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蓝牙天线技术分析与应用介绍
作者：
方士庭
摘自：台湾《新通讯》
2001 11月号 第9期
蓝牙可以是一种低成本、低功率以及短距离无线通讯的技术，可以广泛的应用在任何个人行动通讯设备上。而随着1999年1.0版蓝牙规范的正式制订，一场短距离无线通讯网路的革命似乎已经展开，而由
蓝牙概念所发展出来的无线个人局域网络(Personal
Area Network, PAN)也正式成立。
到目前为止，由于市面上所推出的蓝牙相关产品尚未完全普及，「蓝牙」这个让人耳熟能详的名词在产品应用上还是给人有「犹抱琵琶半遮面」的感觉。探究其产品尚未全面化推出的原因除了
蓝牙规范尚未完全底定外(2.0版正在发展中)；另一重要的因素则是整个蓝牙模块的价格仍然居高不下，使得蓝牙产品的售价偏高，以Ericsson所推出的蓝牙耳机为例，其预估的售价便高达200美元左右。于是，降低模块的价格便成了
蓝牙芯片提供厂商与外围组件制造厂商致力发展的方向。
「天线」，是在无线通讯系统中用来传送与接收电磁波能量的重要必备组件。由于目前技术尚无法将天线整合至半导体制程的芯片中，故在蓝牙模块里除了核心的系统芯片外，天线是另一具有影响
蓝牙模块传输特性的关键性组件。在各种不同的蓝牙应用产品中，所使用的天线设计方法与制作材质也不尽相同。选用适当的天线除了有助于搭配产品的外型以及提升蓝牙模块的传输特性外，还可以更进一步降低整个
蓝牙模块的成本。这是提供给蓝牙系统厂商在寻求低价格的系统芯片外，另一个可能降低模块成本的考量方向。在本文中将介绍蓝牙天线的设计考量、相关重要参数、蓝牙天线的种类以及在产品上的应用考量。
重要的天线参数
天线最主要的功能在于转换传播介质中(通常是空气介质)辐射电磁波能量与收发机所送出或收到的能量。在能量转换的过程中，会出现有收发机与天线及天线与传播介质之间的不连续接口。在无线通讯系统中，天线必须依照这两个接口的特性来做适当的设计，以使得收发机、天线以及传播介质之间形成一个连续的能量传输路径，如此便可以顺利的将发射机的能量藉由发射天线辐射到传播介质中，并藉由接收天线将辐射电磁波的能量传送到接收机端。为了能够说明这两个接口的各项特性，图1列出了一些重要的参数，以下就这些参数的定义加以说明：
天线输入阻抗(Input Impedance)
天线的输入阻抗是以收发机与天线间的接口往天线端看入所得到的阻抗值。为了让天线与收发机电路间达到阻抗匹配(Impedance
Matching)以降低因不匹配现象所造成的反射损失(Return
Loss)，故天线的输入阻抗必须与收发机电路的输出阻抗互相匹配，如此一来才不至于使得大部份能量在天线与收发机之间就损耗掉。以一般的天线设计来说，通常输入阻抗是无法做大范围的改变。最普遍的设计方式是将天线的输入阻抗设计在一般电路中所常使用的50奥姆，如此便可以与收发机电路的输出阻抗达到50奥姆匹配。但是在特殊的收发机电路设计中，输出阻抗不一定会是50奥姆，此时便需在收发机电路与天线输入端之间设计一个外加的阻抗匹配网络来将天线的输入阻抗值转换到收发机的输出阻抗值。
用来表示阻抗匹配状况的反射损耗，单位为dB。其数学表示式可以写成：
Return Loss(RL)=-20log|r|(dB)
其中Γ为天线输入端与收发机输出端之间的反射系数，亦可以天线输入阻抗Za与收发机输出阻抗Zt来表示之：
Γ=（Za-Zt)(Za+Zt)
由以上两式便可轻易得知RL、Za与Zt三者之间的关系。举例来说，当天线输入端的RL达到-10dB时，表示由发射机所送入天线的能量将有10%会因为天线与发射机之间的阻抗不匹配而造成能量损失；假设此时发射机的输出阻抗Zt为50奥姆，则可得知天线的输入阻抗Za为96奥姆，由此可验证天线与发射机之间的阻抗并不匹配。
操作频率(Operating Frequency)与频宽(Bandwidth, BW)
天线的操作频率需涵盖整个系统所可能使用到的频带，而整个工作频带范围内的最高操作频率fU与最低操作频率fL间的差值即为天线的操作频宽。通常，天线的频宽大小都以百分比来表示：
BW=(fU-fL)/fC×100%
其中，fC是中心操作频率。以蓝牙为例，其操作频率范围如表1所示，故天线的最小操作频宽需为83.5 MHz，也就是3.4%。
在了解了天线操作频宽的定义后，还需要知道如何决定天线的操作频率范围。一般最常使用的是电压驻波比(VSWR)2:1的标准，如此一来由一连串VSWR小于2.0的频率点所组成的频率范围即为天线的操作频宽。通常用来决定操作频宽的标准是随着不同的通讯系统而会有所差异，例如VSWR需小于1.5的标准。但对
