WiFi基礎(chǔ)(六)：天線基礎(chǔ)知識(shí)

liwen01 2024.10.01

前言

麥克斯韋預(yù)言了電磁波的存在，赫茲通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)了麥克斯韋的預(yù)言，馬可尼基于無線電磁波的原理發(fā)明了無線電報(bào)系統(tǒng)，從此人類進(jìn)入無線通信系統(tǒng)時(shí)代。

天線是通信系統(tǒng)中必不可少的組成部分，它的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為電磁波信號(hào)發(fā)射出去，也可以將接收到的電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

在 WiFi 應(yīng)用中，WiFi 天線與 WiFi 性能關(guān)系密切，包括但不限于天線的方向、極化、增益、工作頻率范圍等參數(shù)。

(一) 中學(xué)物理基礎(chǔ)

要理解天線的工作原理，需要復(fù)習(xí)一下中學(xué)物理基礎(chǔ)知識(shí)，這里只做概述，不做詳細(xì)介紹。其中部分基礎(chǔ)知識(shí)可以參考第一篇文章內(nèi)容《 wifi基礎(chǔ)(一)：無線電波與WIFI信號(hào)干擾、衰減 》

(1) 麥克斯韋方程

詹姆斯·克拉克·麥克斯韋 提出了將電、磁、光統(tǒng)歸為電磁場(chǎng)現(xiàn)象的麥克斯韋方程組，實(shí)現(xiàn)了物理學(xué)自牛頓后的第二次統(tǒng)一。

麥克斯韋方程組的微分表達(dá)式為：

可以簡(jiǎn)單概述為：

• 高斯定律(電場(chǎng)) ：描述電場(chǎng)與電荷之間的關(guān)系，表明電荷是電場(chǎng)的源頭，電場(chǎng)從正電荷發(fā)散，朝向負(fù)電荷收斂。

• 高斯定律(磁場(chǎng)) ：說明磁場(chǎng)沒有單極子(即不存在 孤立的 磁極)，磁場(chǎng)線是閉合的，即磁場(chǎng)的通量通過任意閉合曲面為零，南北磁極總是成對(duì)存在。

• 法拉第定律 ：描述變化的磁場(chǎng)如何產(chǎn)生電場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)會(huì)在周圍空間產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場(chǎng)，這就是電磁感應(yīng)現(xiàn)象。

• 安培-麥克斯韋定律 ：描述電流和變化的電場(chǎng)如何產(chǎn)生磁場(chǎng)。變化的電場(chǎng)會(huì)感應(yīng)出磁場(chǎng)，電磁波的傳播是依靠這種變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)相互生成。

麥克斯韋在1864年發(fā)表的論文《電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論》中提出電場(chǎng)和磁場(chǎng)以波的形式以光速在空間中傳播，并提出光是引起同種介質(zhì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)中許多現(xiàn)象的電磁擾動(dòng)，同時(shí)在理論上預(yù)測(cè)了電磁波的存在。

(2) 赫茲試驗(yàn)

1886 年海因里�！�魯?shù)婪颉ず掌澯脤?shí)驗(yàn)證實(shí)了電磁波的存在，并測(cè)出了電磁波傳播的速度與光速相同，還進(jìn)一步觀察到電磁波具有聚焦、直進(jìn)性、反射、折射和偏振等性質(zhì)。

赫茲證明電磁波存在的試驗(yàn)，使用的裝置是火花間隙發(fā)射器。

(1) 電路元件介紹 ：

B ：電池或電源，提供電路所需的電能。

SW ：開關(guān)，用來控制電路的通斷，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)。

C ：電容器，用于存儲(chǔ)電能

T ：變壓器，使 S 兩端產(chǎn)生高電壓。

L : 變壓器上的線圈，與電容一起形成 LC 諧振電路

I ：斷續(xù)器(Interrupter)，周期性地?cái)嚅_和閉合電路，使電容器快速充放電，產(chǎn)生一連串的阻尼波。

S ：火花間隙，當(dāng)電容器充滿電后，電壓升高到足夠水平時(shí)，火花間隙處會(huì)產(chǎn)生火花放電，釋放電容器C的能量。

M ：接收器中的火花間隙，當(dāng)電磁波到達(dá)時(shí)，這里也會(huì)產(chǎn)生火花，證明電磁波的存在。

(2) 工作原理 ：

能量?jī)?chǔ)存 ：

當(dāng)開關(guān) SW 閉合時(shí)，電源 B 給電容器 C1 充電，在充電過程中，電流是變化的，變化的電流通過線圈 L1,產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)在線圈 L2 中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，為兩個(gè)電容 C 充電。

