各种天线的设计及设计要点介绍

天线是各种智能设备都需要的重要部件，所有需要用到无线的设备都需要用到它。现在是无线时代，网络路由器都是无线WIFI，电脑，手机连网络再也不用网线连接了，还有蓝牙耳机，蓝牙鼠标，蓝牙键盘等等不再有电线了，这个天线的性能就至关重要了。

一般天线的选择有一些因素，除了考虑性能还要考虑成本，所以在选择天线的时候，需要综合考虑。今天上尉Shonway就给大家讲讲各种天线的设计及设计要点。

天线一般有以下几种，

第一种 PCB板载天线

这种天线成本低，但性能会稍微差一点。PCB板载天线也有几种形式。

a,平面倒F型天线，英文缩写即PIFA，

如下图所示就是倒F的PCB板载天线

图1

图2

下面这个是上面平面倒F的PCB板载天线的变种，由于空间不够，扭曲一下。

此倒F天线PCB设计都有哪些需要注意的问题？我们首先要知道这个射频知识，Shonway以前出过一篇文章，对于射频，任何铜箔，导线都不能看成是简单的导线，他是由很多阻容电路组成的一种等效电路，你看到短路的，对于射频就不是短路。以这个思路我们看看这个倒F天线的PCB设计。如下图所示

图3

这里有六点要注意

1，这个倒F天线，不是随便画的，网上有专门的这种天线的库，拿过来，按要求放上去就好。如果空间不够，那就是自己通过仿真自己制作了自己专用的天线了。原创今日头条：卧龙会IT技术

2，RF馈点这里引出来的线阻抗必须做到50ohm

3, 接地馈点必须接地牢靠

4，地平面必须要多打地过孔，如上图所示，这个过孔间距多少合适的话，我们以前一篇卧龙会布布熊老师写过一篇文章，大家找一下可以看看

5， 天线这里所有层铜箔必须净空。

6，天线必须放在PCB板的角落里，最好三面都是空的，如图2所示，上面三面都是空的

手机上的天线叫平面倒F天线，原理上是用一个平面接上一个接地平面馈点，与RF馈点组成，如下图4所示

图4

上面图4从左下方RF馈点这个箭头看过去，就是一个倒F。同样是倒F结构，但手机中的天线采用的是平面结构，这个倒F天线就比PCB板载天线性能就会好很多，这样空间又比较少，成本又低，对于手机天线是最好的选择。

实际的天线如下图5所示

图5

实际上这个平面对于不同手机有很多种形状，原理就是平面倒F结构，在这个平面上一个是接RF，一个是接地馈点就组成了平面倒F天线。

图6

上图就是不同手机天线。他们的原理都是平面倒F天线，是不是长知识了，记得点赞。

b，倒L形PCB板载天线

如下图7所示，图8就是倒L形天线的变种，也是因空间不够，扭曲一下，以匹配频率

图7

图8

此倒L形的需要注意的问题跟前面的差不多不再说明，倒L型天线没有倒F型天线效果好一点，因为倒F天线有一个接地馈点，能有效调节频点。

市面上有不少PCB板载天线，主要是上面两种，还有一些如下面的图所示

图9

图10

图11

有些是厂家自己通过仿真制作出来的。

第二种 贴片陶瓷天线

这种天线做成了贴片元件，如下图所示

图12

这种天线一端是接RF，一端是接地。陶瓷天线原理，就是通过一根叫做“天线”的电极将天线与地之间形成的高频电场变成电磁波，从而能发射出去并传波到远方。

PCB最好的布局布线方式就是以下方式

图13

把陶瓷贴片天线放板边，一边接地，一边连RF信号，下面所有层铜箔都掏空（白色框所示区域）这样四个方向，至少2个方向都是空的，对天线的效果很好，不要忘记接地铜箔都要打上接地过孔，打多一点。

第三种 棒状天线

此种天线如下图14所示，这种天线效果最好，它是置身于空间，辐射效果最好，但成本也是贵一点，占用的空间也大，这只能是露在机壳外面。

图14

这种天线在PCB设计时要注意的问题

1，如果RF引线短，RF信号线下面所有层都要净空，如图15所示，如果引出线比较长，那还要控制一下这根引出线的阻抗，多层板的话，需要把他下面的第二层净空，其它层铺完整铜，然后隔层参考地做阻抗，（为什么要隔层参考，大家评论区发表一下意见）阻抗控制在50ohm.如图16所示。原创今日头条：卧龙会IT技术

2，附近的接地铜箔必须接地牢靠，也就是要多打地孔。

图15

图16

蓝牙天线设计之倒F型天线：

倒F型天线的天线体可以为线状或者片状，当使用介电常数较高的绝缘材料时还可以缩小蓝牙天线尺寸。作为板载天线的一种，倒F型天线设计成本低但增加了一定体积，在实际应用中是最常见的一种。天线一般放置在PCB顶层，铺地一般放在顶层并位于天线附近，但天线周围务必不能放置地，周围应是净空区。如下图：

图1：倒F型天线设计示意图

蓝牙天线设计之曲流型天线设计：

曲流型天线的长度比较难确定。长度一般比四分之一波长稍长，其长度由其几何拓扑空间及敷地区决定。曲流型天线一般是PCB封装，即板载天线。和倒F型一样，天线一般放置在PCB顶层，铺地一般放在顶层并位于天线附近，但天线周围务必不能放置地，周围应是净空区。如图2，图3：