蓝牙来说，VSWR小于2.0的条件已经可以符合系统上的需求。
辐射场型(Radiation Pattern)
 辐射场型是用来描述由天线所辐射出的能量与空间中任意位置的相互关系，藉由辐射场型图可以得知由天线所辐射出来的电磁波在空间中每一个位置的相对强度或绝对强度。以最常见的偶极天线(Dipole
Antenna)为例，图2为偶极天线在远场(Far-field)量测系统中的坐标参数示意图，其辐射场型图是以图3之水平面(Azimuth)及垂直面(Elevation)两个正交平面的二维场型图来表示。简单来说，所谓水平面的辐射场型图即为由z轴上往偶极天线看下去所得到的电磁波强度在x-y平面上的分布图；而垂直面的辐射场型图则为由天线的侧面(即x-y平面上)往偶极天线看进去所得到的电磁波强度在x-z或y-z平 面上的分布图。以偶极天线的水平面场型来看，电磁波强度在任意方向上都相等，这就是所谓的全向性(Omni-directional)辐射场型；但在垂直面场型中，电磁波强度则是在θ等于90度的方向上有最大值，是属于具有方向性(Directional)的辐射场型。故由天线的辐射场型可以决定天线的摆放位置以及得知天线的最佳发射与接收方向等辐射特性。
指向性(Directivity)与天线增益(Gain)
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表1 全球主要地区的ISM频段配置 |
| Region |
ISM Band(GHz) |
Available Channels |
| U.s.,Japan&Europe |
2.4000～2.4835 |
79 |
| France |
2.4000～2.4835 |
23 |
天线的指向性与其辐射场型有关，所以指向性也是方位角的函数，其定义如下：
D(θ,ψ)=【天线在(θ,ψ)方向上的辐射强度】/【全向性天线的辐射强度】
由于全向性天线在任意方向上的辐射强度都相同，所以在上述指向性的定义中被当作为参考的标准值，故指向性是以dBi为单位。由以上的定义不难发现，指向性越高的方向其实就是天线辐射能量越集中的方向。但是在实际的应用上，由于必须考虑天线本身的辐射效率(Efficiency)问题，故通常都以天线增益的大小来代替指向性，两者之间的关系为：
G（θ,ψ）=eD(θ,ψ)
其中，天线的辐射效率高低与电磁波辐射过程中所损失的能量多寡有关。图4说明了利用天线来做能量传送与接收的过程中所有可能会产生的能量损失，这些损失的能量包括了天线输入端阻抗不匹配造成的能量反射、天线本身的材质在高频下所产生的能量损耗以及在传播介质中所消耗的能量。通常天线增益都以最大值来表示，故可将天线增益简单的以G来表示，其单位亦为dBi。
蓝牙天线在不同操作模式下的设计考量
蓝牙的传输模式是以一个微微网(Piconet)为基础，一个微微网内可以同时存在七个蓝牙的从动装置(Slave)与一个主动装置(Master)，在同一个微微网内所有从动装置的跳频序列(Frequency
Hopping Sequence)必须与主动装置互相配合。如图5所示，在微微网的基础下可以容许单点对单点(Point to Point)、单点对多点(Point
to
Multipoint)以及数个微微网互相链接的多种传输模式。在以上这些模式中，不论是微微网内的主动或是从动装置，因为都需要与网内随时改变位置的从动或主动装置联系，故这些装置所使用的天线辐射场型必须是近似全向性的，若是使用指向性过高的天线来做传送或接收，将会造成两个
蓝牙装置之间的讯号在某些相对角度上无法正常传送。图6是在室内环境使用固定式的接取装置(Access
Point,
AP)来与其它蓝牙装置进行传输的模式。由于接取装置AP已经被固定在室内的某些适当位置以便对室内的蓝牙装置做数据传输，所以使用在AP装置上的天线不一定需要全向性，反而是依安装位置及传输范围来设计在固定方向上具有高指向性的天线才能得到最好的传输效果。至于其它的
蓝牙装置仍是以全向性的天线最能符合其需求。
蓝牙天线的种类
目前最常见的蓝牙天线种类包括有偶极天线(Dipole Antenna)、PIFA(Planar Inverted F
Antenna)天线以及微小型陶瓷天线(Ceramic
Antenna)等。由于这些天线具有近似全向性的辐射场型以及结构简单、制作成本低的优点，所以非常适合蓝牙装置的使用，以下便对这些天线做一介绍：
偶极天线