C1 電容器逐漸儲(chǔ)存能量，直到電路中沒有電流流動(dòng)，或者是 S 產(chǎn)生電離火花。

火花產(chǎn)生

當(dāng)電容器 C 的電壓升高到足夠高的水平時(shí)，在火花間隙 S 處因?yàn)楦邏簳?huì)把空氣電離，在電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生火花放電，釋放電容器 C 中儲(chǔ)存的能量。

火花放電時(shí)，產(chǎn)生了一個(gè)快速的電流變化(電流脈沖)，激發(fā)線圈 L 中的電流，并在周圍的空間中產(chǎn)生電磁波。

這里產(chǎn)生的放電火花，其原理與特斯拉線圈原理類似，都是通過高電壓電離空氣放電產(chǎn)生火花。

電磁波傳播 ：

由于電流的快速變化，根據(jù)麥克斯韋方程，變化的電流會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，而變化的磁場(chǎng)在線圈中會(huì)感應(yīng)出電場(chǎng)，這種變化的電磁場(chǎng)會(huì)以電磁波的形式在空間中傳播。

接收電磁波 ：

當(dāng)電磁波到達(dá)收器的環(huán)形天線 M 時(shí)，它在導(dǎo)線環(huán)中激發(fā)出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，使得導(dǎo)線環(huán)兩個(gè)小球之間也產(chǎn)生了火花，說明這個(gè)導(dǎo)線環(huán)接收到了電磁波。

火花隙發(fā)射器的一個(gè)基本限制是它們產(chǎn)生的是瞬態(tài)脈沖，稱為阻尼波，無法產(chǎn)生用于在現(xiàn)代無線電傳輸中的連續(xù)波 (比如廣播，無線電話信號(hào)等)。

(二) 偶極子天線

偶極子天線(Dipole Antenna)是最簡(jiǎn)單、最基礎(chǔ)的天線類型之一，也是現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的天線之一,它由兩個(gè)相同長(zhǎng)度的導(dǎo)體構(gòu)成。

• 在偶極子天線的金屬導(dǎo)體中，通過輸入交變電流，電流會(huì)隨著時(shí)間以正弦波的形式周期性變化
• 當(dāng)交變電流繼續(xù)在天線中流動(dòng)時(shí)，電流的方向反復(fù)改變，形成不斷變化的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。
• 這兩個(gè)場(chǎng)互相感應(yīng)：變化的電場(chǎng)產(chǎn)生磁場(chǎng)，變化的磁場(chǎng)又產(chǎn)生電場(chǎng)，形成了電磁波。

電磁波可以想象為電場(chǎng)和磁場(chǎng)的自傳播橫向振蕩波

• 若兩導(dǎo)線的距離很近，電場(chǎng)被束縛在兩導(dǎo)線之間，因而輻射很微弱
• 將兩導(dǎo)線張開，電場(chǎng)就散播在周圍空間，電磁波輻射增強(qiáng)。
• 在實(shí)際應(yīng)用中，偶極子天線會(huì)向所有方向發(fā)射電磁波，但發(fā)射的強(qiáng)度在不同方向上是不均勻的。

通常，天線的主要輻射方向與天線軸垂直，呈現(xiàn)出一種圓環(huán)形輻射模式。

偶極子天線中產(chǎn)生電磁波的這兩根導(dǎo)線叫 振子 。一般情況下，振子的大小在半個(gè)波長(zhǎng)的時(shí)候效果最好，所以也經(jīng)常被稱作 半波振子 。

有了振子，就可以發(fā)送連續(xù)的電磁波了。

(三) 天線的方向

天線的方向性是指天線向一定方向輻射電磁波的能力。對(duì)于接收天線而言，方向性表示天線對(duì)不同方向傳來的電磁波所具有的接收能力。

天線對(duì)空間不同方向具有不同的輻射或接收能力，這就是天線的方向性。

按天線的方向性可以將天線可以分為全向天線和定向天線兩大類。

(1) 全向天線

• 在水平面上，輻射與接收無最大方向的天線稱為全向天線。
• 全向天線由于其無方向性，所以多用在點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信的中心臺(tái)。
• 常用的 WiFi 天線都是全向天線

