蓝牙天线的种类

蓝牙天线的种类

•1）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，而和蓝牙模块之射频前端电路所外接的转接头相互连接。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。偶天线的长度和其操作频率有关，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。

2）PIFA天线

PIFA天线是以其侧面结构和倒反的英文字母F外观雷同而命名。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，而且可以直接和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。时为了支撑金属片不和接地金属面产生短路，通常会在金属片和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。

3）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)陶瓷天线和多层陶瓷天线，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。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和蓝牙模块整合在LTCC的多层陶瓷介质中，将是小型化蓝牙模块的最佳选择。

蓝牙天线的参数

•1）天线输入阻抗(Input Impedance)

天线的输入阻抗是以收发机和天线间的接口往天线端看入所得到的阻抗值。为了让天线和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和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和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，如此便可以和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和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。

2）操作频率(Operating Frequency)和频宽(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和最低操作频率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[%]

3）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和空间中任意位置的相互关系，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和接收方向等辐射特性。

蓝牙天线的选用

•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和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的装设位置和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：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和天线增益会比安装在键盘周围来得大。

蓝牙天线的传输模式

•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)和一个主动装置(Master)，在同一个微微网内所有从动装置的跳频序列(Frequency Hopping Sequence)必须和主动装置互相配合。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(PointtoMultipoint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，因为都需要和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是在室内环境用固定式的接取装置(Access Point, AP)来和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。