01 陶瓷天线基本介绍

天线是一种变换器,是无线电设备中用于发射和接收电磁波的组件,主要把传输线上传播的导行波变成在无界媒介(自由空间)上传播的电磁波,或进行相反变换。按照材料的不同,天线可以分为金属天线、PCB天线、复合材料天线、陶瓷天线等。

天线能量转换原理图

陶瓷天线是一种采用低损耗、高介电常数(εᵣ)的陶瓷材料(氧化铝、氮化铝陶瓷基板等)作为介质基板的天线,具有小型化、高性能和高可靠性等特点;主要分为块状陶瓷天线、多层陶瓷天线和表面贴装陶瓷贴片天线等。陶瓷天线重量轻,读取距离较近(约为200米以内),也被称为近距离天线;其频率范围一般在902MHz~到928MHz之间。

块状陶瓷天线是使用高温将整块陶瓷一次烧结后再将金属部分印刷在陶瓷表面;多层陶瓷天线则是采用低温共烧的方式,将各层陶瓷介质各自印刷后再叠压、烧结。陶瓷本身的介电常数比PCB电路板高,可以缩短电磁波波长,在小尺寸内即可实现有效电磁波辐射,因此陶瓷天线能有效缩小天线尺寸,达到隐藏天线的目的。

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02 陶瓷天线的原理及其特点

文章开头提到了天线实际上是一种基于电磁场理论的能量转换器,将导线中传播的高频电流(导行波)转化成自由空间中传播的电磁波,或反向转化;本质上是磁场和电场之间相互转化。

根据介质传播电磁波波长公式

陶瓷天线主要是利用高介电常数εᵣ通常在20-90之间空气εᵣ≈1)的陶瓷材料来缩短电磁波波长从而可以实现有效电磁波辐射接收同时缩小天线体积适合小型设备

陶瓷本体作为载体压缩电磁场介质,通过陶瓷基体内部表层金属化导体图案(倒F形、螺旋形、贴片等)作为辐射单元当馈电网络中的高频信号通过辐射元时,会产生电磁波并向周围空间辐射陶瓷基体具有高介电常数电磁场紧密束缚陶瓷体内部表面很小体积实现强烈谐振实现有效能量交换因此结构设计和尺寸优化是实现其高性能的关键,通过合理设计辐射元的形状、数量和排列方式,调整馈电网络的结构,可以实现陶瓷天线在特定频段的优良化性能。

发射时,射频信号通过馈点输入,激励陶瓷天线上的导体产生交变电流,电流产生交变电磁场,电磁场通过陶瓷介质耦合到自由空间,形成辐射的电磁波。接收空间电磁波导体感应出交变电流转化成射频信号输出

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陶瓷天线的特点

 极致小型化:高介质常数的陶瓷天线尺寸为传统金属天线的1/6,适合消费电子小型化空间场景,例如智能手表、耳机等微型设备中;

 高稳定性、可靠性:陶瓷材料耐腐蚀、耐高温、抗老化,温度系数稳定,能够在-40℃至85℃甚至更宽的温度范围内工作

 高增益、高效率,方向性好,抗干扰强;

 易于集成,自带屏蔽,可采用SMT工艺直接贴装,陶瓷外壳本身能提供一定的电磁屏蔽

 带宽相对较窄,多频段覆盖设计难度高;陶瓷加工成本比其他金属或PCB天线高。

TDLTCC陶瓷天线

03 陶瓷天线基本结构和重要指标参数

陶瓷天线基本结构组成:

 陶瓷介质层:是天线电磁环境的载体,采用低损耗、高介电常数的陶瓷材料,如氧化铝、氮化铝陶瓷基板能够缩短电磁波波长实现天线小型化

 金属贴片/辐射体天线的信号出口通过金属导电图案电信号变成电磁波辐射出去一般采用刻蚀印刷电镀工艺

 馈电网络连接天线设备射频电路桥梁负责传输高频信号馈电网络设计影响天线阻抗匹配效率

 接地位于介质基板底部为天线提供参考电位影响天线辐射方向带宽

单层陶瓷天线结构简单较为常见用于蓝牙Wi-FiGPS场景主要包括保护层/封装层、金属辐射贴片、陶瓷介质基板接地外部电极/焊盘等。多层陶瓷天线主要采用LTCC/HTCC技术生瓷带导体图形垂直集成形成复杂三维结构主要包括生瓷带、通孔垂直互联精密叠层对准、共烧成型一体化结构、外部电极

重要参数指标包括:

(1)增益(Gain):指天线在特定方向上集中信号能量的能力,天线在最大辐射方向的辐射强度与理想点源天线的比值,单位dBi影响信号接收的质量。

(2)驻波比(VSWR):又称电压驻波比,指传输线波腹电压与波谷电压幅度之比,表征阻抗匹配程度,理想值为1,通常要求<2。数值越接近1,天线匹配越好,信号能量辐射越多,反射损耗越小。

(3)噪声系数(Noise figure):衡量天线系统及接收机引入噪声多少的指标,输入端信噪比(SNR)与输出端信噪比的比值,通常以分贝(dB)表示,NF值越低代表接收性能越好。

(4)轴比(Axial ratio):衡量圆极化纯度的指标,轴比越接近1(0dB),表明圆极化能力越好,信号接收越稳定,通常要求<3dB。

04 陶瓷天线的应用场景

 移动通信:智能手机(5G/GPS天线)、TWS耳机(陶瓷贴片天线)、智能手表、AR/VR设备的蓝牙/Wi-Fi连接

 物联网:各类传感器、智能家居设备(如智能灯泡、插座)通过陶瓷贴片天线接收信号实现远程控制;

 卫星通信:低轨星座终端设备接收卫星信号、高精度GNSS导航和定位系统、卫星物联网IoT连接;

 车载通信:车载导航、T-Box、V2X通信、自动驾驶传感器系统,胎压监测

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拟定议题

陶瓷天线产业论坛

2026827 10:00-12:00

序号

拟定议题

拟邀嘉宾

1

陶瓷天线高频化与宽带化技术路径

陶瓷天线企业

2

高性能微波介质材料研究及其在陶瓷天线中的应用

微波介质材料/陶瓷天线企业

3

LTCC陶瓷天线工艺优化与结构创新

陶瓷天线/LTCC企业

4

新能源汽车与车载通信对陶瓷天线的需求分析

陶瓷天线企业

5

物联网设备小型化驱动下陶瓷天线创新性发展

陶瓷天线企业

6

3D打印与增材制造在陶瓷天线中的应用

陶瓷天线/陶瓷3D打印企业

7

高熵超高温陶瓷材料在航空航天通信中的应用

高校/陶瓷天线企业

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5G/6G通信射频基站对陶瓷天线的发展需求

陶瓷天线企业

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GNSS陶瓷天线分析

陶瓷天线企业

10

陶瓷天线智能化与自适应技术发展现状

陶瓷天线企业

11

AiP(封装天线)技术发展

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12

陶瓷天线在卫星互联网与低轨星座中的应用机遇

高校/陶瓷天线企业

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作者 ab, 808