蓝牙天线的种类

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蓝牙天线的种类
2 r9 J. Y& @# {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
2 J- t1 Q& {* o7 W' _; J1 n+ e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
7 o3 m" L$ Q# e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。
: l; i! S7 v& K8 g2 ） PIFA 天线
# }: d& x! r. [$ ^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
6 s* ~) Q$ v, X9 u4 A$ K/ b8 ~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
# |3 ]3 |3 |4 i4 `% ^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
' N4 S6 v2 F2 ~2 q" z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。
7 A( x7 @: @* D. f! W3 ）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
! z8 M. p' ~% ]" P2 Q; q1 R! e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
1 O4 v6 ~) d8 g3 T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
* Q" |/ k9 W2 y# s& {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
7 Z. s( L5 ]* U, L) i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)
" g7 O/ ^/ P: G: P- t

& L/ M+ Q3 s" C
9 x9 Y( D! \3 I& z  B- M; Y/ |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
9 d, P1 n/ q) J2 y! j& M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
0 R5 b* c4 i0 D( u9 H* ?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)
5 g$ s. E* q1 v$ y# O; x# C" Y7 N' B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
) n9 k3 B! Z+ o, k百分比来表示： BW=(fU-fL)/fC × 100[%]
3 ）辐射场型 (Radiation Pattern)
! D: e3 u  H' G& Z  V  o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
7 ^) U3 p, v. I1 V7 [& x/ J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
" C( x# @; f. O# i9 e& c& M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
/ `0 W8 Q4 |/ [2 P5 K- M; f(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
/ }3 p& L# E& X  T# S5 @* H( i6 h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。
0 e2 |: Q! I7 s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
# G' y. j$ T( t' v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
2 e( W. I; E2 _# s% ?9 `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
" t! F1 g4 i* ?% J$ M7 K


4 K- ?) G* G; ?7 i; |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
$ P7 |% _$ u0 R5 B/ |( N! P% Y. d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
: _; A! W0 _1 D# P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
" a6 Q) K7 _5 c# m9 M7 G$ T+ \$ [8 j3 L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
+ b9 ?9 f( k  k* y跳频序列 (Frequency Hopping Sequence) 必须和主动装置互相配合。如图 5 所示，在
. P' M+ o2 s# j9 d0 U1 J7 l! `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
& N- T4 k( C2 x1 Z& W7 i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
4 Y- G9 M, s4 L! H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
! F8 V- T1 @  l# k  L( x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
  p! G. R) k" b! U6 p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。

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! U! ?: d  E+ d! l, w) E
蓝牙天线的种类 ,参数及设计
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
$ L; u- a& e* w4 O8 }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
, j; i5 ]& y8 J, P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
# s" U( n% r) Z3 A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
* b. e. B6 s/ _3 t* |- ^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
6 z5 A9 n5 c/ X' z1 r2 ~: I- r: d; e/ t$ L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



. K# m- Y+ t- E+ X5 A+ T9 `. {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)
5 O' j3 `- ^! _, j0 G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
& C. \4 T4 |! [8 @! J  H- X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
; Q+ |+ K& ]6 z, a, u- S0 Q: W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
% `5 `% L' ?6 l3 v5 h: N抗值。
, Y( Q& z' c8 H' D+ f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
' `8 R, L4 p/ u$ J6 T$ F/ a写成：
Return Loss(RL)=- 20log| Γ |(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
! p+ Z) i3 I9 j; N9 Q5 w* ~6 p
, M$ I! V( K" T0 o3 c, ?

输入阻抗 Za 与收发机输出阻抗 Zt 来表示之：
4 L8 s' Y) |! T9 XΓ=（Za-Zt)(Za+Zt)
: \. X2 W8 j! \: V) Z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，
8 b/ j0 s, M/ S4 u* E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
+ j" s. Z2 w" z( q3 k- C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
1 g% p+ R5 X- u5 L( m0 F96 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)
! Z+ w. g* i/ }' B# G% M/ `# m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：
! c% b6 ~6 \# Z% q% kBW=(fU-fL)/fC ×100%
5 x/ w3 A; u: l6 v' A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%。
在了解了天线操作频宽的定义后， 还需要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
) ?) b8 l0 g4 b: a! V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。
  q4 a: C" V: U8 m1 s8 i辐射场型 (Radiation Pattern)
2 i) i+ B" F' j& ?5 J, g' H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
1 Z! s. _5 x$ O' y0 c& e! s1 N
/ H5 ]# E; f4 F2 v- r7 H
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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
! B: L* J8 {$ ^# g/ g+ O; J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
1 V" H, M, |' I0 r/ p6 c7 D& b/ YAntenna)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)
' }% f) `. m; e9 `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
% v" _' @/ h4 y( w1 I$ D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
, |+ l. k& j" P9 K5 d9 H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
" O0 `6 Y  ~* i, A0 H4 b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
6 k2 O6 ?* d: r) |, i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
# }' M4 o$ v. _* o, x- H+ y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 ISM Band(GHz) Available Channels
9 [# b/ Z5 k& y
2 R- I4 R( L5 z" v4 d& Z: a

2 z+ j- A, j$ Q* X" P/ EU.s.,Japan&Europe 2.4000～2.4835 79
! ^3 }  K% c8 s. ]# q1 AFrance 2.4000～ 2.4835 23
( v4 R: B5 a" @# a4 {. [! g' U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：
( i+ w5 p0 T! f) D6 k2 fD(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】
8 g7 K( J$ u8 ]9 v8 I: \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
3 c! j& Y8 `8 v, ~* A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
( W: X5 O) ~7 O' Z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)
; n$ V* D5 i& Z& Q! V9 e& E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
$ [% m2 h3 U+ ~3 r+ Y; A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
7 y, E0 ^4 [/ D5 x9 r7 @9 @* ?# n以 G 来表示，其单位亦为 dBi 。
5 F7 [3 v- q; I& f+ {


: F: K7 e# `. p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
! e! |0 R! e; [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
- M, }  }4 w+ f* P0 R* t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
( O/ T1 K- B' K5 |3 V- h  R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，
2 k3 X9 r$ n9 L" F0 ]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
; Q* a1 M8 [% a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
8 g$ b" B! q0 b) h* Z: m( a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
# T" s  @: V' u3 p# [0 ]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。
1 X( H; B9 c2 {6 V2 w6 u( P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) 、

7 Z1 M+ _* `8 e4 d

PIFA(PlanarInverted 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、
- b4 u5 u; k7 r/ m8 K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
% t! C5 ]) w. X& g; M( `8 w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，
$ t8 ~  i; d  _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。
# C: i) B4 m& i1 w. D& X  T6 I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
7 v1 C" S* k  _* X9 g有助于产品外观的多样化设计。

VIC56

是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。

Crash

陶瓷本身介电常数比pcb电路板的要高,所以使用陶瓷天线能有效缩小天线尺寸。