?? 「天線」，是在無(wú)線通訊系統(tǒng)中用來(lái)傳送與接收電磁波能量的重要必備組件。由于目前技術(shù)尚無(wú)法將天線整合至半導(dǎo)體制程的芯片中，故在藍(lán)牙模塊里除了核心的系統(tǒng)芯片外，天線是另一具有影響藍(lán)牙模塊傳輸特性的關(guān)鍵性組件。在各種不同的藍(lán)牙應(yīng)用產(chǎn)品中，所使用的天線設(shè)計(jì)方法與制作材質(zhì)也不盡相同。選用適當(dāng)?shù)奶炀€除了有助于搭配產(chǎn)品的外型以及提升藍(lán)牙模塊的傳輸特性外，還可以更進(jìn)一步降低整個(gè)藍(lán)牙模塊的成本。這是提供給藍(lán)牙系統(tǒng)廠商在尋求低價(jià)格的系統(tǒng)芯片外，另一個(gè)可能降低模塊成本的考量方向。在本文中將介紹藍(lán)牙天線的設(shè)計(jì)考量、相關(guān)重要參數(shù)、藍(lán)牙天線的種類以及在產(chǎn)品上的應(yīng)用考量。

重要的天線參數(shù)
??? 天線最主要的功能在于轉(zhuǎn)換傳播介質(zhì)中(通常是空氣介質(zhì))輻射電磁波能量與收發(fā)機(jī)所送出或收到的能量。在能量轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)有收發(fā)機(jī)與天線及天線與傳 播介質(zhì)之間的不連續(xù)接口。在無(wú)線通訊系統(tǒng)中，天線必須依照這兩個(gè)接口的特性來(lái)做適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，以使得收發(fā)機(jī)、天線以及傳播介質(zhì)之間形成一個(gè)連續(xù)的能量傳輸路 徑，如此便可以順利的將發(fā)射機(jī)的能量藉由發(fā)射天線輻射到傳播介質(zhì)中，并藉由接收天線將輻射電磁波的能量傳送到接收機(jī)端。為了能夠說(shuō)明這兩個(gè)接口的各項(xiàng)特 性，圖1 列出了一些重要的參數(shù)，以下就這些參數(shù)的定義加以說(shuō)明：

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天線輸入阻抗(Input Impedance)
??? 天線的輸入阻抗是以收發(fā)機(jī)與天線間的接口往天線端看入所得到的阻抗值。為了讓天線與收發(fā)機(jī)電路間達(dá)到阻抗匹配(Impedance Matching)以降低因不匹配現(xiàn)象所造成的反射損失(Return Loss)，故天線的輸入阻抗必須與收發(fā)機(jī)電路的輸出阻抗互相匹配，如此一來(lái)才不至于使得大部份能量在天線與收發(fā)機(jī)之間就損耗掉。以一般的天線設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)， 通常輸入阻抗是無(wú)法做大范圍的改變。最普遍的設(shè)計(jì)方式是將天線的輸入阻抗設(shè)計(jì)在一般電路中所常使用的50 奧姆，如此便可以與收發(fā)機(jī)電路的輸出阻抗達(dá)到50 奧姆匹配。但是在特殊的收發(fā)機(jī)電路設(shè)計(jì)中，輸出阻抗不一定會(huì)是50 奧姆，此時(shí)便需在收發(fā)機(jī)電路與天線輸入端之間設(shè)計(jì)一個(gè)外加的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)來(lái)將天線的輸入阻抗值轉(zhuǎn)換到收發(fā)機(jī)的輸出阻抗值。
??? 用來(lái)表示阻抗匹配狀況的反射損耗，單位為dB。其數(shù)學(xué)表示式可以寫(xiě)成：
Return Loss(RL)=-20log|Γ |(dB)
??? 其中Γ 為天線輸入端與收發(fā)機(jī)輸出端之間的反射系數(shù)，亦可以天線輸入阻抗Za 與收發(fā)機(jī)輸出阻抗Zt 來(lái)表示之：
Γ=（Za-Zt)(Za+Zt)
由 以上兩式便可輕易得知RL、Za 與Zt 三者之間的關(guān)系。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)天線輸入端的RL 達(dá)到-10dB 時(shí)，表示由發(fā)射機(jī)所送入天線的能量將有10%會(huì)因?yàn)樘炀€與發(fā)射機(jī)之間的阻抗不匹配而造成能量損失；假設(shè)此時(shí)發(fā)射機(jī)的輸出阻抗Zt 為50 奧姆，則可得知天線的輸入阻抗Za 為96 奧姆，由此可驗(yàn)證天線與發(fā)射機(jī)之間的阻抗并不匹配。

