天线怎么选：PCB、陶瓷、FPC与外置天线全解析
从工作原理到选型流程，一篇讲清四大类天线
原理 · 结构 · 布局要点 · 对比 · 选型流程 · 案例
天线设计系列 · 第 2 篇
写在前面 上一篇我们把天线的关键参数讲清楚了：谐振、匹配、带宽、效率、增益、方向图、极化。 但到了真正做产品的时候，第一个要回答的问题往往是：这个产品到底该用哪种天线？ PCB 板载天线不要钱，陶瓷天线小巧，FPC 天线灵活，外置天线性能好，各有各的道理。选错了，后面无论怎么调匹配都很难救回来。 这一篇从每类天线的工作原理讲起，说清楚它们为什么长成这样、优势和代价分别是什么，最后给出一套实用的选型流程和三个产品案例。 |
本文导读
章节 | 内容 |
一 | 选天线之前，先回答五个问题 |
二 | PCB 板载天线：从单极子到倒 F |
三 | 陶瓷天线：用高介电常数换尺寸 |
四 | FPC 天线：把天线“搬”到最合适的位置 |
五 | 外置天线：性能最好的方案 |
六 | LDS 与金属结构件天线 |
七 | 横向对比 |
八 | 选型流程与三个产品案例 |
九 | 常见误区与课后练习 |
图 1 小型设备常用天线的分类
一、选天线之前，先回答五个问题
很多人选天线是从“别人用什么”开始的。其实更可靠的做法是先把约束条件列清楚，答案往往自然就出来了：
1.工作在什么频段？需要多宽的带宽？ 频率越低，天线越大。同样的空间，2.4 GHz 能轻松做，920 MHz 可能就很勉强（上一篇讲过的 Chu 极限）。多频段、宽频段产品的选择范围会更窄。
2.留给天线多大的空间？ 不只是天线本体的尺寸，还包括净空区和地平面的大小。
3.外壳是什么材料？ 金属外壳几乎直接排除了普通的内置天线，必须开窗、用缝隙，或者用外置天线。
4.成本和产量是多少？ 产量几百万台的消费电子，每颗几毛钱都很重要；工业设备则更看重稳定可靠。
5.通信距离和可靠性的要求有多高？ 这决定了需要多少效率和增益，也决定了能不能接受某些方向上的性能下降。
另外两个容易被忽略的因素：认证（换天线可能要重新认证，后面的认证篇会详细讲）和量产一致性（天线越依赖整机环境，量产时的波动越大）。
二、PCB 板载天线：从单极子到倒 F
PCB 板载天线就是直接用电路板上的铜箔走线做成的天线。它几乎没有物料成本，所以在 Wi-Fi 模块、蓝牙模组、各类 IoT 设备上非常普遍。
2.1 倒 F 天线是怎么“演化”出来的
板载天线里最常见的是倒 F 天线（IFA，Inverted-F Antenna）。理解它最好的方式，是看它是怎样从单极子一步步改出来的：
图 2 从单极子到倒 F 天线的演化
第一步：单极子。 上一篇讲过，四分之一波长单极子垂直立在地平面上，性能很好。但 2.45 GHz 的 λ/4 约 30 mm，在小设备里根本竖不起来。
第二步：弯折成倒 L（ILA）。 把单极子在根部弯折 90°，让大部分长度平行于地平面，高度一下子降下来了。但代价很明显：水平段和地平面靠得很近，地平面上会感应出方向相反的镜像电流，两者的辐射在远处相互抵消一部分，结果是辐射电阻变得很小（可能只有十几欧姆甚至更低），同时水平段和地之间形成一个电容，天线呈容性。直接接 50 Ω 很难匹配。
第三步：加一根短路臂，变成倒 F。 在馈点旁边加一根接地的短路线，这根短路线相当于给天线并联了一个电感，正好可以抵消前面的容性。更巧妙的是，馈点到短路点的距离 S 可以用来调节输入电阻：馈点离短路点越近，输入阻抗越低；越远，输入阻抗越高。这样只靠调整几何尺寸，就能把天线调到接近 50 Ω。
