辆解锁，会在更加安全的情况下完成用户体验。

　　那么双极天线有什么特点呢？

　　双极天线又被称为水平对称振子，其通常的假设方式有水平架设、倒 V 架设和正 V 架设三种。其是在通信距离不超过 500~600km 的电离层波通信中广泛使用的天线。

　　其具有以下特点：

　　一、阵因子随仰角△（仰角是观察点方向与水平面夹角）的变化而改变，且因架设高度而异。

　　二、由于元函数在垂直面内与仰角△无关，所以可以改变架设高度来控制垂直面内的方向图。

　　三、无论 H/λ为何值，沿地面方向辐射为零，H 为架设高度。

　　四、当 H/λ＜0.25 时，在△=60°~90°范围内场强变化不大，均接近△=90°方向上的最大值，此时天线具有高仰角辐射性能，称此种天线为高射天线，它通常应用在距离为 300km 范围内的天波通信（电离层通信）。

　　五、随着 H/λ的增加，波瓣数开始增多。最靠近地面的波瓣的最大辐射方向的仰角随 H/λ的增加而减小，这时天波通信的距离也越远，△=arcsin（λ/2H），应让最大辐射方向的仰角等于天波通信所需仰角（所需仰角可以根据通信距离 d 与电离层高度 Hc 来决定）。因此可以求出天线架设高度 H=λ/4sin（△），可见，利用天波通信时，通信距离越远，通信仰角越低，要求天线架设越高。

　　六、当地面不是理想导体时，不同的架设高度的垂直平面方向图其变化规律与理想导体时几乎完全一致，所不同的主要是场强极大值变小，零点消失，最大辐射方向稍有偏移。

　　七、当架设高度一定时，指定仰角下的水平归一化方向图与自由空间对称振子的相同，仰角越大，振子在水平面的方向图越不明显。

　　八、若忽略实际地面对辐射电阻的影响，最大方向系数可达到自由空间的四倍，在实际地面的情况下，方向性函数最大值是自由空间的 1.7~1.9 倍，方向系数 D 约为 2.9~3.6 倍左右。

　　双极天线尺寸选择：

　　双极天线的结构有振子长度 L（单臂），加高 H 和振子直径 d。天线在工作频段内为保证在垂直振子轴的平面内有最强的辐射，必须使 L≤0.625λmin，λmin 为最短工作波长，即最高工作频率对应的工作波长。为保证馈线上的行波系数不过低，L 不宜过短，一般应该使 L≥0.2λmax，λmax 为最长工作波长，即最低工作频率对应的工作波长。也即选择：

　　0.2λmax≤L≤0.625λmax

　　天线架设高度 H 的选取原则是，在工作频段内保证通信仰角方向上有足够强的辐射，若通信距离在 300km 以内，可选择 H/λ=0.1~0.3，但不宜过低，否则地表波辐射增大，天波辐射能量减小，天线效率降低，通常架设不宜低于 7~8m，若通信距离远时，根据 H=λ/4sin（△）选择架设高度。

　　排除地面影响，水平架设的双极天线方向图与垂直对称振子水平放置时相同，双极天线选择倒 V 架设或者正 V 架设时，其方向图向 V 字口辐射，V 字底辐射很少。

　　若考虑地面的影响，水平架设的双极天线的方向图为对称振子的一半，并向地面上方辐射，双极天线选择倒 V 架设或者选择正 V 架设时，其方向图由于地面的反射作用，向地表面上方辐射，只是正 V 架设比倒 V 架设时方向图裂瓣多一些。

编辑：hfy