操作頻率(Operating Frequency)與頻寬(Bandwidth, BW)
??? 天線的操作頻率需涵蓋整個(gè)系統(tǒng)所可能使用到的頻帶，而整個(gè)工作頻帶范圍內(nèi)的最高操作頻率fU 與最低操作頻率fL 間的差值即為天線的操作頻寬。通常，天線的頻寬大小都以百分比來(lái)表示：
BW=(fU-fL)/fC×100%
其中，fC 是中心操作頻率。以藍(lán)牙為例，其操作頻率范圍如表1 所示，故天線的最小操作頻寬需為83.5 MHz，也就是3.4%。
??? 在了解了天線操作頻寬的定義后，還需要知道如何決定天線的操作頻率范圍。一般最常使用的是電壓駐波比(VSWR)2:1 的標(biāo)準(zhǔn)，如此一來(lái)由一連串VSWR小于2.0 的頻率點(diǎn)所組成的頻率范圍即為天線的操作頻寬。通常用來(lái)決定操作頻寬的標(biāo)準(zhǔn)是隨著不同的通訊系統(tǒng)而會(huì)有所差異，例如VSWR 需小于1.5 的標(biāo)準(zhǔn)。但對(duì)藍(lán)牙來(lái)說(shuō)，VSWR 小于2.0 的條件已經(jīng)可以符合系統(tǒng)上的需求。

輻射場(chǎng)型(Radiation Pattern)
??? 輻射場(chǎng)型是用來(lái)描述由天線所輻射出的能量與空間中任意位置的相互關(guān)系，藉由輻射場(chǎng)型圖可以得知由天線所輻射出來(lái)的電磁波在空間中每一個(gè)位置的相對(duì)強(qiáng)度或絕 對(duì)強(qiáng)度。以最常見(jiàn)的偶極天線(Dipole Antenna)為例，圖2 為偶極天線在遠(yuǎn)場(chǎng)(Far-field)量測(cè)系統(tǒng)中的坐標(biāo)參數(shù)示意圖，其輻射場(chǎng)型圖是以圖3 之水平面(Azimuth)及垂直面(Elevation)兩個(gè)正交平面的二維場(chǎng)型圖來(lái)表示。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，所謂水平面的輻射場(chǎng)型圖即為由z 軸上往偶極天線看下去所得到的電磁波強(qiáng)度在x-y 平面上的分布圖；而垂直面的輻射場(chǎng)型圖則為由天線的側(cè)面(即x-y 平面上)往偶極天線看進(jìn)去所得到的電磁波強(qiáng)度在x-z 或y-z 平面上的分布圖。以偶極天線的水平面場(chǎng)型來(lái)看，電磁波強(qiáng)度在任意方向上都相等，這就是所謂的全向性(Omni-directional)輻射場(chǎng)型；但在垂 直面場(chǎng)型中，電磁波強(qiáng)度則是在θ 等于90 度的方向上有最大值，是屬于具有方向性(Directional)的輻射場(chǎng)型。故由天線的輻射場(chǎng)型可以決定天線的擺放位置以及得知天線的最佳發(fā)射與接收方 向等輻射特性。

