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重要的天線參數
    天線最主要的功能在于轉換傳播介質中(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接口。在無線通訊系統中，天線必須依照這兩個接口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，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，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接口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，如此一來才不至于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范圍的改變。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 奧姆，如此便可以與收發機電路的輸出阻抗達到50 奧姆匹配。但是在特殊的收發機電路設計中，輸出阻抗不一定會是50 奧姆，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絡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|Γ |(dB)
    其中Γ 為天線輸入端與收發機輸出端之間的反射系數，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 三者之間的關系。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 奧姆，則可得知天線的輸入阻抗Za 為96 奧姆，由此可驗證天線與發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所可能使用到的頻帶，而整個工作頻帶范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 的標準，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準是隨著不同的通訊系統而會有所差異，例如VSWR 需小于1.5 的標準。但對藍牙來說，VSWR 小于2.0 的條件已經可以符合系統上的需求。

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 為偶極天線在遠場(Far-field)量測系統中的坐標參數示意圖，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面(即x-y 平面上)往偶極天線看進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 全球主要地區的ISM 頻段配置
Region                             ISM Band(GHz)           Available Channels
U.s.,Japan&Europe      2.4000～2.4835                    79
France                             2.4000～2.4835                    23
天線的指向性與其輻射場型有關，所以指向性也是方位角的函數，其定義如下：
D(θ,ψ)=【天線在(θ,ψ)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作為參考的標準值，故指向性是以dBi 為單位。由以上的定義不難發現，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。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、天線本身的材質在高頻下 所產生的能量損耗以及在傳播介質中所消耗的能量。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。

藍牙天線在不同操作模式下的設計考量
    藍牙的傳輸模式是以一個微微網(Piconet)為基礎，一個微微網內可以同時存在七個藍牙的從動裝置(Slave)與一個主動裝置(Master)，在 同一個微微網內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，在微微網的基礎下可以容許單點對單點(Point to Point)、單點對多點(Point to Multipoint)以及數個微微網互相鏈接的多種傳輸模式。在以上這些模式中，不論是微微網內的主動或是從動裝置，因為都需要與網內隨時改變位置的從 動或主動裝置聯系，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，將會造成兩個藍牙裝置之間的訊號在某些 相對角度上無法正常傳送。圖6 是在室內環境使用固定式的接取裝置(Access Point, AP)來與其它藍牙裝置進行傳輸的模式。由于接取裝置AP 已經被固定在室內的某些適當位置以便對室內的藍牙裝置做數據傳輸，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。至于其它的藍牙裝置仍是以全向 性的天線最能符合其需求。

藍牙天線的種類
    目前最常見的藍牙天線種類包括有偶極天線(Dipole Antenna)、PIFA(PlanarInverted 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構簡單、制作成本低的優點，所以非常適合藍牙裝置的使用，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接頭做為能量饋入的裝置，而與藍牙模塊之射頻前端電路所外接的轉接頭相互連接(如圖7所示)。 另外一種天線外接方式是使用可旋轉式轉接頭，這種方式的優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式接頭的 成本較高。

    偶極天線的長度與其操作頻率有關，一般常用的設計是使用半波長或四分之一波長來做為天線的長度。另外，偶極天線亦可以應用平面化的設計方式將藍牙天線設計 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)結構來設計天線(如圖8 所示)，如此可得到低成本的隱藏天線，并有助于產品外觀的多樣化設計。

PIFA 天線
    PIFA 天線是以其側面結構與倒反的英文字母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，而且在其結構中已經包含有接地金屬面，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牙模塊裝置中。另一 方面，由于PIFA 天線只需利用金屬導體配合適當的饋入及天線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 天線的金屬導體可以使用線狀或是片狀，若以金屬片狀制作則可設計為SMD 組件來焊接在電路板上達到隱藏天線的目的。此時為了支撐金屬片不與接地金屬面產生短路，通常會在金屬片與接地面之間加入絕緣的介質，如果使用介質常數 (Dielectric Constant)較高的絕緣材質還可以縮小藍牙天線的尺寸。

陶瓷天線
    陶瓷天線是另外一種適合于藍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 emperature Cofired)的方式將多層陶瓷迭壓對位后再以800~900 度的溫度燒結，所以天線的金屬導體可以依設計需要印在每一層陶瓷介質層上，如此一來便可有效縮小天線所需尺寸，并能達到隱藏天線設計布局的目的(如圖10 所示)。

    由于陶瓷本身的介質常數較PCB 電路板高，所以使用陶瓷當天線介質能有效縮小天線尺寸；在介質損耗(Dielectric Loss)方面，陶瓷介質也比PCB 電路板的介質損耗更小，所以非常適合用在低耗電率的藍牙模塊使用。除此之外，當藍牙模塊必須利用LTCC 的技術來將模塊體積降到最小時，LTCC 藍牙天線可以輕易的與藍牙模塊整合在LTCC 的多層陶瓷介質中(如圖11 所示)，將是小型化藍牙模塊的最佳選擇。

藍牙天線在產品應用上的考量
     對手持式藍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牙來做短距離的傳輸才是使用藍牙的最終目的之一，而適當的藍牙 天線設計將會有助于達到這樣的傳輸品質。在輻射場型方面，手持式藍牙產品的天線應該是全向性的而可以與來自四面八方的其它藍牙產品互相聯系；在天線增益方 面，由于藍牙使用的ISM 頻段其操作波長短，對于傳輸介質或傳輸路徑中的障礙物或導體所造成的能量損耗相對提高。故雖然藍牙產品標榜為短距離傳輸裝置，但仍應考量在室內環境中使用 會有家具、房間墻壁甚至人體等的電磁波障礙物存在，所以藍牙天線的增益也不能夠太小；同樣地，在AP 裝置上的藍牙天線由于需要涵蓋較大的區域，所以其天線增益勢必要比手持式產品高出許多。另外在輻射場型方面也必須考慮到AP 的裝設位置與欲涵蓋的范圍來決定設計合適的指向性天線。除了以上所探討的設計需求外，對于各種不同的藍牙產品而言，藍牙天線還是得要符合低成本的首要條 件。
    再從產品應用的角度來看，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，而藍牙天線則以內建隱藏的方式(如圖8 所示)設計在內部電路板上或以轉接頭外接天線的方式(如圖7 所示)固定在PCMCIA 卡上；另外，藍牙天線在筆記型計算機上也將因為擺放的位置不同而有特性上的差異。一般來說，將藍牙天線置放于LCD 屏幕周圍的操作頻寬與天線增益會比安裝在鍵盤周圍來得大。
    由以上藍牙天線在產品應用上的考量可以發現，如果要確保藍牙天線的良好操作特性以更進一步提升藍牙產品的傳輸品質，就必須在設計藍牙模塊一開始便將藍牙天 線的設計架構以及產品應用環境一并考慮，如此便可在設計初期就把天線與周邊環境相互影響的問題解決并可提升后段產品應用的可靠度。