 偶极天线的外观通常是圆柱状或是薄片状，其在天线底端有一转接头做为能量馈入的装置，而与蓝牙模块之射频前端电路所外接的转接头相互连接(如图7所示)。另外一种天线外接方式是使用可旋转式转接头，这种方式的优点在于天线可以依照使用需求做任意角度的旋动并藉以提高传输效果，但是其缺点在于可旋转式接头的成本较高。
偶极天线的长度与其操作频率有关，一般常用的设计是使用半波长或四分之一波长来做为天线的长度。另外，偶极天线亦可以应用平面化的设计方式将蓝牙天线设计为可焊接在电路板上的SMD(Surface-Mounted
Device)组件，或是直接在PCB电路板上以简单的微带线(Microstrip
Line)结构来设计天线(如图8所示)，如此可得到低成本的隐藏天线，并有助于产品外观的多样化设计。
PIFA天线
PIFA天线是以其侧面结构与倒反的英文字母F外观雷同而命名(如图9所示)。PIFA天线的操作长度只有四分之一操作波长，而且在其结构中已经包含有接地金属面，可以降低对模块中接地金属面的敏感度，所以非常适合用在
蓝牙模块装置中。另一方面，由于PIFA天线只需利用金属导体配合适当的馈入及天线短路到接地面的位置，故其制作成本低，而且可以直接与PCB电路板焊接在一起。
PIFA天线的金属导体可以使用线状或是片状，若以金属片状制作则可设计为SMD组件来焊接在电路板上达到隐藏天线的目的。此时为了支撑金属片不与接地金属面产生短路，通常会在金属片与接地面之间加入绝缘的介质，如果使用介质常数(Dielectric
Constant)较高的绝缘材质还可以缩小蓝牙天线的尺寸。
陶瓷天线
陶瓷天线是另外一种适合于蓝牙装置所使用的小型化天线。陶瓷天线的种类可分为块状(Block)陶瓷天线与多层(Multilayer)陶瓷天线，前者是使用高温(摄氏1000度以上)将整块陶瓷体一次烧结完成后再将天线的金属部份印在陶瓷块的表面上；后者则采用低温共烧(Low
Temperature Cofired)的方式将多层陶瓷迭压对位后再以800~900度的温度烧结，所以天线的金属导体可以依设计需要印在每一层陶瓷介质层上，如此一来便可有效缩小天线所需尺寸，并能达到隐藏天线设计布局的目的(如图10所示)。
由于陶瓷本身的介质常数较PCB电路板高，所以使用陶瓷当天线介质能有效缩小天线尺寸；在介质损耗(Dielectric
Loss)方面，陶瓷介质也比PCB电路板的介质损耗更小，所以非常适合用在低耗电率的蓝牙模块使用。除此之外，当蓝牙模块必须利用LTCC的技术来将模块体积降到最小时，LTCC蓝牙天线可以轻易的与
蓝牙模块整合在LTCC的多层陶瓷介质中(如图11所示)，将是小型化蓝牙模块的最佳选择。
蓝牙天线在产品应用上的考量
对手持式蓝牙装置的使用者来说，能够不用考虑使用位置或使用方向的问题而都能够顺利的利用蓝牙来做短距离的传输才是使用蓝牙的最终目的之一，而适当的蓝牙天线设计将会有助于达到这样的传输品质。在辐射场型方面，手持式
蓝牙产品的天线应该是全向性的而可以与来自四面八方的其它蓝牙产品互相联系；在天线增益方面，由于蓝牙使用的ISM频段其操作波长短，对于传输介质或传输路径中的障碍物或导体所造成的能量损耗相对提高。故虽然
蓝牙产品标榜为短距离传输装置，但仍应考量在室内环境中使用会有家具、房间墙壁甚至人体等的电磁波障碍物存在，所以蓝牙天线的增益也不能够太小；同样地，在AP装置上的
蓝牙天线由于需要涵盖较大的区域，所以其天线增益势必要比手持式产品高出许多。另外在辐射场型方面也必须考虑到AP的装设位置与欲涵盖的范围来决定设计合适的指向性天线。除了以上所探讨的设计需求外，对于各种不同的
蓝牙产品而言，蓝牙天线还是得要符合低成本的首要条件。
再从产品应用的角度来看，由于天线对于周边接地金属面(Ground
Plane)十分敏感，像是电路板上的接地面或是电路板上防止静电用的屏蔽金属片都会严重影响到天线的辐射特性。以笔记型计算机为例，目前装置蓝牙模块的方式有两种：如图7与图8以PCMCIA卡外接方式而言，由于笔记型计算机内的主机板上覆盖有屏蔽金属壳以及接地金属面，故PCMCIA卡的末端(图7中的黑色部份)必须突出笔记型计算机之外，而
蓝牙天线则以内建隐藏的方式(如图8所示)设计在内部电路板上或以转接头外接天线的方式(如图7所示)固定在PCMCIA卡上；另外，蓝牙天线在笔记型计算机上也将因为摆放的位置不同而有特性上的差异。一般来说，将
蓝牙天线置放于LCD屏幕周围的操作频宽与天线增益会比安装在键盘周围来得大。
由以上蓝牙天线在产品应用上的考量可以发现，如果要确保蓝牙天线的良好操作特性以更进一步提升蓝牙产品的传输品质，就必须在设计蓝牙模块一开始便将蓝牙天线的设计架构以及产品应用环境一并考虑，如此便可在设计初期就把天线与周边环境相互影响的问题解决并可提升后段产品应用的可靠度。 |