07623@52RD_蓝牙天线技术分析与应用介绍.pdf

蓝牙天线技术分析与应用介绍 作者：方士庭 摘自：台湾《新通讯》 2001 11月号 第9 期 蓝牙可以是一种低成本、低功率以及短距离无线通讯的技术，可以广泛的应用在任何个 人行动通讯设备上。而随着 1999 年1.0 版蓝牙规范的正式制订，一场短距离无线通讯网路 的革命似乎已经展开，而由蓝牙概念所发展出来的无线个人局域网络(Personal Area Network, PAN)也正式成立。 到目前为止，由于市面上所推出的蓝牙相关产品尚未完全普及，「蓝牙」这个让人耳熟 能详的名词在产品应用上还是给人有「犹抱琵琶半遮面」的感觉。探究其产品尚未全面化推 出的原因除了蓝牙规范尚未完全底定外(2.0 版正在发展中)；另一重要的因素则是整个蓝牙 模块的价格仍然居高不下，使得蓝牙产品的售价偏高，以 Ericsson 所推出的蓝牙耳机为例， 其预估的售价便高达 200 美元左右。于是，降低模块的价格便成了蓝牙芯片提供厂商与外围 组件制造厂商致力发展的方向。 「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) 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抗值。 用来表示阻抗匹配状况的反射损耗，单位为 dB。其数学表示式可以写成： Return Loss(RL)=-20log|r|(dB) 其中 Γ 为天线输入端与收发机输出端之间的反射系数，亦可以天线输入阻抗 Za 与收发 机输出阻抗 Zt 来表示之： Γ=（Za-Zt)(Za+Zt) 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，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 96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(B