如果把倒 F 的细线辐射体换成一块平行于地的金属片，就是平面倒 F 天线（PIFA），它曾经是功能机时代手机内置天线的主流。
2.2 关键尺寸的估算
倒 F 天线的谐振长度可以用下面的经验公式做初值：
L + H ≈ λ_g / 4 = λ₀ / (4√ε_eff)
其中 ε_eff 是有效介电常数。印制在板边的天线，一部分电场在 FR-4 板材里，一部分在空气里，ε_eff 可以粗略取 (ε_r + 1) / 2。
例题 1：估算 2.45 GHz 板载 IFA 的长度 自由空间 λ₀ = 300 / 2450 ≈ 122.4 mm，λ₀/4 ≈ 30.6 mm。 FR-4 的 ε_r ≈ 4.4，板边天线 ε_eff ≈ (4.4 + 1) / 2 = 2.7。 L + H ≈ 30.6 / √2.7 ≈ 18.6 mm 这只是初值。实际长度还会受到地平面大小、净空区、外壳的影响，通常要在打样后再微调，所以设计时最好在末端预留可以修剪的长度。 |
2.3 蛇形走线与其他形式
如果板边连 18 mm 的直线长度都留不出来，可以把天线弯折成蛇形（Meander），在更短的空间里塞进足够的电长度。代价是相邻的弯折段电流方向相反，会互相抵消一部分辐射，所以蛇形越密，效率和带宽越差。很多 Wi-Fi 模组板边那段弯弯曲曲的铜箔，就是蛇形倒 F 天线。
图 3 板载蛇形 IFA（左）与陶瓷贴片天线（右）的典型布局
2.4 板载天线的优点与代价
●优点：零物料成本；不需要组装工序；只要板厂工艺稳定，天线尺寸的一致性很好。
●代价一：占板面积。 天线下方及周围所有层都不能铺铜，这块“空地”在寸土寸金的小板子上非常贵。
●代价二：和整机强耦合。 地平面就是天线的一部分，板子的形状、电池、屏幕、外壳都会影响它。改一次板就可能要重新调天线。
●代价三：设计门槛高。 尺寸需要仿真加打样反复迭代，不像陶瓷天线有现成的参考设计。
工程提示 做板载天线时，强烈建议参考芯片厂商或模组厂商公开的参考设计，连天线形状、净空区、地平面尺寸一起照抄，再根据自己的外壳微调。这比从零开始设计稳妥得多。 |
三、陶瓷天线：用高介电常数换尺寸
3.1 为什么陶瓷能让天线变小
上一篇讲过，电磁波在介质中的波长会缩短为 λ₀ / √ε。陶瓷材料的介电常数可以做到 10 到几十，把辐射体做在陶瓷上，或者埋在陶瓷里面，同样的电长度所需的物理尺寸就大幅缩小。
图 4 介电常数越高，同样谐振频率下天线越短
所以 2.4 GHz 的陶瓷贴片天线可以只有几毫米长，像一颗普通的贴片元件一样用贴片机焊到板上。
3.2 天下没有免费的午餐
但物理规律依然有效：
●带宽变窄：能量更多地被“关”在高介电常数的陶瓷里，天线的 Q 值升高，带宽变窄。
●效率下降：天线越小，辐射电阻越小，介质损耗所占的比例就越大。
●其实是地平面在辐射：这是理解陶瓷天线最重要的一点。几毫米的陶瓷体本身辐射能力很有限，它更像一个“激励器”，把电流激励到 PCB 地平面上，真正的辐射很大程度上来自地平面。所以陶瓷天线对地平面尺寸和净空区非常敏感。
3.3 用好陶瓷天线的关键
1.严格参考数据手册的评估板：数据手册里的增益、效率，都是在特定尺寸的评估板上测的。你的板子越接近这个尺寸和布局，结果越接近。
2.一定预留匹配网络：几乎所有陶瓷天线都需要匹配元件，而且通常也是用匹配元件（或调整末端接地走线的长度）来微调谐振频率。
3.净空区不能省：陶瓷天线“小”的只是本体，净空区往往和本体差不多大甚至更大。
