从零开始:天线原理与选型指南

作者:阿白叔 发布时间: 2025-08-25 阅读量:17 评论数:0

天线工作原理

天线的核心功能是将高频电流(电信号)转换为电磁波并辐射到空间,或从空间接收电磁波并将其转换为电信号。

可以把天线看成是四端网络,学过微波工程的就可以根据该网络模型进行分析了。

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我们初中就学过,电场能够感应出磁场,以及电流周围会产生电磁场。

电流在天线导体中流动时,会在周围产生变化的电场和磁场。根据麦克斯韦电磁理论,变化的电场和磁场相互激发,形成电磁波。

当平行双导线距离比较近时,如下图所示,导线上的电流流向相反,所产生的感应电动势几乎可以互相抵消,电磁场被束缚在平行双导线附近,难以向空间中传播。

当平行双导线的夹角开始张开,如下图所示,双导线上开始出现部分相同方向的电流,所产生的感应电动势也有部分开始增强,因此电磁场的辐射能力开始增强。

辐射出去后的传播演示如下图。

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所以当你对某个导体施加交变电场的时候,它的周围都会产生电磁场。当我们想要把它当作天线来用的时候,就是要增强他对外辐射电磁场的能力。而当我们在设计高频电路的时候,为了避免EMC问题的出现,就要减少天线效应。

当我们了解了天线的基本工作原理以后,我们常常会有个疑问,天线的参数有什么是需要我们关注的?如何衡量一个天线的好坏?

首先,我先解释一下,天线有哪些重要的参数。

天线关键参数

首先我以寒武纪的 OA-C1为例:

可以看出常见的参数有:频率范围、增益、天线材质、天线接头、驻波比VSWR、阻抗、极化方式、方向性、物理尺寸、最大功率 等等。

想要该贴片型天线的Datasheet 可以点击OA-C1天线规格书.pdf | 阿白叔的个人网盘下载

看到琳琅满目的参数,我们也许有点无从下手了。接下来我来step by step 选出我们想要的天线吧!

以我先前做过的项目中有个Lora模块为例!(不知道Lora的可以网上检索一下,它的主要工作频率在433Mhz)

  1. 首选是选择天线的频率范围(天线频段),我们通过搜索资料发现,在中国Lora的主要工作频段在470-510MHz,中心频率是486Mhz。那么我们选择天线就要找到工作频段涵盖了这些的。

  1. 如果一个天线的尺寸不合适,那我们在做一款设备的时候,它将会变得很臃肿。所以第二步就该选择好天线的大小和尺寸。然而由于天线的各项参数大多是由它的物理性质决定的,包括材料,间隙什么的。

所以我们需要在它的各项指标里面做取舍!前提是,如果事先定好了外壳,一定不能做到干涉!

  1. 方向性,就是你想选择一个定向天线还是全向天线;定向天线就是在一个方向上增益很轻,另外一个方向上增益很柔,全向天线者是“任何方向”上都有差不多的增益。

  1. 增益,撇开天线的尺寸来看,我们最关心的其实就是一根天线的增益,增益就决定了它对某个频率的感应效果怎么样。而增益通常都是和别的参数一起看的。上一步刚讲完方向性,于是我们这边引入波瓣图来描述方向性与增益的关系。

如何学会看波瓣图可以点击参考资料【1】 ,这篇写得很直观,就不重复讲解了。

  1. 天线的材质和接口类型,这个其实没啥好说的,其实在前面确定尺寸的时候就应该把这些定好了。

常见的接口类型由SMA IPEX等等。

  1. 驻波比VSWR,定义为驻波波腹电压与波谷电压幅度之比,其实可以看做就是天线端口的反射大小问题,驻波比等于1时,表示馈线和天线的阻抗完全匹配,此时高频能量全部进入天线被转换辐射出去,没有能量的反射损耗;驻波比为无穷大时,表示全反射,能量完全没有辐射出去;一般天线要求在保证天线其他特性的情况下,VSWR≤2(S11≤-10dB)为判定条件,VSWR=2,此时约反射了10%的能量,90%的能量进入了天线。

  1. 阻抗,天线端口的阻抗是一个复数(R+jX),一般我们说天线端口的阻抗都是50Ω,理想情况下虚部为0,但是实际上频段范围内不可能全部为0,所以必然存在反射;

  2. 极化方式,天线按照极化方式分类可以参照下面的思维导图。

通过上面这几步,基本就可以确定下来天线选择那几款了,可以选几款用作备选,在后续调试的时候可以对比。

天线作为电磁波与电信号之间的桥梁,其设计与选型直接影响通信系统的性能。从电流激发电磁场的基本原理,到驻波比、增益等参数的权衡,每一步都蕴含着对通信性能的极致追求。希望本文能为初学者提供清晰的入门路径,也能为从业者在项目实战中提供参考。无论是调试Lora模块时的频段匹配,还是面对复杂EMC问题时的优化思路,天线始终是连接人与世界的“桥梁”。愿每一位探索者都能在理论与实践的碰撞中,找到属于自己的答案——毕竟,真正的技术之美,永远诞生于对未知的追问与突破之中。

拓展

当我们按照上面的步骤兴高采烈的选型好,一装到我们的板子上发现!诶!效果其实不咋地。其实这就是理论与实践的区别了,后续我会找“寒武纪”寻求实战的帮助。从他们的案例中一步步带你学会天线匹配。

天线的匹配虽未在本章展开,却是影响系统性能的关键环节。从阻抗匹配到传输线设计,每一个细节都可能决定信号是否能高效辐射或接收。正如VSWR指标所揭示的,匹配不良会导致能量反射与损耗,进而削弱通信距离或引发干扰。若想深入了解天线匹配的原理与实践(如Smith圆图分析、调谐技巧等),建议结合具体项目需求进一步探索。这既是理论的延伸,也是工程实践中不可或缺的进阶课题——毕竟,再优秀的天线,若无法与系统无缝衔接,也难以发挥其真正潜力。

参考资料

技术干货:通信天线所有原理一次性讲透!电磁波传播,无线电原理 - 知乎

科普 | 玩无线电必须要了解的12种天线,这篇文章讲全了! - 知乎

看完这篇天线科普,你离通信大佬又近了一大大大步! - 知乎

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波瓣宽度 - WLAN天线快速入门 - 华为【1】

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