图2：曲流型天线设计示意图1

图3：曲流型天线设计示意图2

注：天线长度计算公式：

天线的长度（米）=（300/f）*0.25*0.96

其中f表示频率（MHz），0.96为波长缩短率

蓝牙天线长度约为 300/2.4G*0.25*0.96 大约为31mm

蓝牙天线设计之陶瓷天线设计：

陶瓷天线是另外一种适合于蓝牙装置使用的小型化天线。陶瓷天线的种类分为块状陶瓷天线和多层陶瓷天线。由于陶瓷本身介电常数较PCB电路板高，所以使用陶瓷天线能有效缩小天线尺寸，在介电损耗方面，陶瓷介质也比PCB电路板的介电损失小，所以非常适合低耗电率的的蓝牙模块中使用。在 PCB设计时，天线周围要净空就可以了，特别注意不能敷铜。如下图：

图4：陶瓷天线设计示意图

蓝牙天线设计之2.4G棒状天线设计：

2.4G棒状蓝牙天线体积大，但传输距离要强于其他天线。在PCB设计时，天线周围也和上述的三种天线设计一样要净空。如下图：

图5：2.4G棒状天线设计示意图

关于蓝牙天线设计的其它相关注意点：

1）天线的信号（频率大于400MHz以上）容易受到衰减，因此天线与附近的地的距离至少要大于三倍的线宽。

2）对于微带线与带状线来说，特征阻抗与板层的厚度、线宽、过孔以及板材的介电常数相关。

3）过孔会产生寄生电感，高频信号对此会产生非常大的衰减，所以走射频线的时候尽量不要有过孔。

当你每天在用智能手机打电话、发短信、玩儿网络游戏、转微博等等一系列的沟通行为的时候，有没有想到过，这一切的一切都是通过手机上的天线模块来实现的。如果没有天线，智能手机将变成一台单机游戏机。

现在你和人们聊起手机的天线，有的人甚至会问你：“天线?我的手机没有天线，什么时代了有机还有天线。”

额。。。。。。其是天线还是有的，眼镜贴到眼睛上就叫隐形眼镜，天线放到手机内部就叫内置天线。

简单说一下内置天线大体有这么两种：PIFA天线和MONOPOLE天线。

PIFA天线如按要求设计环境结构，电性能相当优越，包括SAR(Specific Absorption Rate特殊吸收比率  ，主要测量人体吸收手机辐射量的多少)指标，是内置天线首选方案。

适用于有一定厚度手机产品，折叠、滑盖、旋盖、直板机。

MONOPOLE天线如按要求设计环境结构，电性能可达到较高的水平。缺点是SAR稍高。不适用折叠、滑盖机，在直板机和超薄直板机上有优势。

下面来看一下几款手机的内置天线。

三星Galaxy Note 2：

底部白色的部分就是天线模块。

三星Galaxy S5：

红色：SWEP GRG28天线切换模块

橙色(大)：高通WTR1625L射频收发器

橙色(小)：高通WFR1620接收器

iPhone 4S：

iPhone 4S也将天线放到了手机底部，但与Note2不同的是它还有外接金属天线。

iPhone 6：

iPhone 6的天线则被移到了手机上方，同样的，其金属后壳被残忍的分割开来。

最早的大哥大手机是外置天线，是低频段的模拟信号天线，这种设计直到现在都还在被对讲机采用；
2G时代，从NOKIA开始采用内置式天线，采用薄不锈钢片冲压而成，随后为降低成本，后来改用FPC（印刷电路板）代替，FPC的特点是材质软，可以贴在曲面上，还可以转折，在空间利用率上比金属天线有优势，FPC天线直到目前仍然是主流的天线技术；
后来随技术的发展，又发展出来LDS天线技术，就是直接在经过特殊处理的塑模材料上用激光雕刻出天线，这个技术在目前的中高端手机中普遍采用，通常用在主天线上，和喇叭box做在一起，以节省空间。

现在的手机由于通讯能力相当复杂，需要设计不同功能的天线，会采用不同的技术搭配使用。

MIMO

多输入多输出（Multi-input Multi-output ; MIMO）是一种用来描述多天线无线通信系统的抽象数学模型，能利用发射端的多个天线各自独立发送信号，同时在接收端用多个天线接收并恢复原信息，是一种空分复用的概念。

MIMO可以在不需要增加带宽或总发送功率耗损的情况下大幅地增加系统的数据吞吐量及发送距离。MIMO的核心概念为利用多根发射天线与多根接收天线提供的空间自由度来有效提升无线通信系统之频谱效率，进而提升传输速率并改善通信质量。
MIMO技术可以应用在无线通信网络中与基站通信，也可以应用在WiFi网络中与无线路由器通信。我们通常用A*B MIMO来表示天线数量，比如2*2 MIMO表示2路发射2路接收，理论传输容量为SISO的两倍。
在未来5G网络中，可以预见终端会普遍采用更大数量的MIMO技术。

5G时代的天线：尺寸不变，数量增加

天线是无线通信设备上的重要部件，用来发射和接收电磁波信号。天线是一根具有指定长度的导线，可以制造在PCB（印制电路板）和FPC（柔性电路板）上。

天线的长度与无线信号的波长相关性很强，一般要求是电磁波长的1/4或1/2，比如2G时代的900Mhz频段，电磁波长为20~30cm，天线尺寸则为7.5cm左右。

目前4G通信的波段是0.8-2.6GHz，而5G使用的主要通信频段也在6GHz以下。因此，使用5G Sub-6G频段的手机天线尺寸上不会有大变化，仍然会是厘米级。

不过，为了达到更高的速度要求，5G会使用更多根天线，即MIMO技术，例如4×4 MIMO就是有4个发射端天线，4根收集端天线。

而天线数量的增加，则将会要求多个天线之间的形状重新排布，对手机后盖和走线提出新的要求，以达到更好的效率。华为mate30 pro 5G一共集成了21根天线，其中包括14根5G天线。

审核编辑：黄飞