4.方向有讲究：天线一般放在板子的角落或边缘，长边沿着板边，具体按数据手册的要求摆放。
别把两种“陶瓷天线”搞混 陶瓷贴片天线（Chip Antenna）：几毫米长的小元件，线极化，常用于蓝牙、Wi-Fi。 陶瓷贴片天线（Ceramic Patch）：常见 18×18 mm、25×25 mm 的方形陶瓷块，上表面是金属贴片，通常是圆极化，主要用于 GPS 等卫星定位。它需要正面朝向天空，背面要有足够大的地平面。 两者名字相近，原理和用法完全不同。 |
四、FPC 天线：把天线“搬”到最合适的位置
4.1 结构
FPC 天线是用柔性电路板做的天线：在聚酰亚胺（PI）薄膜上做出铜箔辐射体，背面贴双面胶，通过一根细同轴线和 IPEX 小连接器接到主板。
图 5 FPC 天线的结构（左）与胶棒天线内部的套筒偶极子（右）
4.2 最大的优势：位置自由
FPC 天线最大的价值，是把天线和主板分开。它可以贴在外壳内壁上离主板最远、离金属最远、离用户的手最远的位置。当主板上实在留不出净空区，或者主板周围全是屏蔽罩和电池的时候，FPC 天线往往是最好的出路。
另外，很多 FPC 天线本身就是偶极子类结构，不依赖主板的地平面，所以性能受主板尺寸的影响较小，在不同产品之间也更容易复用。
4.3 需要注意的地方
●线缆损耗：细同轴线在 2.4 GHz 下每米的损耗可达数 dB，5 GHz 更大。线缆要尽量短，走线时也不要紧贴高速信号线和电源模块。
●连接器寿命：IPEX（U.FL）这类超小型连接器的额定插拔次数一般只有几十次，生产和维修时要注意，不能反复插拔。
●线缆本身也会辐射：同轴线外导体上如果有电流，线缆就会变成天线的一部分，线缆走线一变，性能就跟着变。所以量产时要固定线缆的走线路径。
●贴装位置一致性：手工贴装的位置偏差、外壳的公差都会带来频偏，要在结构上设计定位标记或限位。
●不能贴在金属或电池上：FPC 天线的背面不能直接贴金属，除非它本身就是为贴金属表面设计的特殊型号。
五、外置天线：性能最好的方案
5.1 胶棒天线里面是什么
路由器、工业网关上常见的“胶棒天线”，内部通常是一个套筒偶极子（Sleeve Dipole）：同轴线的内导体向上延伸约 λ/4 作为上臂，外面套一个约 λ/4 长、和同轴线外导体相连的金属套筒作为下臂。
这个套筒还有一个巧妙的作用：它和同轴线外导体之间形成一段 λ/4 的短路传输线，在套筒底部呈现高阻抗，阻止电流流到同轴线外表面上。这样天线的性能就不会受线缆和设备机壳的影响。这正是外置天线一致性好的根本原因。
5.2 外置天线的特点
●性能好：天线在设备外部，远离金属和噪声，效率通常最高；常见增益 2～5 dBi。
●一致性好：天线基本不受整机内部环境影响，换一个产品也能直接用。
●代价：成本高、影响外观、容易损坏，而且需要射频连接器和线缆。
更高增益的外置天线（比如 8 dBi 以上），通常是把多个偶极子沿竖直方向叠起来（共线阵）。它把能量压缩到水平面附近，水平方向传得更远，但垂直方向的覆盖会变差。挂在天花板上的设备，用高增益天线反而可能让楼下的信号变差。
5.3 常见射频连接器
连接器 | 特点 | 典型用途 |
IPEX / U.FL（MHF） | 极小，插拔次数少（数十次） | 板内连接 FPC 天线、模组 |
SMA | 螺纹锁紧，可靠，插拔次数多 | 测试、工业设备外置天线 |
RP-SMA | 反极性 SMA，内外针脚性别对调 | 路由器等消费类外置天线 |
N 型 | 体积大，功率容量大，防水性好 | 室外基站、大功率设备 |