半波對(duì)稱振子天線的輻射方向

水平面(H面)

• 左邊的圓形圖表示的是從天線的頂部往下看的水平切面，即天線在水平方向上的輻射圖。
• 這個(gè)天線在水平方向上是全向輻射的(輻射范圍均勻)，類似于一個(gè)圓形的輻射圖，箭頭表明信號(hào)向四面八方均勻擴(kuò)展。
• 這意味著在水平方向上，信號(hào)強(qiáng)度是相等的

垂直面(E面)

• 右邊的圖是垂直面上的輻射方向圖，即從天線的側(cè)面看。天線的垂直輻射模式在垂直面上類似于一個(gè)“8”字形。
• 表明天線在垂直方向上不是全向的，而是有一定的方向性。信號(hào)強(qiáng)度在某些角度較強(qiáng)，而在其他角度(例如上下方向)較弱。
• 在振子的軸線方向上它的輻射為零

(2)定向天線

• 在水平面上，有一個(gè)或多個(gè)最大方向的天線稱為定向天線
• 定向天線由于具有最大輻射或接收方向，因此能量集中，適合于遠(yuǎn)距離通信
• 由于具有方向性，抗干擾能力比較強(qiáng)
• 常見的有平板天線(Panel Antenna)、拋物面天線(Parabolic Antenna)

使用拋物反射面，把功率反射到單側(cè)方向，能量集中到一個(gè)小立體角內(nèi)，反射從而獲得很高的增益。

(四) 天線的極化

天線的極化(Antenna Polarization)指的是天線輻射或接收電磁波的 電場(chǎng) 矢量的方向。

由于電場(chǎng)與磁場(chǎng)有恒定的關(guān)系，故一般都以 電場(chǎng)矢量 的方向作為天線輻射電磁波的極化方向，并且是以天線最大輻射方向上的電場(chǎng)矢量方向?yàn)樘炀�的極化方向。

天線極化主要有：線性極化、圓形極化和橢圓極化三大類：

(1) 線極化(Linear Polarization)

線極化是指電磁波的電場(chǎng)矢量沿一條直線振動(dòng)，根據(jù)方向可以進(jìn)一步分為：

• 垂直極化(Vertical Polarization) ：電場(chǎng)矢量在垂直方向上振動(dòng)。這種極化方式常用于地面通信、廣播和一些移動(dòng)通信應(yīng)用，因?yàn)樾盘?hào)傳播時(shí)更容易繞過障礙物。
• 水平極化(Horizontal Polarization) ：電場(chǎng)矢量在水平方向上振動(dòng)。它在某些特殊的環(huán)境中有更好的穿透性，比如遠(yuǎn)距離無線電通信。

線極化特點(diǎn)

• 線極化天線通常用于固定方向的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，因?yàn)樗�的電�?chǎng)方向是單一的
• 垂直和水平極化天線之間的匹配度非常重要，極化不匹配會(huì)導(dǎo)致信號(hào)損耗(稱為極化損耗)

(2) 圓極化(Circular Polarization)

圓極化是指電場(chǎng)矢量隨著時(shí)間呈螺旋形旋轉(zhuǎn)，電場(chǎng)的方向不斷變化，形成圓形振動(dòng)軌跡。圓極化分為兩種類型：

右旋圓極化(Right-Hand Circular Polarization, RHCP) ：電場(chǎng)矢量以順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。

左旋圓極化(Left-Hand Circular Polarization, LHCP) ：電場(chǎng)矢量以逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。

• 圓極化的優(yōu)勢(shì)在于它能夠適應(yīng)多徑傳播環(huán)境中的復(fù)雜反射，因?yàn)殡妶?chǎng)方向不斷變化，接收器能夠在不同的反射路徑上保持良好的信號(hào)接收。
• 圓極化天線廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、無人機(jī)控制、GPS等場(chǎng)景，特別適合移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)設(shè)備的通信。

(3) 橢圓極化(Elliptical Polarization)

橢圓極化是介于線極化和圓極化之間的一種極化類型。電場(chǎng)矢量以橢圓的軌跡旋轉(zhuǎn)，極化不完全是線性或圓形。這種極化通常出現(xiàn)在天線設(shè)計(jì)中的一些特殊應(yīng)用中

(4)雙極化天線(Dual-Polarized Antenna)

雙極化天線通過兩個(gè)獨(dú)立的輻射單元來傳輸和接收信號(hào)，每個(gè)單元具有不同的極化方向.

