UWB（超宽带）技术基于纳秒级窄脉冲（<2ns）实现通信，工作频段3.1-10.6GHz，具备高时间分辨率（理论定位精度达厘米级）、强抗多径干扰能力（短脉冲特性）和低功耗（低占空比信号）。
- 理论依据：基于ToF（Time of Flight）或TDoA（Time Difference of Arrival）算法，利用UWB的时间分辨率优势
- 实践案例：
- 工厂AGV实时定位（误差<10cm）
- 医院医疗设备追踪（如Ekahau RTLS系统）
- 苹果AirTag（U1芯片支持空间感知）
- 理论带宽：500MHz以上信道，支持110Mbps+速率（IEEE 802.15.4a/z标准）
- 实际应用：
- 汽车多媒体传输（替代传统CAN总线）
- 工业AR/VR设备实时数据流（如NXP Trimension方案）
- 原理：利用脉冲回波检测微动（呼吸/心跳监测）
- 商用案例：
- 车内儿童遗留检测（TI AWR6843芯片）
- 手势识别（Google Soli雷达）
1. 射频前端设计
- 阻抗匹配
- 理论：50Ω特性阻抗控制（Smith圆图优化）
- 实践：
- 使用4层以上PCB（顶层信号，中间地层隔离）
- 微带线宽度计算（如RO4350B板材，1.6mm板厚时线宽≈2.8mm）
- T型/Π型匹配网络（需VNA实测调试）
- 滤波器设计
- 带通滤波器要求：3.1-10.6GHz插损<1.5dB
- 推荐方案：LTCC滤波器（如Murata LFB188系列）
2. 天线设计规范
- 天线选型
- 理论：全向辐射模式，带宽>7GHz
- 实践方案：
- 印刷单极子天线（成本低，需净空区）
- 陶瓷贴片天线（尺寸小，如Taoglas TFAD.07）
- 差分馈电Bowtie天线（适合6-8.5GHz频段）
- 布局要点
- 净空区要求：天线周围≥λ/4（6GHz时约12.5mm）
- 多天线系统：空间分集间距>λ/2（6GHz时25mm）
- 接地优化：天线下方完整地平面，避免分割
3. 电源完整性设计
- 供电策略
- 理论：UWB脉冲峰值电流可达300mA（如DW3000芯片）
- 实践方案：
- 独立LDO供电（如TPS7A4700，PSRR>60dB@1MHz）
- 分级滤波：10μF钽电容+100nF陶瓷电容
- 电源分割：数字/模拟电源隔离（磁珠FB≥600Ω@100MHz）
- 去耦电容布局
- 关键点：芯片引脚旁路电容<1mm间距
- 容值组合：0.1μF+1pF（抑制高频噪声）
4. 信号完整性控制
- 差分对设计
- 理论：保持100Ω差分阻抗
- 布线规则：
- 等长控制（偏差<5mil）
- 对称走线（间距2倍线宽）
- 避免跨分割（参考层连续）
- 过孔优化
- 背钻工艺：消除stub效应（6GHz时stub<8mil）
- 地孔包围：信号过孔旁配接地过孔（间距<100mil）
5. 热设计与EMC
- 散热设计
- 芯片热阻：例如NXP SR040热阻θJA=35℃/W
- 实践方案：
- 2oz铜厚铺地
- 散热过孔阵列（孔径8mil，间距40mil）
- EMI抑制
- 屏蔽罩设计：0.2mm镀锡钢壳，接地点间距<λ/20（6GHz时2.5mm）
- 边缘处理：接地guard ring（宽度>20mil，过孔间距<100mil）
- 使用矢量网络分析仪（如Keysight PNA）测量VSWR<2.0
- 暗室测试辐射效率>60%
- 多径环境测试：金属密集环境定位精度验证
- 功耗测试：休眠模式电流<1μA，激活模式平均电流<20mA
- FCC Part 15.517辐射限值：-41.3dBm/MHz
- 中国SRRC标准：等效全向辐射功率≤-35dBm/MHz
- 案例1：天线净空不足
现象：实测距离缩水30%
原因：天线下方第二层布设数字线路
解决方案：强制设定keepout区域
- 案例2：电源噪声干扰
现象：接收灵敏度下降8dB
排查：LDO输出端未使用π型滤波器
改进：增加10Ω电阻+100nF电容组合
- 采用AD9361+FPGA架构实现软件定义UWB
- 时域窗函数设计（如Kaiser窗抑制带外辐射）
- 双模设计：UWB+BLE（如Qorvo DWM3000方案）
- 动态频段选择：避开WiFi 5GHz频段干扰
通过理论分析与工程实践结合，可有效提升UWB系统性能，满足工业级应用需求（如-40℃~85℃工作温度范围）。建议使用Altium Designer的PDN分析工具进行电源完整性仿真，并结合HFSS进行3D电磁场建模优化。
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