之所以会出现 RP-SMA 这种“反着来”的接头，和一些地区的法规有关：法规要求设备不能被用户随便换成未经认证的高增益天线，厂商就用非标准接头来增加更换的难度。这一点在认证篇里还会详细展开。
另外，GPS 等卫星定位常用有源天线：天线里集成了低噪声放大器（LNA），由主机通过同轴线供电。有源天线可以弥补长线缆的损耗，但要注意供电电压和电流是否匹配。
六、LDS 与金属结构件天线
6.1 LDS 天线
LDS（激光直接成型） 是在含有特殊添加剂的塑料件上，用激光“画”出天线的图形，再通过化学镀让这些区域长出铜、镍等金属层。它的最大优点是可以把天线直接做在三维曲面的塑料件上，充分利用外壳内部的空间。智能手机、TWS 耳机、智能手表里大量使用 LDS 天线。代价是材料和工艺成本较高，开模周期长。
此外还有支架天线：把冲压成型的金属片或 FPC 固定在塑料支架上，是 LDS 的一种低成本替代方案。
6.2 金属结构件就是天线
全金属外壳的手机怎么做天线？答案是让金属外壳本身成为天线。手机金属边框上那几条细细的“断缝”，就是把边框切成几段，每一段配合匹配电路和开关，分别作为不同频段的天线。这种设计需要结构、射频、工业设计团队深度协同，属于难度最高的天线设计之一。
对于普通的 IoT 产品，如果外壳是金属，比较实用的办法是：在外壳上开一个非金属窗口（塑料或玻璃），把 FPC 天线贴在窗口后面；或者在金属上开一条缝隙，做成缝隙天线。
七、横向对比
图 6 四类天线的经验性对比
图 7 装进整机后，各类天线总效率的大致范围
对比项 | PCB 板载 | 陶瓷贴片 | FPC | 外置胶棒 |
物料成本 | 几乎为零 | 低 | 中 | 高 |
尺寸 | 需要较大净空区 | 本体最小 | 取决于外壳 | 最大 |
典型效率 | 中 | 中偏低 | 中偏高 | 高 |
对整机环境的敏感度 | 高 | 高 | 中 | 低 |
量产一致性 | 好（受板厂工艺控制） | 中 | 中（受贴装影响） | 最好 |
设计难度 | 高 | 中 | 低 | 最低 |
适合场景 | 大批量、成本敏感 | 板子很小、调试周期短 | 主板没有空间、外壳复杂 | 性能优先、金属机箱 |
关于天线厂家给出的参数 天线规格书里的增益、效率，一般是在标准评估板或理想条件下测得的。装进你的产品后，效率下降一半是很常见的事。选型时不要只比较规格书的数字，最终一定要以整机实测为准。 |
八、选型流程与三个产品案例
把第一节的五个问题按“约束从强到弱”的顺序排列，就得到一个简单的选型流程：
图 8 天线选型的简易决策流程
这个流程只是一个起点。真实项目中经常会出现多种方案并行评估的情况，比如同时打样 PCB 天线和陶瓷天线两个版本，用实测数据来做决定。
案例 1：BLE 温湿度传感器 条件：纽扣电池供电，主板约 40 × 25 mm，塑料外壳，年产量几十万台，成本非常敏感。 分析：塑料外壳、2.4 GHz、成本敏感，第一选择是 PCB 板载 IFA。在板子一端留出约 8 mm 宽的净空区，参考芯片厂家的参考设计。 风险点：纽扣电池是金属，不能放在天线正下方或紧邻天线；如果板子再小一圈，留不出净空区，就改用陶瓷天线。 |
案例 2：智能门锁 条件：前面板以金属为主，有 Wi-Fi 和 BLE；锁体安装在金属防盗门上。 分析：金属面板和金属门构成了非常恶劣的天线环境。常见方案是把 FPC 天线贴在面板上的非金属区域（比如指纹区、显示窗或塑料装饰件后面），并确保天线朝向室内或室外的开阔方向，而不是朝向门体。 风险点：金属门是一块巨大的反射面，同一款锁装在木门和金属门上，性能可能差别很大，测试时两种场景都要覆盖。 |
