藍(lán)牙天線技術(shù)分析與應(yīng)用介紹

1、藍(lán)牙天線技術(shù)分析與應(yīng)用介紹藍(lán)牙可以是一種低成本、低功率以及短距離無線通訊的技術(shù)，可以廣泛的應(yīng)用在任何個人行動通訊設(shè)備上。而隨著1999年1.0版藍(lán)牙規(guī)范的正式制訂，一場短距離無線通訊網(wǎng)路的革命似乎已經(jīng)展開，而由藍(lán)牙概念所發(fā)展出來的無線個人局域網(wǎng)絡(luò)(Personal Area Network, PAN)也正式成立。 到目前為止，由于市面上所推出的藍(lán)牙相關(guān)產(chǎn)品尚未完全普及，藍(lán)牙這個讓人耳熟能詳?shù)拿~在產(chǎn)品應(yīng)用上還是給人有猶抱琵琶半遮面的感覺。探究其產(chǎn)品尚未全面化推出的原因除了藍(lán)牙規(guī)范尚未完全底定外(2.0版正在發(fā)展中)；另一重要的因素則是整個藍(lán)牙模塊的價格仍然居高不下，使得藍(lán)牙產(chǎn)品的售價偏高，以E

2、riCsson所推出的藍(lán)牙耳機為例，其預(yù)估的售價便高達(dá)200美元左右。于是，降低模塊的價格便成了藍(lán)牙芯片提供廠商與外圍組件制造廠商致力發(fā)展的方向。 天線，是在無線通訊系統(tǒng)中用來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)牙模塊傳輸特性的要害性組件。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)廠商在尋求低價格的系統(tǒng)芯片外，另一個可能降低模塊成本的考量方

3、向。在本文中將介紹藍(lán)牙天線的設(shè)計考量、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)機所送出或收到的能量。在能量轉(zhuǎn)換的過程中，會出現(xiàn)有收發(fā)機與天線及天線與傳播介質(zhì)之間的不連續(xù)接口。在無線通訊系統(tǒng)中，天線必須依照這兩個接口的特性來做適當(dāng)?shù)脑O(shè)計，以使得收發(fā)機、天線以及傳播介質(zhì)之間形成一個連續(xù)的能量傳輸路徑，如此便可以順利的將發(fā)射機的能量藉由發(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端。為了能夠說明這兩個接口的各項特性，圖1列出了一些重要的參數(shù)，以下就這些參數(shù)的定義加以說明：

4、天線輸入阻抗(Input Impedance) 天線的輸入阻抗是以收發(fā)機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)機電路的輸出阻抗互相匹配，如此一來才不至于使得大部份能量在天線與收發(fā)機之間就損耗掉。以一般的天線設(shè)計來說，通常輸入阻抗是無法做大范圍的改變。最普遍的設(shè)計方式是將天線的輸入阻抗設(shè)計在一般電路中所常使用的50奧姆，如此便可以與收發(fā)機電路的輸出阻抗達(dá)到50奧姆匹配。但是在非凡的收發(fā)機電路設(shè)計中，輸出阻抗不一定會是50奧姆，此時

5、便需在收發(fā)機電路與天線輸入端之間設(shè)計一個外加的阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)來將天線的輸入阻抗值轉(zhuǎn)換到收發(fā)機的輸出阻抗值。 用來表示阻抗匹配狀況的反射損耗，單位為dB。其數(shù)學(xué)表示式可以寫成： Return Loss(RL)=-20logr(dB) 其中為天線輸入端與收發(fā)機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)機輸出阻抗Zt來表示之： =（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。舉例來說，當(dāng)天線輸入端的RL達(dá)到-10dB時，表示由發(fā)射機所送入天線的能量將有10%會因為天線與發(fā)射機之間的阻抗不匹配而造成能量損失；假設(shè)此時發(fā)射機的輸出阻抗Zt為50奧姆，則可得知天

6、線的輸入阻抗Za為96奧姆，由此可驗證天線與發(fā)射機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系統(tǒng)所可能使用到的頻帶，而整個工作頻帶范圍內(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(

7、VSWR)2:1的標(biāo)準(zhǔn)，如此一來由一連串VSWR小于2.0的頻率點所組成的頻率范圍即為天線的操作頻寬。通常用來決定操作頻寬的標(biāo)準(zhǔn)是隨著不同的通訊系統(tǒng)而會有所差異，例如VSWR需小于1.5的標(biāo)準(zhǔn)。但對藍(lán)牙來說，VSWR小于2.0的條件已經(jīng)可以符合系統(tǒng)上的需求。 輻射場型(Radiation Pattern) 輻射場型是用來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，藉由輻射場型圖可以得知由天線所輻射出來的電磁波在空間中每一個位置的相對強度或絕對強度。以最常見的偶極天線(Dipole Antenna)為例，圖2為偶極天線在遠(yuǎn)場(Far-field)量測系統(tǒng)中的坐標(biāo)參數(shù)示意圖，其輻射場型圖是

