蓝牙天线技术分析与应用介绍

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