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指向性(Directivity)與天線增益(Gain)
表1 全球主要地區(qū)的ISM 頻段配置
Region??????????????????????????? ?ISM Band(GHz)?????????? Available Channels
U.s.,Japan&Europe????? 2.4000～2.4835?????????????????? ?79
France???????????????????????????? 2.4000～2.4835??????????????????? 23
天線的指向性與其輻射場(chǎng)型有關(guān)，所以指向性也是方位角的函數(shù)，其定義如下：
D(θ,ψ)=【天線在(θ,ψ)方向上的輻射強(qiáng)度】/【全向性天線的輻射強(qiáng)度】
??? 由于全向性天線在任意方向上的輻射強(qiáng)度都相同，所以在上述指向性的定義中被當(dāng)作為參考的標(biāo)準(zhǔn)值，故指向性是以dBi 為單位。由以上的定義不難發(fā)現(xiàn)，指向性越高的方向其實(shí)就是天線輻射能量越集中的方向。但是在實(shí)際的應(yīng)用上，由于必須考慮天線本身的輻射效率 (Efficiency)問(wèn)題，故通常都以天線增益的大小來(lái)代替指向性，兩者之間的關(guān)系為：
G（θ,ψ）=eD(θ,ψ)
其中，天線的輻 射效率高低與電磁波輻射過(guò)程中所損失的能量多寡有關(guān)。圖4 說(shuō)明了利用天線來(lái)做能量傳送與接收的過(guò)程中所有可能會(huì)產(chǎn)生的能量損失，這些損失的能量包括了天線輸入端阻抗不匹配造成的能量反射、天線本身的材質(zhì)在高頻下 所產(chǎn)生的能量損耗以及在傳播介質(zhì)中所消耗的能量。通常天線增益都以最大值來(lái)表示，故可將天線增益簡(jiǎn)單的以G 來(lái)表示，其單位亦為dBi。

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藍(lán)牙天線在不同操作模式下的設(shè)計(jì)考量
??? 藍(lán)牙的傳輸模式是以一個(gè)微微網(wǎng)(Piconet)為基礎(chǔ)，一個(gè)微微網(wǎng)內(nèi)可以同時(shí)存在七個(gè)藍(lán)牙的從動(dòng)裝置(Slave)與一個(gè)主動(dòng)裝置(Master)，在 同一個(gè)微微網(wǎng)內(nèi)所有從動(dòng)裝置的跳頻序列(Frequency Hopping Sequence)必須與主動(dòng)裝置互相配合。如圖5 所示，在微微網(wǎng)的基礎(chǔ)下可以容許單點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)(Point to Point)、單點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)(Point to Multipoint)以及數(shù)個(gè)微微網(wǎng)互相鏈接的多種傳輸模式。在以上這些模式中，不論是微微網(wǎng)內(nèi)的主動(dòng)或是從動(dòng)裝置，因?yàn)槎夹枰c網(wǎng)內(nèi)隨時(shí)改變位置的從 動(dòng)或主動(dòng)裝置聯(lián)系，故這些裝置所使用的天線輻射場(chǎng)型必須是近似全向性的，若是使用指向性過(guò)高的天線來(lái)做傳送或接收，將會(huì)造成兩個(gè)藍(lán)牙裝置之間的訊號(hào)在某些 相對(duì)角度上無(wú)法正常傳送。圖6 是在室內(nèi)環(huán)境使用固定式的接取裝置(Access Point, AP)來(lái)與其它藍(lán)牙裝置進(jìn)行傳輸?shù)哪Ｊ?。由于接取裝置AP 已經(jīng)被固定在室內(nèi)的某些適當(dāng)位置以便對(duì)室內(nèi)的藍(lán)牙裝置做數(shù)據(jù)傳輸，所以使用在AP 裝置上的天線不一定需要全向性，反而是依安裝位置及傳輸范圍來(lái)設(shè)計(jì)在固定方向上具有高指向性的天線才能得到最好的傳輸效果。至于其它的藍(lán)牙裝置仍是以全向 性的天線最能符合其需求。

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藍(lán)牙天線的種類
??? 目前最常見(jiàn)的藍(lán)牙天線種類包括有偶極天線(Dipole Antenna)、PIFA(PlanarInverted F Antenna)天線以及微小型陶瓷天線(Ceramic Antenna)等。由于這些天線具有近似全向性的輻射場(chǎng)型以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作成本低的優(yōu)點(diǎn)，所以非常適合藍(lán)牙裝置的使用，以下便對(duì)這些天線做一介紹：

