天线

天线

英文名称	Antenna
核心作用	电磁波发射与接收
典型频段	kHz ~ GHz
核心问题	匹配、效率、共模电流
典型参数	增益、VSWR、效率
典型应用	Wi-Fi、Bluetooth、5G、Radar

天线（Antenna）是无线系统中用于：

• 发射电磁波
• 接收电磁波

的核心器件。

其本质作用包括：

将导体中的高频电流
转换为空间电磁波

或反向：

将空间电磁波
转换为电信号

天线本质

天线本质属于：

高频电磁能量转换结构

其核心问题包括：

• 阻抗匹配
• 辐射效率
• 共模电流
• 回流路径
• 极化方向

天线中的波长

天线设计中：

波长极其关键。

其关系为：

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其中：

• $\lambda$ 为波长
• $c$ 为光速
• $f$ 为频率

频率越高：

波长越短。

天线中的谐振

多数天线：

基于：

谐振原理

工作。

典型长度包括：

结构	典型长度
半波天线	$\frac{\lambda }{2}$
四分之一波长天线	$\frac{\lambda }{4}$
微带Patch	接近 $\frac{\lambda }{2}$

常见天线类型

典型天线包括：

类型	特点
单极天线	结构简单
偶极天线	最经典结构
PCB天线	成本低
Patch天线	定向性强
Chip天线	小型化
螺旋天线	宽带

天线中的阻抗匹配

RF 系统中：

天线通常需要匹配：

$50\Omega$

若：

阻抗失配，

会导致：

• 反射
• 驻波
• 发射功率下降
• 接收灵敏度恶化

VSWR

VSWR（Voltage Standing Wave Ratio）

即：

驻波比

用于衡量：

• 匹配程度

理想情况下：

$VSWR=1$

越接近1：

说明匹配越好。

回波损耗

天线中：

通常使用：

• Return Loss
• S11

衡量匹配。

其中：

S11 越小：

匹配越好。

天线效率

天线效率主要表示：

输入功率中，
真正辐射出去的比例

影响因素包括：

• 匹配
• 导体损耗
• 介质损耗
• 地平面
• 共模电流

天线中的地平面

很多天线：

实际上需要：

• 地平面

作为：

回流路径。

因此：

PCB中的：

• GND尺寸
• 回流连续性

会直接影响：

天线性能。

天线中的共模问题

很多 RF EMC 问题：

本质属于：

共模天线问题

尤其：

• USB线
• HDMI线
• 电源线
• 外壳

容易形成：

非预期天线。

从而导致：

• RE超标
• 杂散超标

天线中的极化

天线通常具有：

• 垂直极化
• 水平极化
• 圆极化

极化不一致：

会导致：

• 接收效率下降

天线中的方向图

天线通常具有：

方向性

其辐射分布称为：

• Radiation Pattern

典型包括：

• 全向
• 定向

天线中的增益

天线增益通常以：

• dBi

表示。

其本质包括：

空间方向上的能量集中能力

增益越高：

方向性通常越强。

天线中的EMC问题

天线系统：

通常也是：

EMC 最敏感区域之一。

典型问题包括：

• 杂散辐射
• 共模电流
• 地噪声
• 数字干扰
• DC/DC噪声

PCB天线中的关键问题

PCB天线中：

以下因素极其关键：

1. 地平面尺寸
2. 回流路径
3. Keep Out区域
4. 金属距离
5. 电池位置
6. 外壳结构

其中：

回流路径：

通常决定最终性能。

天线中的典型问题

问题	原因
发射距离短	匹配差
RE超标	共模辐射
杂散超标	回流异常
灵敏度差	地噪声
调试不稳定	外壳耦合

医疗设备中的天线

医疗设备中：

无线系统越来越广泛。

典型包括：

• Bluetooth
• Wi-Fi
• 医疗IoT
• 无线监护

由于：

医疗系统：

• EMC要求高
• 安全要求高

因此：

天线设计通常更加复杂。

高频EMC特点

随着：

• 5G
• Wi-Fi 7
• 毫米波
• AI设备

发展，

天线问题越来越呈现：

• GHz化
• 小型化
• 共模化
• 系统化

特点。

工程重点

天线本质属于：

高频电磁能量辐射与回流控制结构

很多天线问题：

并非：

“天线本身不好”。

而是：

• 回流路径
• 共模结构
• 地平面
• 外壳结构
• 寄生参数

共同作用的结果。

参见

• RF
• Bluetooth
• Wi-Fi
• RE
• CE
• 信号完整性
• FCC Part 15