在无线通信的版图中，天线往往被视为“黑盒”：看不见信号，却主宰着连接质量。伴随物联网与移动终端日益轻薄化，传统金属 whip 天线或陶瓷天线逐渐让位于板载 PCB 天线。这种直接用铜箔走线或谐振结构在电路板上“画”出的天线，为何能在有限空间里维持稳定辐射?下面从多维度展开，带你由浅入深洞悉 PCB 天线的设计心法、制造要点与应用前景。

一、基础概念与典型形态

定义

PCB 天线即把天线结构与功能直接嵌入印制电路板，通过铜箔形状及走线长度产生谐振，完成发射与接收。

常见类型

倒 F(IFA)：手机与蓝牙模组常用，体积小、带宽适中。

蛇形(Meander)：在有限面积内“折叠”电长度，常见于 2.4 GHz Wi-Fi/BT。

环形(Loop)：磁场耦合强，对手持干扰敏感度低。

贴片(Patch)：覆盖 5G、GNSS，高增益平面波，适合定向场景。

分类维度

单频 vs. 多频

单极 vs. 双极

共地 vs. 独立接地

二、设计原则：从“画线”到“谐振”

频段决定尺寸

谐振长度 ≈ λ/4，2.4 GHz λ≈125 mm，折算后影响走线长度与折叠方式。

板材与介电常数

FR-4：成本低，εr≈4.3，损耗较大。

PTFE/陶瓷填充：εr 2.2–2.9，低损耗，适合高频 5 GHz 以上。

布线宽度 & 走线层数

宽度影响阻抗;尽量保持同层，避免跨层打孔破坏电流路径。

参考地(GND)策略

倒 F 天线依赖接地平面形成镜像电流;过长或开槽可能拉低辐射效率。

三、关键参数优化

参数	目标	调优方法
阻抗匹配	VSWR < 2	π 型或 T 型 L-C 网络微调
增益	取决场景	增加有效辐射面积、避开金属屏蔽
效率	>50 %	减少介质损耗、保证完整 GND
带宽	满足协议	引入开槽、加载电容宽带化

四、制造工艺要点

光刻精度：微波频段对边缘粗糙度极敏感，需控制蚀刻过切。

表面涂层：选用沉金或 OSP，杜绝过厚锡层破坏阻抗。

分板应力：V-Cut 或冲压造成铜箔裂纹，需预留退让区。

组装焊盘：避免在天线边缘布置大尺寸接插件，降低寄生耦合。

五、测试与调试流程

矢量网络分析(VNA)

––- 测 S11，查看 -10 dB 反射落点是否落在目标频段。

暗室 OTA

––- 旋转测球面辐射图，检查盲区与方向性。

近场扫描

––- 热点排查：定位电流集聚区，微调走线或铜皮缺口。

现场整机测试

––- 模拟最终装配，对塑胶壳、屏蔽罩二次复测。

六、典型应用场景

智能穿戴：手环、TWS 耳机。空间极窄，首选蛇形天线+柔性板。

物联网节点：LoRa、BLE Beacon，低功耗对效率要求高。

汽车电子：TPMS、无钥匙进入，需兼顾耐高温与多金属环境。

卫星定位：在 GNSS 模块中用贴片 + 陶瓷介质板材提升相位中心稳定性。

七、未来趋势与挑战

超宽带 UWB：纳秒级脉冲对天线群组耦合抑制提出新要求。

毫米波 24–60 GHz：走线宽仅数百微米，工艺公差逼近极限。

MIMO & 天线集群：多天线共板，隔离度与相位一致性难度陡增。

可持续材料：无卤低损耗基材、可回收铜箔受关注。

八、选型建议与常见误区

“功率大=覆盖远”

实际瓶颈多在效率与匹配，盲目增大发射功率只会浪费能耗。

“任何位置都能贴天线”

金属框、锂电池、LCD FPC 都会吸收或屏蔽，需预留射频净空区。

“调完原型即可量产”

批次板材 εr 离散、元件公差都会引起中心频漂移，量产前必须做边界样品检验。

“射频调试=只看 S11”

真实通信体验更依赖 OTA，总效率、群时延等综合指标不可忽视。

从手机到工控网关，PCB天线以低成本、高度集成的优势深度渗透各类无线产品。要让这块“画”在电路板上的铜箔发挥最大能量，设计者需平衡频段需求、板材特性、机械结构与制造公差，并在实验室与实机之间反复验证。掌握上述要点，既能缩短调试周期，也能为终端用户带来畅快而稳健的无线体验。