偶極天線
??? 偶極天線的外觀通常是圓柱狀或是薄片狀，其在天線底端有一轉(zhuǎn)接頭做為能量饋入的裝置，而與藍(lán)牙模塊之射頻前端電路所外接的轉(zhuǎn)接頭相互連接(如圖7所示)。 另外一種天線外接方式是使用可旋轉(zhuǎn)式轉(zhuǎn)接頭，這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于天線可以依照使用需求做任意角度的旋動(dòng)并藉以提高傳輸效果，但是其缺點(diǎn)在于可旋轉(zhuǎn)式接頭的 成本較高。

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??? 偶極天線的長(zhǎng)度與其操作頻率有關(guān)，一般常用的設(shè)計(jì)是使用半波長(zhǎng)或四分之一波長(zhǎng)來(lái)做為天線的長(zhǎng)度。另外，偶極天線亦可以應(yīng)用平面化的設(shè)計(jì)方式將藍(lán)牙天線設(shè)計(jì) 為可焊接在電路板上的SMD(Surface-Mounted Device)組件，或是直接在PCB 電路板上以簡(jiǎn)單的微帶線(Microstrip Line)結(jié)構(gòu)來(lái)設(shè)計(jì)天線(如圖8 所示)，如此可得到低成本的隱藏天線，并有助于產(chǎn)品外觀的多樣化設(shè)計(jì)。

PIFA 天線
??? PIFA 天線是以其側(cè)面結(jié)構(gòu)與倒反的英文字母F 外觀雷同而命名(如圖9 所示)。PIFA 天線的操作長(zhǎng)度只有四分之一操作波長(zhǎng)，而且在其結(jié)構(gòu)中已經(jīng)包含有接地金屬面，可以降低對(duì)模塊中接地金屬面的敏感度，所以非常適合用在藍(lán)牙模塊裝置中。另一 方面，由于PIFA 天線只需利用金屬導(dǎo)體配合適當(dāng)?shù)酿伻爰疤炀€短路到接地面的位置，故其制作成本低，而且可以直接與PCB 電路板焊接在一起。PIFA 天線的金屬導(dǎo)體可以使用線狀或是片狀，若以金屬片狀制作則可設(shè)計(jì)為SMD 組件來(lái)焊接在電路板上達(dá)到隱藏天線的目的。此時(shí)為了支撐金屬片不與接地金屬面產(chǎn)生短路，通常會(huì)在金屬片與接地面之間加入絕緣的介質(zhì)，如果使用介質(zhì)常數(shù) (Dielectric Constant)較高的絕緣材質(zhì)還可以縮小藍(lán)牙天線的尺寸。

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陶瓷天線
??? 陶瓷天線是另外一種適合于藍(lán)牙裝置所使用的小型化天線。陶瓷天線的種類可分為塊狀(Block)陶瓷天線與多層(Multilayer)陶瓷天線，前者是 使用高溫(攝氏1000 度以上)將整塊陶瓷體一次燒結(jié)完成后再將天線的金屬部份印在陶瓷塊的表面上；后者則采用低溫共燒(Low emperature Cofired)的方式將多層陶瓷迭壓對(duì)位后再以800~900 度的溫度燒結(jié)，所以天線的金屬導(dǎo)體可以依設(shè)計(jì)需要印在每一層陶瓷介質(zhì)層上，如此一來(lái)便可有效縮小天線所需尺寸，并能達(dá)到隱藏天線設(shè)計(jì)布局的目的(如圖10 所示)。

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??? 由于陶瓷本身的介質(zhì)常數(shù)較PCB 電路板高，所以使用陶瓷當(dāng)天線介質(zhì)能有效縮小天線尺寸；在介質(zhì)損耗(Dielectric Loss)方面，陶瓷介質(zhì)也比PCB 電路板的介質(zhì)損耗更小，所以非常適合用在低耗電率的藍(lán)牙模塊使用。除此之外，當(dāng)藍(lán)牙模塊必須利用LTCC 的技術(shù)來(lái)將模塊體積降到最小時(shí)，LTCC 藍(lán)牙天線可以輕易的與藍(lán)牙模塊整合在LTCC 的多層陶瓷介質(zhì)中(如圖11 所示)，將是小型化藍(lán)牙模塊的最佳選擇。

