07316@52RD_蓝牙天线技术分析与应用介绍.docVIP

藍牙天線技術分析與應用介紹 藍牙可以是一種低成本、低功率以及短距離無線通訊的技術，可以廣泛的應用在任何個人行動通訊設備上。而隨著1999年1.0版藍牙規範的正式制定，一場短距離無線通訊網路的革命似乎已經展開，而由藍牙概念所發展出來的無線個人區域網路(Personal Area Network, PAN)也正式成立。 到目前為止，由於市面上所推出的藍牙相關產品尚未完全普及，「藍牙」這個讓人耳熟能詳的名詞在產品應用上還是給人有「猶抱琵琶半遮面」的感覺。探究其產品尚未全面化推出的原因除了藍牙規範尚未完全底定外(2.0版正在發展中)；另一重要的因素則是整個藍牙模組的價格仍然居高不下，使得藍牙產品的售價偏高，以Ericsson所推出的藍牙耳機為例，其預估的售價便高達200美元左右。於是，降低模組的價格便成了藍牙晶片提供廠商與週邊元件製造廠商致力發展的方向。 「天線」，是在無線通訊系統中用來傳送與接收電磁波能量的重要必備組件。由於目前技術尚無法將天線整合至半導體制程的晶片中，故在藍牙模組裏除了核心的系統晶片外，天線是另一具有影響藍牙模組傳輸特性的關鍵性元件。在各種不同的藍牙應用產品中，所使用的天線設計方法與製作材質也不盡相同。選用適當的天線除了有助於搭配產品的外型以及提升藍牙模組的傳輸特性外，還可以更進一步降低整個藍牙模組的成本。這是提供給藍牙系統廠商在尋求低價格的系統晶片外，另一個可能降低模組成本的考量方向。在本文中將介紹藍牙天線的設計考量、相關重要參數、藍牙天線的種類以及在產品上的應用考量。 ? 重要的天線參數 ? 天線最主要的功能在於轉換傳播介質中(通常是空氣介質)輻射電磁波能量與收發機所送出或收到的能量。在能量轉換的過程中，會出現有收發機與天線及天線與傳播介質之間的不連續介面。在無線通訊系統中，天線必須依照這兩個介面的特性來做適當的設計，以使得收發機、天線以及傳播介質之間形成一個連續的能量傳輸路徑，如此便可以順利的將發射機的能量藉由發射天線輻射到傳播介質中，並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介面的各項特性，圖1列出了一些重要的參數，以下就這些參數的定義加以說明。 ? 天線輸入阻抗(Input Impedance) ? 天線的輸入阻抗是以收發機與天線間的介面往天線端看入所得到的阻抗值。為了讓天線與收發機電路間達到阻抗匹配(Impedance Matching)以降低因不匹配現象所造成的反射損失(Return Loss)，故天線的輸入阻抗必須與收發機電路的輸出阻抗互相匹配，如此一來才不至於使得大部份能量在天線與收發機之間就損耗掉。以一般的天線設計來說，通常輸入阻抗是無法做大範圍的改變。最普遍的設計方式是將天線的輸入阻抗設計在一般電路中所常使用的50歐姆，如此便可以與收發機電路的輸出阻抗達到50歐姆匹配。但是在特殊的收發機電路設計中，輸出阻抗不一定會是50歐姆，此時便需在收發機電路與天線輸入端之間設計一個外加的阻抗匹配網路來將天線的輸入阻抗值轉換到收發機的輸出阻抗值。 ? 用來表示阻抗匹配狀況的反射損耗，單位為dB。其數學表示式可以寫成： Return Loss(RL)=-20log|r|(dB) 其中Γ為天線輸入端與收發機輸出端之間的反射係數，亦可以天線輸入阻抗Za與收發機輸出阻抗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三者之間的關係。舉例來說，當天線輸入端的RL達到-10dB時，表示由發射機所送入天線的能量將有10%會因為天線與發射機之間的阻抗不匹配而造成能量損失；假設此時發射機的輸出阻抗Zt為50歐姆，則可得知天線的輸入阻抗Za為96歐姆，由此可驗證天線與發射機之間的阻抗並不匹配。 ? 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所可能使用到的頻帶，而整個工作頻帶範圍內的最高操作頻率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。以藍牙為例，其操作頻率範圍如表1所示，故天線的最小操作頻寬需為83.5 MHz，也就是3.4%。 在瞭解了天線操作頻寬的定義後，還需要知道如何決定天線的操作頻率範圍。一般最常使用的是電壓駐波比(VSWR)2:1的標準，如此一來由一連串VSWR小於2.0的頻率點所組成的頻率範圍即為天線的操作頻寬。通常用來決定操作頻寬的標準是隨著不同的通訊系統而會有所差異，例如VSWR需小於1.5的標準。但對藍牙來說，VSWR小於2.0的條件已經可以符合系