案例 3：工业 4G 网关 条件：金属机箱，安装在配电柜里，对可靠性要求高，产量较小。 分析：金属机箱加金属配电柜，内置天线基本不可行。选择 SMA 接口的外置胶棒天线，必要时配合吸盘天线和延长线，把天线引到柜体外面。 风险点：延长线越长损耗越大；多根天线（如 4G 主分集、Wi-Fi）之间要拉开距离，保证隔离度。 |
九、常见误区
1.“陶瓷天线很小，所以不需要净空区。” 错。陶瓷天线依赖地平面辐射，净空区不足时性能会严重下降。
2.“规格书上效率 70%，装上去也应该差不多。” 错。规格书数据来自评估板，整机效率往往低得多。
3.“外置天线增益越高越好。” 不一定。高增益意味着波束更扁，垂直方向覆盖变差，还可能让 EIRP 超出法规限值。
4.“FPC 天线贴在哪里都行。” 错。贴在金属、电池或者 LCD 背面，性能会大打折扣。
5.“天线是最后再考虑的事。” 这是最致命的误区。天线的位置和空间必须在结构设计初期就确定下来，等外壳开模后再想办法，往往只剩下妥协。
十、一张表总结
天线类型 | 核心原理 | 一句话建议 |
PCB 板载 IFA | 弯折单极子 + 短路臂调匹配 | 成本最低，照抄参考设计，留足净空区 |
陶瓷贴片 | 高介电常数缩短尺寸，靠地平面辐射 | 严格按评估板布局，一定要预留匹配 |
FPC | 柔性基材，经同轴线连接 | 位置最自由，注意线缆和贴装一致性 |
外置胶棒 | 套筒偶极子，套筒扼流 | 性能和一致性最好，代价是成本和外观 |
LDS / 金属结构件 | 天线与结构件一体化 | 空间利用率最高，需要多团队协同 |
课后小练习
1.5.8 GHz 的板载 IFA，做在 FR-4 板边（ε_eff 取 2.7），L + H 的初始值大约是多少？
2.一副 FPC 天线通过 15 cm 长的同轴线连到主板，假设线缆在工作频率的损耗为 3 dB/m，线缆损耗是多少 dB？相当于损失了多少功率？
3.一款陶瓷天线规格书标称效率 70%，装进产品后只测到 35%，请列出至少三个可能的原因。
4.一个吸顶安装的无线接入点，需要覆盖它正下方的区域。把 2 dBi 的天线换成 8 dBi 的共线阵天线，效果一定会更好吗？为什么？
参考答案 1. λ₀ = 300 / 5800 ≈ 51.7 mm，λ₀/4 ≈ 12.9 mm，除以 √2.7 ≈ 1.64，得 约 7.9 mm。 2. 0.15 m × 3 dB/m = 0.45 dB，10^(-0.045) ≈ 0.90，相当于损失了约 10% 的功率。 3. 地平面尺寸和评估板不同；净空区不足；附近有金属、电池、屏幕；外壳导致频偏而匹配没有重新调整；匹配元件损耗大；线缆或噪声耦合等。 4. 不一定。高增益天线把能量集中到水平方向，正下方恰恰可能落在方向图的弱区或零点，覆盖反而变差；同时还要确认 EIRP 不超过法规限值。 |
写在最后
选天线没有标准答案，只有在约束条件下的最优解。理解了每类天线“为什么长成这样”，就能看清它的优势从哪里来、代价又在哪里，选型时心里自然就有数了。
还要再强调一次：天线的空间要在结构设计的第一天就留出来。 这是无数项目用教训换来的经验。
下期预告： 板载天线和陶瓷天线都离不开地平面和净空区。下一篇我们专门聊聊：地平面为什么也会辐射？净空区到底要留多大？天线放在板子的哪个位置最好？馈线怎么走？