藍(lán)牙天線在產(chǎn)品應(yīng)用上的考量
???? 對(duì)手持式藍(lán)牙裝置的使用者來(lái)說(shuō)，能夠不用考慮使用位置或使用方向的問(wèn)題而都能夠順利的利用藍(lán)牙來(lái)做短距離的傳輸才是使用藍(lán)牙的最終目的之一，而適當(dāng)?shù)乃{(lán)牙 天線設(shè)計(jì)將會(huì)有助于達(dá)到這樣的傳輸品質(zhì)。在輻射場(chǎng)型方面，手持式藍(lán)牙產(chǎn)品的天線應(yīng)該是全向性的而可以與來(lái)自四面八方的其它藍(lán)牙產(chǎn)品互相聯(lián)系；在天線增益方 面，由于藍(lán)牙使用的ISM 頻段其操作波長(zhǎng)短，對(duì)于傳輸介質(zhì)或傳輸路徑中的障礙物或?qū)w所造成的能量損耗相對(duì)提高。故雖然藍(lán)牙產(chǎn)品標(biāo)榜為短距離傳輸裝置，但仍應(yīng)考量在室內(nèi)環(huán)境中使用 會(huì)有家具、房間墻壁甚至人體等的電磁波障礙物存在，所以藍(lán)牙天線的增益也不能夠太?。煌瑯拥?，在AP 裝置上的藍(lán)牙天線由于需要涵蓋較大的區(qū)域，所以其天線增益勢(shì)必要比手持式產(chǎn)品高出許多。另外在輻射場(chǎng)型方面也必須考慮到AP 的裝設(shè)位置與欲涵蓋的范圍來(lái)決定設(shè)計(jì)合適的指向性天線。除了以上所探討的設(shè)計(jì)需求外，對(duì)于各種不同的藍(lán)牙產(chǎn)品而言，藍(lán)牙天線還是得要符合低成本的首要條 件。
????再?gòu)漠a(chǎn)品應(yīng)用的角度來(lái)看，由于天線對(duì)于周邊接地金屬面(Ground Plane)十分敏感，像是電路板上的接地面或是電路板上防止靜電用的屏蔽金屬片都會(huì)嚴(yán)重影響到天線的輻射特性。以筆記型計(jì)算機(jī)為例，目前裝置藍(lán)牙模塊的方式有兩種：
如 圖7 與圖8 以PCMCIA 卡外接方式而言，由于筆記型計(jì)算機(jī)內(nèi)的主機(jī)板上覆蓋有屏蔽金屬殼以及接地金屬面，故PCMCIA 卡的末端(圖7 中的黑色部份)必須突出筆記型計(jì)算機(jī)之外，而藍(lán)牙天線則以內(nèi)建隱藏的方式(如圖8 所示)設(shè)計(jì)在內(nèi)部電路板上或以轉(zhuǎn)接頭外接天線的方式(如圖7 所示)固定在PCMCIA 卡上；另外，藍(lán)牙天線在筆記型計(jì)算機(jī)上也將因?yàn)閿[放的位置不同而有特性上的差異。一般來(lái)說(shuō)，將藍(lán)牙天線置放于LCD 屏幕周圍的操作頻寬與天線增益會(huì)比安裝在鍵盤(pán)周圍來(lái)得大。
??? 由以上藍(lán)牙天線在產(chǎn)品應(yīng)用上的考量可以發(fā)現(xiàn)，如果要確保藍(lán)牙天線的良好操作特性以更進(jìn)一步提升藍(lán)牙產(chǎn)品的傳輸品質(zhì)，就必須在設(shè)計(jì)藍(lán)牙模塊一開(kāi)始便將藍(lán)牙天 線的設(shè)計(jì)架構(gòu)以及產(chǎn)品應(yīng)用環(huán)境一并考慮，如此便可在設(shè)計(jì)初期就把天線與周邊環(huán)境相互影響的問(wèn)題解決并可提升后段產(chǎn)品應(yīng)用的可靠度。