8、以圖3之水平面(Azimuth)及垂直面(Elevation)兩個正交平面的二維場型圖來表示。簡單來說，所謂水平面的輻射場型圖即為由z軸上往偶極天線看下去所得到的電磁波強度在x-y平面上的分布圖；而垂直面的輻射場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度在x-z或y-z平面上的分布圖。以偶極天線的水平面場型來看，電磁波強度在任意方向上都相等，這就是所謂的全向性(Omni-directional)輻射場型；但在垂直面場型中，電磁波強度則是在等于90度的方向上有最大值，是屬于具有方向性(Directional)的輻射場型。故由天線的輻射場型可以決定天線的擺放位置以及得

9、知天線的最佳發(fā)射與接收方向等輻射特性。 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 2.40002.4835 79 France 2.40002.4835 23 天線的指向性與其輻射場型有關(guān)，所以指向性也是方位角的函數(shù)，其定義如下： D(,)=【天線在(,)方向上的輻射強度】/【全向性天線的輻射強度】 由于全向性天線在任意方向上的輻射強度都相同，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

10、義不難發(fā)現(xiàn)，指向性越高的方向其實就是天線輻射能量越集中的方向。但是在實際的應(yīng)用上，由于必須考慮天線本身的輻射效率(Efficiency)問題，故通常都以天線增益的大小來代替指向性，兩者之間的關(guān)系為： G（,）=eD(,) 其中，天線的輻射效率高低與電磁波輻射過程中所損失的能量多寡有關(guān)。圖4說明了利用天線來做能量傳送與接收的過程中所有可能會產(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表示，故可將天線增益簡單的以G來表示，其單位亦為dBi。 藍(lán)牙天線在不同操作模式下的設(shè)計考量 藍(lán)

11、牙的傳輸模式是以一個微微網(wǎng)(Piconet)為基礎(chǔ)，一個微微網(wǎng)內(nèi)可以同時存在七個藍(lán)牙的從動裝置(Slave)與一個主動裝置(Master)，在同一個微微網(wǎng)內(nèi)所有從動裝置的跳頻序列(Frequency Hopping Sequence)必須與主動裝置互相配合。如圖5所示，在微微網(wǎng)的基礎(chǔ)下可以容許單點對單點(Point to Point)、單點對多點(Point to Multipoint)以及數(shù)個微微網(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)的主動或是從動裝置，因為都需要與網(wǎng)內(nèi)隨時改變位置的從動或主動裝置聯(lián)系，故這些裝置所使用的天線輻射場型必須是近似全向性的，若是使用指向性過高的

12、天線來做傳送或接收，將會造成兩個藍(lán)牙裝置之間的訊號在某些相對角度上無法正常傳送。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設(shè)計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。 藍(lán)牙天線的種類 目前最常見的藍(lán)牙天線種類包括有偶極天線(Dipole Antenna)、PIFA(Planar Inverted F Antenna)天線

13、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型以及結(jié)構(gòu)簡單、制作成本低的優(yōu)點，所以非常適合藍(lán)牙裝置的使用，以下便對這些天線做一介紹： 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)點在于天線可以依照使用需求做任意角度的旋動并藉以提高傳輸效果，但是其缺點在于可旋轉(zhuǎn)式接頭的成本較高。 偶極天線的長度與其操作頻率有關(guān)，一般常用的設(shè)計是使用半波長或四分之一波長來做為天線的長度。另外，偶極天線亦可以

14、應(yīng)用平面化的設(shè)計方式將藍(lán)牙天線設(shè)計為可焊接在電路板上的SMD(Surface-Mounted Device)組件，或是直接在PCB電路板上以簡單的微帶線(Microstrip Line)結(jié)構(gòu)來設(shè)計天線(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。 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天線的操作長度只有四分之一操作波長，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

15、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)計為SMD組件來焊接在電路板上達(dá)到隱藏天線的目的。此時為了支撐金屬片不與接地金屬面產(chǎn)生短路，通常會在金屬片與接地面之間加入絕緣的介質(zhì)，假如使用介質(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。 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

16、者則采用低溫共燒(Low Temperature Cofired)的方式將多層陶瓷迭壓對位后再以800900度的溫度燒結(jié)，所以天線的金屬導(dǎo)體可以依設(shè)計需要印在每一層陶瓷介質(zhì)層上，如此一來便可有效縮小天線所需尺寸，并能達(dá)到隱藏天線設(shè)計布局的目的(如圖10所示)。 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)來將模塊體積降到最小時，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

17、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 對手持式藍(lán)牙裝置的使用者來說，能夠不用考慮使用位置或使用方向的問題而都能夠順利的利用藍(lán)牙來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)計將會有助于達(dá)到這樣的傳輸品質(zhì)。在輻射場型方面，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頻段其操作波長短，對于傳輸介質(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

18、的增益也不能夠太??；同樣地，在AP裝置上的藍(lán)牙天線由于需要涵蓋較大的區(qū)域，所以其天線增益勢必要比手持式產(chǎn)品高出許多。另外在輻射場型方面也必須考慮到AP的裝設(shè)位置與欲涵蓋的范圍來決定設(shè)計合適的指向性天線。除了以上所探討的設(shè)計需求外，對于各種不同的藍(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。 再從產(chǎn)品應(yīng)用的角度來看，由于天線對于周邊接地金屬面(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嚴(yán)重影響到天線的輻射特性。以筆記型計算機為例，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，由于筆記型計算機內(nèi)的主機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)必須突出筆記型計算機之外，而藍(lán)牙天線則