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(gè)人行動(dòng)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(gè)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(gè)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(gè)藍(lán)牙模塊的價(jià)格仍然居高不下，使得藍(lán)牙產(chǎn)品的售價(jià)偏高,，以Ericsson所推出的藍(lán)牙耳機(jī)為例,，其預(yù)估的售價(jià)便高達(dá)200美元左右。于是,，降低模塊的價(jià)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,。在無線通訊系統(tǒng)中，天線必須依照這兩個(gè)接口的特性來做適當(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)的定義加以說明：

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)來說,， 通常輸入阻抗是無法做大范圍的改變。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)=-20log|r|(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,。舉例來說,，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)? 天線與發(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表示：

BW=(f_U-f_L)/f_C×100%

其中,，f_C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(gè)位置的相對(duì)強(qiáng)度或絕對(duì) 強(qiáng)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,，其輻射場型圖是以圖3之水平面(Azimuth)及垂直 面(Elevation)兩個(gè)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(qiáng)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(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型來看,，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)輻射場型,；但在垂直面 場型中,，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)的輻射場型,。故由天線的輻射場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,。

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(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（θ,ψ）=eD(θ,ψ)

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(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(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型必須是近似全向性的,，若是使用指向性過高的天線來做傳送或接收,，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健Ｓ捎诮尤⊙b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,。

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(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。

偶極天線的長度與其操作頻率有關(guān),，一般常用的設(shè)計(jì)是使用半波長或四分之一波長來做為天線的長度,。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電路板上以簡單的微帶線(Microstrip Line)結(jié)構(gòu)來設(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(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。

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 Temperature 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)。

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(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(jì)將會(huì)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(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小,；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(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,。

再從產(chǎn)品應(yīng)用的角度來看，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。一般來說,，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)比安裝在鍵盤周圍來得大,。

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)境相互影響的問題解決并可提升后段產(chǎn)品應(yīng)用的可靠度。