這兩個(gè)極化方向彼此正交，因此可以在同一頻率下發(fā)送和接收兩組不同的信號(hào)，極大地提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)男�率�?

這種正交極化的方式能夠在不干擾對(duì)方的情況下實(shí)現(xiàn)雙流信號(hào)傳輸

下圖是某款A(yù)P的內(nèi)置天線

雙極化天線的主要優(yōu)勢(shì)

提高頻譜效率 ：雙極化天線可以在同一個(gè)頻率上同時(shí)傳輸兩個(gè)獨(dú)立的信號(hào)流，從而實(shí)現(xiàn)雙倍的數(shù)據(jù)傳輸速率。這對(duì)于提高頻譜利用率尤其重要，特別是在蜂窩通信和無線局域 WiFi 網(wǎng)中。

增強(qiáng)信號(hào)質(zhì)量(MIMO 技術(shù)支持) ：雙極化天線可以支持MIMO(多輸入多輸出)技術(shù)，通過使用多個(gè)天線單元和極化方向，能夠更好地應(yīng)對(duì)信號(hào)的反射、衰減和多徑效應(yīng)，從而提升無線信號(hào)的覆蓋范圍和穩(wěn)定性。

降低相互干擾(Cross-Polarization Isolation) ：雙極化天線能夠減少相互干擾，因?yàn)樗�的兩個(gè)極化方向是正交的(90度相位差)。這種隔離減少了相鄰頻率段的干擾，尤其是在高密度的無線電環(huán)境中。

提升抗干擾能力 ：通過同時(shí)使用兩個(gè)正交極化信號(hào)，雙極化天線能夠更好地應(yīng)對(duì)環(huán)境中的干擾，特別是在復(fù)雜的多徑傳播環(huán)境中。極化不同的信號(hào)路徑會(huì)有不同的干擾行為，因此可以有效分離信號(hào)和噪聲。

增強(qiáng)空間多路復(fù)用(Spatial Multiplexing) ：在MIMO系統(tǒng)中，雙極化天線通過同時(shí)使用兩個(gè)正交極化方向，可以實(shí)現(xiàn)空間多路復(fù)用，從而進(jìn)一步增加數(shù)據(jù)傳輸速率。這在現(xiàn)代的無線通信系統(tǒng)中極為重要。

(5)極化匹配

天線之間的極化匹配對(duì)于信號(hào)傳輸?shù)男�率至關(guān)重要。如果發(fā)射天線和接收天線的極化不匹配(例如一個(gè)天線是垂直極化而另一個(gè)是水平極化)，會(huì)導(dǎo)致顯著的信號(hào)損耗，這種現(xiàn)象被稱為極化損耗。在極端情況下，極化不匹配的天線可能會(huì)完全無法接收信號(hào)。

同極化通信 ：發(fā)射天線和接收天線的極化相同，通信效率高，信號(hào)損耗小。

交叉極化損耗 ：發(fā)射和接收天線的極化不一致時(shí)，接收信號(hào)會(huì)顯著減弱，損耗增加s

(五) 天線的增益

天線通常是無源器件，它并不放大電磁信號(hào)。

天線增益并不表示天線實(shí)際 放大 了信號(hào)，而是表示天線能夠?qū)⑤斎氲墓β试谀硞�(gè)方向上更集中地輻射。更高的增益意味著天線在某個(gè)方向上輻射或接收的功率更強(qiáng)，但在其他方向上相應(yīng)的功率較弱。因此，天線增益越高，天線的方向性越強(qiáng)。

天線增益是用來衡量天線朝一個(gè)特定方向收發(fā)信號(hào)的能力，是選擇天線最重要的參數(shù)之一，與具體的天線型號(hào)相關(guān)。

(1)天線增益的單位

天線的增益單位有兩個(gè) dBi 和 dBd

(a)dBi(相對(duì)于各向同性天線的增益)

