蓝牙天线技术分析与应用介绍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 宽的定义后， 还需要 操作频 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)表 1 全球主要地区的 ISM 频段配置 Region U.s.,Japan&Europe France ISM Band(GHz) 2.4000～2.4835 2.4000～2.4835 Available Channels 79 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)。