PCB天线的类型与结构设计及典型应用场景

一、微带贴片天线的结构设计与特性

微带贴片天线是 PCB 天线中最常用的类型，由辐射贴片、介质基板和接地平面三层结构组成。其核心设计参数包括：

1. 辐射贴片尺寸
   贴片长度 L 约为工作波长 λ 的 1/2（λ=λ0/√εr，λ0 为自由空间波长，εr 为基板介电常数），宽度 W 决定带宽（W 越大，带宽越宽）。例如，2.4GHz 天线（λ0=125mm）采用 FR-4 基板（εr=4.4）时，L≈125/(2×√4.4)≈14mm，W 通常取 1.5-2 倍 L 以扩展带宽。

2. 基板参数影响
   基板厚度 H 增大可提高增益（每增加 0.1mm 增益提升约 0.5dB），但会引入表面波损耗；高 εr 基板（如陶瓷，εr=9.8）可减小尺寸（比 FR-4 小 30%），但带宽降低（仅 1-3%）。实际设计中常采用折中方案，如 0.8mm 厚 FR-4 基板（εr=4.4），可实现 2-5% 带宽与 2-3dBi 增益的平衡。

3. 馈电方式选择

• 微带线馈电：结构简单，适合批量生产，但回波损耗较差（通常≥-10dB）；

• 同轴探针馈电：阻抗匹配好（回波损耗≤-15dB），但会引入探针电感，需补偿；

• aperture 耦合馈电：隔离度高（≥30dB），适合阵列设计，但工艺复杂。

典型应用：Wi-Fi 2.4GHz 终端天线，采用 14×20mm 矩形贴片，0.8mm FR-4 基板，微带线馈电，实测增益 2.2dBi，带宽覆盖 2.4-2.48GHz。

二、缝隙天线的设计原理与工程实现

缝隙天线通过在接地平面上开设缝隙，利用缝隙周围的电磁场辐射形成天线，具有低剖面、易集成的特点。

1. 缝隙形状与尺寸
   基本半波缝隙长度 L≈λ/2，宽度 S 通常取 0.1-0.5mm（过宽会导致阻抗匹配恶化）。常见形状包括：

• 矩形缝隙：设计简单，适合单频段（如 GPS L1 频段 1575MHz）；

• 环形缝隙：可实现圆极化，用于卫星通信；

• 锯齿形缝隙：通过加载结构扩展带宽（比矩形缝隙带宽提升 50%）。

2. 馈电与匹配
   缝隙天线等效为电压激励，需通过平衡 - 不平衡转换器（巴伦）与同轴线匹配。例如，1575MHz GPS 缝隙天线采用 λ/4 巴伦，将 50Ω 同轴线与缝隙的 300Ω 阻抗匹配，回波损耗可达 - 20dB。

3. 优势与局限
   优势：可利用 PCB 接地平面作为辐射体，节省空间；对金属外壳不敏感（适合物联网设备）。局限：增益较低（通常 1-2dBi），方向性较弱（全向性偏差）。

应用案例：某物联网模块采用 15×30mm 矩形缝隙天线，集成于 PCB 接地平面，工作在 868MHz，增益 1.5dBi，满足 LPWAN 通信距离要求（≥1km）。

三、倒 F 天线（PIFA）的小型化设计与多频段实现

倒 F 天线由辐射体、短路片和馈电探针组成，因结构类似倒写的 “F” 得名，是小型化设备的首选。

1. 小型化机理
   通过短路片引入感性负载，缩短辐射体长度（比半波天线短 30-50%）。例如，900MHz PIFA 长度仅 80mm（半波天线需 167mm），适合手机、可穿戴设备。

2. 多频段设计方法

• 加载枝节：在辐射体上增加不同长度的枝节，每个枝节对应一个频段。如 2G（900MHz）+4G（1800MHz）PIFA，主辐射体长 80mm（900MHz），附加 40mm 枝节（1800MHz）；

• 渐变结构：采用梯形或三角形辐射体，利用不同长度的电流路径覆盖多频段，可实现 3-4 个频段（如 700/1800/2100/2600MHz）。

3. 关键参数优化
   短路片与馈电点间距 d 决定阻抗（d 增大，阻抗降低），通常 d 取辐射体长度的 1/5-1/4。例如，1800MHz PIFA 中，d=8mm 时可实现 50Ω 匹配。

应用实例：智能手表内置 PIFA，尺寸 30×15×3mm，覆盖蓝牙（2.4GHz）与 GPS（1575MHz），增益分别为 1.8dBi 和 1.2dBi，满足穿戴设备空间限制。

四、螺旋天线的圆极化特性与宽带设计

螺旋天线由金属导线绕成螺旋状，具有圆极化、宽频带特性，适合卫星通信、雷达等场景。

1. 圆极化实现条件
   当螺旋直径 D≈λ/3-λ/2，螺距 S≈λ/4 时，可产生稳定圆极化。例如，1.5GHz 螺旋天线（λ=200mm），D=50-67mm，S=50mm，轴比≤3dB（圆极化纯度高）。

2. PCB 螺旋天线的实现
   采用平面螺旋结构（如阿基米德螺旋），通过 PCB 蚀刻工艺制作，解决立体螺旋的集成难题。平面螺旋的匝数 N 通常取 3-5 匝，线宽 W=0.2-0.5mm，间距 S=W，可实现 3:1 带宽（如 1-3GHz）。

3. 增益与方向性
   轴向模螺旋天线（长径比＞3）具有端射方向图，增益可达 8-12dBi；法向模螺旋（长径比＜1）为全向辐射，增益 2-3dBi。

应用场景：北斗导航终端采用 4 匝平面螺旋天线，直径 20mm，工作 1561MHz，轴比 2.5dB，增益 3dBi，满足卫星信号接收要求。

五、阵列天线的波束成形与 MIMO 应用

阵列天线由多个单元天线按一定规律排列组成，通过相位控制实现波束成形，提升通信距离与抗干扰能力。

1. 阵列拓扑结构

• 线性阵列：单元沿直线排列，适合一维波束扫描（如基站水平方向扫描）；

• 平面阵列：单元呈矩形网格排列，可实现二维波束控制（如相控阵雷达）；

• 圆形阵列：全向波束覆盖，适合物联网网关。

2. 关键设计参数
   单元间距 d 通常取 λ/2（避免栅瓣），例如 28GHz 毫米波阵列，d=5.35mm（λ=10.7mm）。单元数量 N 决定增益（增益≈10lgN dBi），8 单元阵列增益约 9dBi。

3. MIMO 应用优化
   多输入多输出（MIMO）系统中，阵列单元需保持低相关性（≤0.3），可通过极化分集（水平 + 垂直极化）或空间分集（间距≥λ/2）实现。例如，4G MIMO 天线采用 2×2 极化分集阵列，隔离度≥20dB，满足 3GPP 标准。

工程案例：5G Sub-6GHz 基站天线采用 8×8 平面阵列，单元间距 50mm（3.5GHz），波束扫描范围 ±60°，增益 18dBi，支持 4×4 MIMO，提升吞吐量至 1Gbps。