• dBi 是天線增益相對(duì)于 各向同性天線(Isotropic Antenna) 的增益。各向同性天線是一種理想的天線，它能夠在所有方向上均勻輻射能量，因此它的增益在所有方向都是相同的，且定義為 0 dBi
• 使用 dBi 作為增益單位時(shí)，它表示天線在特定方向上的輻射功率與同等條件下的各向同性天線相比多了多少分貝。
• dBi 是天線增益的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)單位，因此它被廣泛用于天線的規(guī)格說明中，尤其是在Wi-Fi路由器、無線電、衛(wèi)星通信等設(shè)備中。

(b) dBd (相對(duì)于偶極子天線的增益)

• dBd 是天線增益相對(duì)于 半波偶極子天線(Half-Wave Dipole Antenna)的增益。半波偶極子天線是一種常用的參考天線，其輻射能量相對(duì)于各向同性天線有更強(qiáng)的方向性，且在水平方向上具有更大的輻射能力。
• 半波偶極子天線的增益為 2.15 dBi，這意味著偶極子天線在水平方向上輻射的功率比各向同性天線高出 2.15 dB。因此，當(dāng)天線增益以 dBd 為單位時(shí)，表示的是天線與半波偶極子天線相比的增益。

由于半波偶極子天線的增益為 2.15 dBi，因此 dBi 和 dBd 之間的關(guān)系是： dBi=dBd+2.15

在多數(shù) WiFi 設(shè)備中，天線增益通常以 dBi 標(biāo)注，表明其相對(duì)于各向同性天線的輻射性能。常見的家用WiFi路由器天線增益在 2 dBi到 5 dBi之間。

(六) 波瓣寬度

天線的波瓣寬度一般指主瓣的半功率波瓣寬度(Half-Power Beamwidth，HPBW)。它表示主瓣內(nèi)兩個(gè)方向上信號(hào)強(qiáng)度下降到最大強(qiáng)度一半(-3 dB)時(shí)所形成的角度差，通常用角度度數(shù)(°)來表示。

波瓣(Lobe) ：天線輻射方向圖的每個(gè)凸起部分稱為波瓣。主波瓣是輻射最強(qiáng)的波瓣，側(cè)波瓣和背波瓣是相對(duì)較弱的波瓣。

半功率點(diǎn)(Half-Power Point) ：波瓣寬度定義為天線主瓣功率達(dá)到其最大功率的50%處的角度范圍，即從最大輻射方向減弱3 dB的功率點(diǎn)。

波瓣寬度(Beamwidth) ：波瓣寬度表示主波瓣從左側(cè)半功率點(diǎn)到右側(cè)半功率點(diǎn)之間的角度。這一角度通常定義為 -3 dB波瓣寬度

寬波瓣 ：全向天線通常具有較寬的波瓣寬度，輻射或接收的方向性較弱，適合覆蓋較大的區(qū)域，例如家庭WiFi路由器的全向天線。

窄波瓣 ：定向天線具有較窄的波瓣寬度，適合長(zhǎng)距離和高精度的通信場(chǎng)景，例如微波通信、衛(wèi)星通信和無線電傳輸?shù)取?

(1)波瓣寬度與天線增益的關(guān)系

天線的波瓣寬度與增益之間存在反比關(guān)系。通常情況下，天線的波瓣寬度越窄，天線的增益越高。這是因?yàn)檎�波瓣天線能將更多的能量集中在較小的角度范圍內(nèi)，從而提高在該方向上的信號(hào)強(qiáng)度

(2)波瓣寬度的測(cè)量方法

天線的波瓣寬度通常通過測(cè)量天線的 輻射方向圖(Radiation Pattern)得到。輻射方向圖是一個(gè)三維圖像，展示天線在不同方向上輻射功率的分布情況。

通過在不同方向上測(cè)量功率密度，找到主波瓣的半功率點(diǎn)，計(jì)算兩個(gè)半功率點(diǎn)之間的角度差，即波瓣寬度

結(jié)尾

天線是 WiFi 設(shè)備的一個(gè)重要組成部分，電波傳播與天線也是一門獨(dú)立的學(xué)科，涉及到的知識(shí)非常多。我并非通信專業(yè)人員、對(duì)天線知識(shí)僅知皮毛。

為了寫這個(gè) WiFi 系列介紹，其實(shí)很多知識(shí)點(diǎn)我也是現(xiàn)學(xué)的，雖然已盡全力，但錯(cuò)誤之處在所難免。若蒙讀者諸君不吝告知，將不勝感激。

下篇將補(bǔ)上 WiFi 組網(wǎng)相關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)介紹。

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